第五章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

第五章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三機(jī)床伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為被控參數(shù)的自動控制系統(tǒng)，有時也稱為隨動系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接受來自插補(bǔ)器的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換放大后轉(zhuǎn)化為機(jī)床工作臺的位移。

伺服系統(tǒng)若按有無檢測裝置可分為兩大類；開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

開環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進(jìn)式伺服系統(tǒng)

在步進(jìn)式伺服系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，受驅(qū)動控制線路的控制，將代表進(jìn)給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制，但它的結(jié)構(gòu)簡單，容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場合，具有一定的使用價值。

第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或線位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它是根據(jù)同步電機(jī)原理制成的。下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，說明步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理

第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三(1)步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即為步進(jìn)電機(jī)的步距角；(2)改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?qū)㈦S之改變；(3)步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；(4)步進(jìn)電機(jī)的步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式K有關(guān)，可用下式表示：

式中，三相三拍時K=1；三相六拍時K=2。例題第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三如前圖所示的步進(jìn)電機(jī)，若轉(zhuǎn)子齒數(shù)z＝40，以三相三拍通電時，步距角為

若以三相六拍通電方式工作時，步距角為第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進(jìn)電機(jī)的類型及結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，其分類方式也很多。常見的分類方式是按產(chǎn)生力矩的原理、輸出力矩的大小以及定子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量等方面來分類

第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三目前，我國使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，如圖所示。這是一臺典型的單定子徑向分相的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖

單定子徑向分相式三相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三多定子軸向分相式五相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進(jìn)電機(jī)的主要特性

步距角步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是決定步進(jìn)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。數(shù)控機(jī)床中常見的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為0.5o~3o度。通常，步進(jìn)角越小，加工精度越高。

啟動頻率步進(jìn)電機(jī)在空載的條件下由靜止突然啟動，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常啟動。因此，空載啟動時，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率．當(dāng)步進(jìn)電機(jī)加負(fù)載后，其啟動頻率隨負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量增加而減小。

第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三(3)連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率fmax步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時保證不丟步的極限頻率fmax稱為最高工作頻率。(4)加減速特性步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。加減速特性曲線第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進(jìn)系統(tǒng)原理框圖

步進(jìn)式伺服系統(tǒng)的工作原理

第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三1．工作臺位移量的控制進(jìn)給脈沖數(shù)N→定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)N→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角→工作臺位移量L2．工作臺進(jìn)給速度的控制進(jìn)給脈沖的頻率f→定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速→工作臺進(jìn)給速度v3．工作臺運(yùn)動方向的控制

步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序→步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)→工作臺的進(jìn)給方向第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制線路第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三1．脈沖混合電路無論是數(shù)控裝置送來的插補(bǔ)進(jìn)給信號、齒補(bǔ)信號，還是手動進(jìn)給、手動回原點(diǎn)信號等等，這些信號的目的無非是要使工作臺正向進(jìn)給和反向進(jìn)給，因此首先應(yīng)將這些信號混合為使工作臺正向運(yùn)行的“正向進(jìn)給”信號或使之反向運(yùn)行的“反向進(jìn)給”信號。這就是脈沖混合電路的作用。

2．加減脈沖分配電路加減脈沖分配電路的作用，是將正反向進(jìn)給脈沖，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的原轉(zhuǎn)向和可逆計(jì)數(shù)器的存數(shù)狀態(tài)，決定脈沖進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器時，應(yīng)作加法計(jì)數(shù)還是減法計(jì)數(shù)。若步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，輸入正向進(jìn)給脈沖：步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，輸入反向進(jìn)給脈沖，此時不管可逆計(jì)數(shù)器是否全為零，均作加法計(jì)數(shù)。而當(dāng)可逆計(jì)數(shù)器非全零時，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，輸入反向進(jìn)給脈沖；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，輸入正向進(jìn)給脈沖，均作減法計(jì)數(shù)。第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三3．加減速電路(自動升降速電路)步進(jìn)電機(jī)的加減速特性要求是，進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)繞組的脈沖電流的頻率變化要平滑，而且應(yīng)有一定的時間常數(shù)，但各進(jìn)給脈沖頻率間的變化可能是躍變的。因此應(yīng)該將此躍變頻率經(jīng)加減速電路緩沖后，再進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)繞組，使步進(jìn)電機(jī)工作正?？煽?。這就是加減速電路的作用。第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三4．環(huán)形分配器環(huán)形分配器的作用是把來自加減速的一串進(jìn)給脈沖按一定規(guī)律分成若干路電平信號去控制步進(jìn)電機(jī)的幾個定子繞組，使其正向運(yùn)轉(zhuǎn)或反相運(yùn)轉(zhuǎn)。簡單移相寄存器100010001第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三5.功率放大器

