數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng).ppt

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1、數(shù)控原理與數(shù)控系統(tǒng) 第四章,,第四章 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng),了解位置控制系統(tǒng)的概況、基本要求、特點(diǎn)和系統(tǒng)組成 掌握開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)系統(tǒng)各功能組件的作用 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器的基本原理及其硬、軟件的實(shí)現(xiàn)方法 掌握交流伺服、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同類型的驅(qū)動(dòng)電路及其優(yōu)缺點(diǎn) 了解幅值、相位、脈沖比較和全數(shù)字伺服系統(tǒng)的控制方式,本章學(xué)習(xí)目標(biāo),本章學(xué)習(xí)內(nèi)容,伺服系統(tǒng)的基本概念 1、伺服系統(tǒng)的組成 2、對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 3、伺服系統(tǒng)的分類 位置控制 1、開環(huán)控制系統(tǒng) 2、幅值伺服系統(tǒng) 3、相位伺服系統(tǒng) 4、脈沖比較伺服系統(tǒng) 5、全數(shù)字式伺服系統(tǒng) 速度控制 1、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 2、主軸驅(qū)動(dòng)的速度控制

2、,4.1 伺服系統(tǒng)的基本概念,伺服系統(tǒng)亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度為控制量，接收來(lái)自插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件生成的進(jìn)給脈沖指令，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大、檢測(cè)反饋，再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。這些軸有的帶動(dòng)工作臺(tái)，有的帶動(dòng)刀架，通過(guò)各個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。,4.1.1 伺服系統(tǒng)的組成,（1）比較組件。是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得

3、控制系統(tǒng)動(dòng)作的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常可通過(guò)電子電路或計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。,,,（2）調(diào)節(jié)組件。又稱控制器，是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其作用是對(duì)比較組件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換、放大，以控制執(zhí)行組件按要求動(dòng)作。調(diào)節(jié)組件的質(zhì)量對(duì)伺服系統(tǒng)的性能有著重要的影響，其功能一般由軟件算法加硬件電路實(shí)現(xiàn)，或單獨(dú)由硬件電路實(shí)現(xiàn)。,,,（3）執(zhí)行組件。其作用是在控制信號(hào)的作用下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作，數(shù)控機(jī)床中伺服電動(dòng)機(jī)是常用的執(zhí)行組件。,（4）被控對(duì)象。被控對(duì) 象是伺服系統(tǒng)中被控制 的設(shè)備或裝置，是直接 實(shí)現(xiàn)目的功能的主體， 其行為質(zhì)量反映著整個(gè) 伺服系統(tǒng)的性能，數(shù)控 機(jī)床中被控對(duì)

4、象主要是 機(jī)械裝置，包括傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,（5）測(cè)量反饋組件。測(cè)量反饋組件是指?jìng)鞲衅骷捌湫盘?hào)檢測(cè)裝置，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的輸出量并將其反饋到比較組件。,4.1.2 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求,1.高精度，定位精度要高，位移精度誤差越小越好 2.穩(wěn)定性可靠性高。 3.快速響應(yīng)、無(wú)超調(diào)。 4.調(diào)整范圍要寬。 5.低速大轉(zhuǎn)矩，過(guò)載能力強(qiáng),4.1.3 伺服系統(tǒng)的分類,1開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 這類數(shù)控機(jī)床沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)的流程是單向的，開環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖所示，其精度主要決定于伺服系統(tǒng)的性能，這類機(jī)床比較穩(wěn)定，調(diào)試方便。該類機(jī)床主要是經(jīng)濟(jì)性、中小型機(jī)床。,2.半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)

5、床,大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測(cè)元件裝在電機(jī)或絲杠的端頭。如圖所示為半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性。由于采用高分辨率的測(cè)量元件(如脈沖編碼器)，又可以獲得比較滿意的精度與速度。,3.閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床,這類機(jī)床數(shù)控裝置中插補(bǔ)器發(fā)出的指令信號(hào)與工作臺(tái)端測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行誤差修正，直至差值消除時(shí)為止。如圖所示為閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。采用閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床可以消除由于傳動(dòng)部件在制造中存在的精度誤差給工件加工帶來(lái)的影響，從而得到很高的精度。但是，由于很多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)包括在閉環(huán)控制的環(huán)路內(nèi)，各部件的

