第三部分數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)驅動

第三部分數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)驅動機電工程學院第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)3.2數(shù)控機床的位置檢測本部分重要內容第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件的位移和速度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，也稱為位置隨動系統(tǒng)、簡稱伺服系統(tǒng)。主要功能是：接受來自數(shù)控裝置輸出的插補結果，如指令脈沖或數(shù)字量，通過功率放大控制電動機驅動機床的移動部件，完成預期的直線或轉角位移。第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述3.1數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)概述第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月如果說CNC裝置是數(shù)控機床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么伺服系統(tǒng)則是數(shù)控機床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，速度與位移量。第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1．穩(wěn)定性好2．準確度高3、響應快4、調速范圍寬5、輸出扭矩大6、高可靠性第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述3.1.1數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的基本要求第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

組成：伺服電動機驅動信號控制轉換電路電子電力驅動放大模塊位置調節(jié)單元速度調節(jié)單元電流調節(jié)單元（調節(jié)加速度）檢測裝置一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的典型結構為三環(huán)結構：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述3.1.2數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的組成第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

位置調解速度調解電流調解轉換驅動工作臺電流反饋速度反饋位置反饋MG

位置、速度和電流環(huán)均由：調節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅動裝置由驅動信號產生電路和功率放大器組成。CNC指令第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月由于各組件加工的精密化，微米的誤差已不是問題，在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級。在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3常用的伺服驅動元件伺服驅動元件是伺服系統(tǒng)的關鍵部件，對系統(tǒng)的特性有極大的影響，它的發(fā)展和進步是推動數(shù)控機床發(fā)展的重要因素。驅動元件的發(fā)展大致分為以下幾個階段：50年代，采用步進電動機。目前只應用于經濟型數(shù)控機床（適于輕載、負荷變動不大）。60～70年代，采用步進電動機和電液伺服電動機。現(xiàn)已基本不用。70～80年代，采用直流伺服電動機，目前在我國仍有使用（調速性能良好）。80年代以后，采用交流伺服電動機，是比較理想的驅動元件。90年代以來直線電動機開始采用（高速、高精度）。第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述一、步進電機步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電動機按設定的方向轉動一個固定的角度。步進電動機的轉子上無繞組且制有若干個均勻分布的齒，在定子上有勵磁繞組。當有脈沖輸入時，轉子就轉過一個固定的角度，其角位移量與輸入脈沖個數(shù)嚴格地成正比，在時間上也與輸入脈沖同步。當無脈沖時，在繞組電源的激勵下，氣隙磁場能使轉子保持原有位置不變而處于定位狀態(tài)。第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述（一）步進電動機工作原理盡管步進電動機種類很多，其基本原理實質都是一致的?，F(xiàn)以三相反應式步進電動機為例，說明其工作原理：在步進電動機定子上有三對磁極上面繞有勵磁繞組，分別稱為A相、B相和C相。轉子上帶有等距小齒（圖中有四個齒），如果先將A相加上電脈沖，則有：ABBCC1234(a)A相通電A第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述如果將B相加上電脈沖，則有：轉子逆時針旋轉30°AABBCC1234(b)B相通電AABBCC1234(a)A相通電第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述如果將C相加上電脈沖，則有：轉子逆時針旋轉30°AABBCC1234(b)B相通電AABBCC1234(a)A相通電AABBCC1234(c)C相通電轉子逆時針旋轉30°動畫模擬第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述這種三相勵磁繞組依次單獨通電，切換三次為一個循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。其通電方式及通電順序為A→B→C→A…或者A→C→B→A…由于每次只有一相磁極通電，易在平衡位置附近發(fā)生振蕩，而且在各相磁極通電切換的瞬間，電動機失去自鎖力，容易造成失步。第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述為改善其工作性能，可采用三相六拍的通電方式，其通電方式及通電順序為:A→AB→B→BC→C→CA→A…或者A→AC→C→CB→B→BA→A…這種通電方式當由A相通電轉為AB相共同通電時，轉子磁極將同時受到A相與B相的吸引，它就停在AB兩相磁極中間，這時它轉過的角度是15度。這種通電方式在切換時，始終有一相磁極不斷電，故而工作較穩(wěn)定，且在相同頻率下，每相導通的時間增加，平均電流增加，從而可以提高電磁轉矩、啟動頻率及連續(xù)運行頻率等特性。第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述（二）步進電動機的結構第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述（三）步進電動機的優(yōu)點：控制特性好；誤差不長期積累；步距角不受各種干擾因素的影響。