從環(huán)形分配器來的脈沖電流只有幾毫安，而步進(jìn)電機(jī)的定子繞組需要幾安培的電流，因此需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功率驅(qū)動兩部分組成。前置放大器是為了放大環(huán)形分配器送來的脈沖信號并推動大功率驅(qū)動部分而設(shè)置的，一般可根據(jù)要求選擇一個適當(dāng)?shù)募稍?；大功率?qū)動部分進(jìn)一步將前置放大器送來的脈沖電流信號放大，得到步進(jìn)電機(jī)各相繞組所需的脈沖電流。它既要控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通斷電，又要起功率放大的作用，因而它是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路中很重要的一部分。通常采用大功率晶體管、快速可控硅或可關(guān)斷可控硅。

第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三提高步進(jìn)系統(tǒng)精度的措施1．細(xì)分線路所謂細(xì)分線路，就是把步進(jìn)電機(jī)的一步再分得細(xì)一些，來減小步距角。2．齒距誤差和反向間隙補(bǔ)償3．混合伺服系統(tǒng)第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三兩種控制線路刀具軌跡比較第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三間隙補(bǔ)償原理根據(jù)實(shí)際測得傳動間隙或齒距誤差的大小，每當(dāng)出現(xiàn)反向或移動到有齒距誤差的位置時，用補(bǔ)充固定的脈沖來克服。

第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三混合伺服系統(tǒng)第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三鑒相式伺服系統(tǒng)組成1．基準(zhǔn)信號發(fā)生器2．脈沖調(diào)相器3．測量元件及信號處理線路4．鑒相器5．直流放大器6．執(zhí)行元件

第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三鑒相式伺服系統(tǒng)框架第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三1．脈沖調(diào)相器

脈沖調(diào)相器是將脈沖數(shù)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的相位的裝置。頻率計(jì)數(shù)器容量脈沖發(fā)生器的頻率NFf=若時鐘脈沖是來自基準(zhǔn)信號發(fā)生器的基準(zhǔn)信號，則應(yīng)適當(dāng)選擇計(jì)數(shù)器的容量N，使f的大小等于旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器的工作頻率，即等于它們勵磁信號的頻率。

它利用兩個容量相同的計(jì)數(shù)器，

并由同一個脈沖信號發(fā)生器不斷地輸入時鐘脈沖，結(jié)果就在兩個計(jì)數(shù)器的最后一級的輸出口得到了頻率大大降低的兩個同頻率信號。假設(shè)脈沖發(fā)生器的頻率為F，計(jì)數(shù)器容量為N，則計(jì)數(shù)器的輸出端的脈沖頻率

鑒相式伺服系統(tǒng)的控制線路第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三輸入前后的波形變化+△x相位角

第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三輸入-△x前后的波形變化第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三可逆回路可逆回路的波形功能邏輯圖第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

2．鑒相器

作用：將控制信號與反饋信號進(jìn)行相位比較

(1)二極管型鑒相器在普通的相位系統(tǒng)中需鑒相的信號為正弦波，常用二極管、變壓器等元件組成的鑒相器

(2)門電路鑒相器在數(shù)字脈沖相位系統(tǒng)中需鑒相的信號是方波，常用由觸發(fā)器門電路組成的鑒相器

第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三二極管型鑒相器第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

鑒相器的輸出特性輸出最大直流電壓為:系統(tǒng)的平衡點(diǎn)(機(jī)床的瞬時零點(diǎn))第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三觸發(fā)器的減相原理第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

半加器鑒相線路及波形器AB信號NE是用來指示誤差的符號。當(dāng)位置信號滯后于指令信號時，NE置“0”；反之，當(dāng)位置信號超前于指令信號時，NE置“1”。

第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三鑒相系統(tǒng)的性能

鑒相式伺服系統(tǒng)作為一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它除了對機(jī)床傳動系統(tǒng)的精度、剛度有一定要求外，還應(yīng)滿足以下要求：

1．系統(tǒng)穩(wěn)定性

2．無負(fù)載機(jī)床絲杠的最大轉(zhuǎn)速nmax3．系統(tǒng)靜不靈敏度

4．穩(wěn)態(tài)誤差ε5．動態(tài)性能指標(biāo)第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三

數(shù)字比較式伺服系統(tǒng)

(1)由數(shù)控裝置提供的指令數(shù)字或數(shù)碼；(2)反映機(jī)床工作臺實(shí)際位置的反饋測量元件；(3)完成指令信號與反饋信號相比較的比較器；(4)執(zhí)行元件；(5)指令數(shù)字或數(shù)碼與比較器之間的數(shù)字-數(shù)碼轉(zhuǎn)換；(6)反饋元件與比較器之間的數(shù)字-數(shù)碼轉(zhuǎn)換。第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字比較系統(tǒng)的工作原理及主要功能部件

1．?dāng)?shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器

(1)數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)碼

(2)數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖

2．比較器

(1)數(shù)字脈沖比較器