第五章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

11三月2024第五章數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)§5-1

概述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接收數(shù)控單元的位移/速度控制指令,驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)/主軸按照控制指令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接影響移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等一系列重要指標(biāo)，是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)2機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)3Umrichter

SIMODRIVE611digitalmitCNC

SINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfront

mitPCU20/50/70Drehstrom-

ServomotorenPeripherie

SIMATICS7-300Drehstrom-

Hauptspindelmotor數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)4一、數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成比較控制環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制單元執(zhí)行元件反饋檢測(cè)單元機(jī)床進(jìn)給指令注:開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、CNC（比較由軟件實(shí)現(xiàn)）數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)5二、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能1.進(jìn)給速度調(diào)速范圍大：5mm/min，10m/min2.位移精度要高：全程積累誤差≤±5μm，與脈沖當(dāng)量有關(guān)，δ↓，Δ↓；3.跟隨誤差要?。洪]環(huán)自控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要好；4.伺服系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性要好：抗干擾能力強(qiáng)，速度均勻、平穩(wěn)，粗糙度低，過(guò)載4～6倍，低速爬行工作可靠，抗干擾性強(qiáng)；數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)6三、數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類按用途和功能分按控制原理和有無(wú)檢測(cè)分按執(zhí)行元件和動(dòng)作原理分按控制方式分?jǐn)?shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)71.按用途和功能分進(jìn)給驅(qū)動(dòng)：轉(zhuǎn)距大小,調(diào)速范圍,調(diào)節(jié)精度,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等；主軸驅(qū)動(dòng)：足夠的功率,寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍，速度調(diào)節(jié)范圍；數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)82.按控制原理和有無(wú)檢測(cè)分開(kāi)環(huán)：無(wú)檢測(cè),經(jīng)濟(jì)型數(shù)控和老設(shè)備改造閉環(huán)：半閉環(huán)（檢測(cè)絲杠轉(zhuǎn)角）和全閉環(huán)（檢測(cè)工作臺(tái)直線位移）數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)93.按執(zhí)行元件和動(dòng)作原理分電液伺服驅(qū)動(dòng)：由電液伺服閥、低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)或液壓缸，位置檢測(cè)等元件組成電氣伺服驅(qū)動(dòng)：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)（頻繁起動(dòng)，制動(dòng)，快速定位等優(yōu)點(diǎn)，但有電刷，需要維護(hù)），交流伺服電機(jī)（易于維護(hù)，制造簡(jiǎn)單）數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)104.按控制方式分模擬伺服方式數(shù)字伺服方式數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)11§5-2開(kāi)環(huán)步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)，無(wú)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易調(diào)整控制精度低，速度受到限制。驅(qū)動(dòng)控制單元執(zhí)行元件機(jī)床進(jìn)給指令數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)12一、步進(jìn)電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)131.步進(jìn)電機(jī)的種類按產(chǎn)生力矩原理分：反應(yīng)式、激磁式按輸出力矩大小分：伺服式、功率式按定子數(shù)：?jiǎn)味ㄗ?、雙定子、三定子、多定子按各相繞阻分布：徑向分相式、軸向分相式數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)142.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)153.步進(jìn)電機(jī)的工作原理數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)16基本結(jié)論步進(jìn)電機(jī)定子繞阻通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，即電機(jī)的步距角；改變步進(jìn)電機(jī)定子繞阻的通電順序，其轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變;步進(jìn)電機(jī)定子繞阻通電狀態(tài)變化的頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高;步距角與定子繞阻相數(shù)m、轉(zhuǎn)子齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)。數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)174.步進(jìn)電機(jī)的主要特征步距角α：0.5°～3°，決定控制精度，是決定步進(jìn)式伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)距角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)距Mjmax和啟動(dòng)轉(zhuǎn)距Mq啟動(dòng)頻率fq：空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率：保證不丟步運(yùn)行的極限頻率加減速特性：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(guò)程中，定子繞阻通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)18二、步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)由“步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路”+“步進(jìn)電機(jī)”組成，對(duì)工作臺(tái)位移、速度和運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路步進(jìn)電機(jī)機(jī)床進(jìn)給指令數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)191.工作臺(tái)位移的控制進(jìn)給脈沖個(gè)數(shù)N→定子繞阻通電狀態(tài)改變次數(shù)N→角位移φ=αN→工作臺(tái)位移L=φt/360°2.工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制進(jìn)給脈沖頻率f→定子繞阻通斷電狀態(tài)變化頻率f→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω→工作臺(tái)進(jìn)給速度v3.工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的控制定子繞阻通電順序改變→工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向改變數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)20三、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)（控制）線路功能：將一定頻率f、數(shù)量N和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)定子各相繞阻通斷電狀態(tài)變化的頻率、次數(shù)和順序的功率信號(hào)

功率放大器環(huán)形分配器加減速電路脈沖混合電路加減脈沖分配電路進(jìn)給脈沖至步進(jìn)電機(jī)繞阻數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)211.脈沖混合電路將脈沖進(jìn)給、手動(dòng)進(jìn)給、手動(dòng)回原點(diǎn)、誤差補(bǔ)償?shù)然旌蠟檎蚧蜇?fù)向脈沖進(jìn)給信號(hào)2.加減脈沖分配電路

將同時(shí)存在正向或負(fù)向脈沖合成為單一方向的進(jìn)給脈沖

數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)223.加減速電路將單一方向的進(jìn)給脈沖調(diào)整為符合步進(jìn)電機(jī)加減速特性的脈沖，頻率的變化要平穩(wěn)，加減速具有一定的時(shí)間常數(shù)。同步器可逆計(jì)數(shù)器振蕩器數(shù)模轉(zhuǎn)換fafb數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)234.環(huán)形分配器將來(lái)自加減速電路的一系列進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)定子繞阻通、斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)及方向?qū)?yīng)。5.功率放大器將環(huán)形分配器輸出的mA級(jí)電流進(jìn)行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器組成。數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)24四、提高步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度的措施影響步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度的因素：步進(jìn)電機(jī)；絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)幅；由于受工藝和結(jié)構(gòu)的限制，常常從控制線路采取措施數(shù)控機(jī)床原理與系統(tǒng)251.細(xì)分電路