步進電動機轉子轉動的速度取決于脈沖信號的頻率，總位移量取決于總的脈沖數(shù)，它作為伺服電動機應用于控制系統(tǒng)時，可以使系統(tǒng)簡化，工作可靠，而且可以獲得較高的控制精度。第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述（四）步進電動機的分類１、按力矩產生原理分：有反應式（轉子無繞組）、激磁式（定子轉子均有繞組）；２、按輸出力矩大小分：可分為伺服式（與液壓扭矩放大器配用）、功率式（5~50N.m）；３、按定子數(shù)分：單定子式、多定子式；４、按各相繞組分布分：有單段式（徑向式）、多段式（軸向式）等。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述（五）步進電動機的主要技術指標1、步距角：電動機每步的轉角稱為步距角，步距角越小精度越高。α＝360/mzkm－相數(shù)；k－與通電方式有關的系數(shù)；z－齒數(shù)同一相數(shù)的步進電動機通常有兩種步距角，如1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、3°/1.5°等。雙拍制的步距角比單拍制的步距角減小一半。第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述2、靜態(tài)矩角特性：描述靜態(tài)時電磁轉矩與轉角的關系。靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定平衡點穩(wěn)定平衡點最大靜轉矩穩(wěn)定平衡點MOθ3、啟動頻率：在空載條件下由靜止狀態(tài)突然啟動，并進入不丟步的正常運行最高頻率。第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述4、連續(xù)運行頻率：其運行速度能跟蹤指令脈沖連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率。5、矩頻特性曲線與動態(tài)轉矩：描述步進電機輸出轉矩與運行頻率之間的關系。脈沖頻率負載轉矩矩頻特性曲線O第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述（六）驅動控制步進電機驅動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大電路組成。A環(huán)形分配器功率放大器BC第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述1、環(huán)形分配實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。一種是計算機軟件分配，用于多相電動機的脈沖分配，但會占用計算機的運行時間，從而影響電動機的運行速度。另一種是硬件環(huán)形分配，采用數(shù)字電路搭建或專用的環(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號經電路處理后輸出環(huán)形脈沖。第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述2、功率驅動（1）單電源驅動電路第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述（2）雙電源驅動電路第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述（3）斬波限流驅動電路第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述（七）步進電機在數(shù)控機床的應用簡易型數(shù)控機床、普通機床的數(shù)控改造第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、交流伺服電動機由于直流伺服電動機的的電刷和換向器易磨損；電動機最高轉速的限制，應用環(huán)境的限制；結構復雜，制造困難，成本高。而交流伺服電動機結構簡單，成本低廉，無直流伺服電動機的缺點。而且轉子慣量較直流伺服電動機的小，這意味著動態(tài)響應更好。交流伺服電動機容量也比直流伺服電動機容量大，可達更高的電壓和轉速。一般在同樣體積下，交流伺服電動機的輸出功率比直流伺服電動機可以提高10％～70％。是當前機床進給驅動系統(tǒng)的主流。

第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述1、交流伺服電動機的類型：交流異步電動機和交流同步電動機。交流異步電動機所采用的電流有三相和單相兩種。交流同步電動機的磁勢源可以是電磁式、永磁式和反應式等多種，在數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電動機。主軸伺服系統(tǒng)電機多采用交流異步電動機，很少采用永磁同步電動機，主要因為永磁同步電動機的容量做得不夠大，且電機成本較高。另外主軸驅動系統(tǒng)不象進給系統(tǒng)那樣要求很高的性能，調速范圍也不要太大。因此，采用異步電動機完全可以滿足數(shù)控機床主軸的要求，籠型異步電機多用在主軸驅動系統(tǒng)中。第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月VSVS第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述永磁式同步電動機的特點是：結構簡單，運行可靠，效率高。在結構上采取措施如采用高剩磁感應、高矯頑力和稀土類磁鐵，可比直流電動機在外形尺寸上減少約50％，重量上減輕近60％，轉子慣量減至20％，因而可得到比直流伺服電動機更硬的機械性能和寬的調速范圍。第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.交流伺服電動機的調速方法由電動機學知，交流電動機轉速公式：式中：f–定子電源頻率p–磁極對數(shù)S–轉差率ns–定子旋轉磁場轉速n–轉子轉速第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述對于進給系統(tǒng)常使用交流同步電動機，該電動機沒有轉差率，電動機轉速公式變?yōu)椋簭氖街锌梢钥闯觯褐荒苡米冾l調速，并且是有效方法。第32頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述變頻調速的主要環(huán)節(jié)是為交流電動機