6、摩擦特性、剛性以及間隙等都是非線性量，直接影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大的難度，設(shè)計(jì)和調(diào)整得不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床主要是一些精度要求很高的加工中心、鏜銑床、超精車床、超精磨床等。,4.2 位置控制,數(shù)控系統(tǒng)位置控制的任務(wù)是準(zhǔn)確控制數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的位置，半閉環(huán)與全閉環(huán)位置控制的基本原理是一樣的，其控制是由數(shù)控系統(tǒng)中的位置環(huán)和速度環(huán)來(lái)完成的。,安裝在工作臺(tái)上的位置傳感器（在半閉環(huán)中為安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的角傳感器）將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，該脈沖送至數(shù)控裝置的位置測(cè)量接口，由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)以固定的時(shí)間周期對(duì)該反饋值進(jìn)行采樣，該采樣值與

7、插補(bǔ)程序所輸出的結(jié)果進(jìn)行比較，得到位置誤差。該誤差經(jīng)軟件增益放大，輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A），從而為伺服裝置提供控制電壓，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向減小誤差的方向移動(dòng)。如果插補(bǔ)程序不斷地有進(jìn)給量產(chǎn)生，工作臺(tái)就不斷地跟隨該進(jìn)給量運(yùn)動(dòng)，只有在位置為零時(shí)，工作臺(tái)才停止在要求的位置上。,4.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng),開環(huán)位置控制系統(tǒng)可由步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母所構(gòu)成。它不要求位置檢測(cè)與反饋控制，是一種最直接、最簡(jiǎn)單的位置控制。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的變換驅(qū)動(dòng)部件。例如，一個(gè)脈沖使電機(jī)轉(zhuǎn)1.5，連續(xù)地按一定方式供給脈沖電流，它就可以一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。由它傳動(dòng)滾珠絲杠，即可把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣?/p>

8、作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)。位移量與指令脈沖數(shù)成正比，位移速度與指令脈沖頻率成正比，運(yùn)動(dòng)方向取決于步進(jìn)電機(jī)的通電相序，,開環(huán)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整維護(hù)方便、工作可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，定位精度和速度較低，低速平穩(wěn)性差，效率也比較低。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)只適用于中、小型數(shù)控機(jī)床，以及對(duì)速度、精度要求不高的場(chǎng)合。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理,1反饋補(bǔ)償型開環(huán)控制,該系統(tǒng)由開環(huán)控制和感應(yīng)同步器直接位置測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分組成。這里的位置檢測(cè)不用作位置的全反饋，而是作為位置誤差的補(bǔ)償反饋。 基本工作原理 ： 由CNC發(fā)出的指令脈沖，一方面供給開環(huán)系統(tǒng)，控制步進(jìn)電機(jī)按指令運(yùn)轉(zhuǎn)，并直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)，構(gòu)成開

9、環(huán)控制；另一方面該指令脈沖又供給感應(yīng)同步器的測(cè)量系統(tǒng)（即數(shù)字式正余弦發(fā)生器，DSCG），作為位置給定（即a電），工作在鑒幅方式的感應(yīng)同步器，此時(shí)既是位置檢測(cè)器，又是比較器，它把由DSCG給定的滑尺激磁信號(hào)（a電）與由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定尺移動(dòng)位置（ a 機(jī)）及時(shí)進(jìn)行比較，由于兩者的指令是同一個(gè)，假定開環(huán)控制部分沒(méi)有誤差，則a機(jī) =a電，定尺輸出的誤差信號(hào)e=0，即不需要補(bǔ)償，系統(tǒng)的工作狀況與通常的開環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有什么區(qū)別。但是，實(shí)際上開環(huán)控制部分不是沒(méi)有誤差的，所有上述的種種因素造成的位置誤差都直接反映到指令位置與實(shí)際移動(dòng)位置之間的差別上，也精確地反映到感應(yīng)同步器的激磁位置（ a 電）與實(shí)際位置（ a

10、 機(jī)）之間的差別上，因此定尺誤差信號(hào)e0。該誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)一定處理線路后，再由電壓/頻率變換器產(chǎn)生變頻脈沖，把它與指令脈沖相加減，從而對(duì)開環(huán)控制達(dá)到位置誤差補(bǔ)償?shù)哪康摹?華中數(shù)控,1、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ),產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示 完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.,華中數(shù)控,華中數(shù)控,步進(jìn)電機(jī)的工作原理,相數(shù)：,拍數(shù)：,一、步進(jìn)電機(jī)常用術(shù)語(yǔ),華中數(shù)控,電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖

11、定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）,華中數(shù)控,步距角：,定位轉(zhuǎn)矩：,對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用表示。=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例： 四拍運(yùn)行時(shí)步距角為： =360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步） 八拍運(yùn)行時(shí)步距角： =360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）,華中數(shù)控,電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。,華中數(shù)控,華中數(shù)控,靜轉(zhuǎn)矩：,

12、華中數(shù)控,2、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)：,步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示： 誤差/步距角*100%。 不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。,華中數(shù)控,步距角精度：,失步：,華中數(shù)控,轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。,失調(diào)角：,最大空載起動(dòng)頻率：,華中數(shù)控,華中數(shù)控,電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的

13、最高轉(zhuǎn)速頻率。 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。,最大空載的運(yùn)行頻率：,運(yùn)行矩頻特性：,華中數(shù)控,步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。 為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA或()時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-CA-BC-AB或()時(shí)為反轉(zhuǎn)。,電機(jī)的共振點(diǎn)：,電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：,華中數(shù)控,華中數(shù)控,下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的 結(jié)

14、構(gòu)和工作原理。,三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：,A,定子內(nèi)圓周 均勻分布著六個(gè) 磁極，磁極上有 勵(lì)磁繞組，每?jī)?個(gè)相對(duì)的繞組組 成一相。轉(zhuǎn)子有 四個(gè)齒。,定子,轉(zhuǎn)子,1)三相單三拍,A相繞組通電，B、C相 不通電。由于在磁場(chǎng)作用下， 轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最 小的位置，故在這種情況下， 轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置： 1、3齒與A、A極對(duì)齊。,同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)30角，2、4 齒和B、B 磁極軸線對(duì)齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子 再轉(zhuǎn)過(guò)30角，1、3齒和C、C磁極軸線對(duì)齊。,這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。,按

15、AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。每一拍轉(zhuǎn)過(guò)30(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過(guò)90(一個(gè)齒距角)。,2) 三相六拍,按AAB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。,,A相通電，轉(zhuǎn)子1、 3齒與A、A 對(duì)齊。,A、B相同時(shí)通電， A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15，到達(dá)左圖所示位置。,B 相通電，轉(zhuǎn)子2、 4齒與B、B 對(duì)齊,又轉(zhuǎn) 過(guò)15。,B、C相同時(shí)通電， C 、C 磁極拉住1、3 齒，B、B 磁極拉住 2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò) 15。,三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周 期如下：A

16、AB B BC C CA，每個(gè)循 環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15（步距角）， 一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90 (齒距角)。,與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更 小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。,3. 三相雙三拍,按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通 電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。,與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循 環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30 (步距角)， 一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角)。,結(jié)構(gòu)：,華中數(shù)控,3、混合式步進(jìn)電機(jī)原理： 二相混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖,,華中數(shù)控,四、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、控制方式及接線 1、驅(qū)動(dòng)電路： 步進(jìn)電

17、機(jī)繞組的驅(qū)動(dòng)電路: 單極性電流一般采用下圖雙管串聯(lián)電路; 雙極性電流一般采用下圖的H橋電路; 三相混合式步進(jìn)電機(jī)則采用三相逆變橋電路,見下圖.,華中數(shù)控,2)高、低壓驅(qū)動(dòng),特點(diǎn)： （1）啟動(dòng)電流上升快； （2）較寬頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流； （3）電磁轉(zhuǎn)矩大且穩(wěn)定 （4）功率損耗較小。 （5）啟動(dòng)后有電流波動(dòng)，影響其工作穩(wěn)定性。,,,高低壓供電定時(shí)切換線路的工作原理見圖。該線路包括功率放大級(jí)(由功率管Tg，Td組成)、前置放大級(jí)和單穩(wěn)延時(shí)線路。二極管Dd是用作高低壓隔離的。 Dg和Rg是高壓放電回路。高壓導(dǎo)通時(shí)間由單穩(wěn)定時(shí)線路整定，通常為100600s，對(duì)功率步進(jìn)電機(jī)可達(dá)幾千微秒。當(dāng)環(huán)形分配

18、器輸出高電平時(shí)，兩只功率放大管Tg、Td同時(shí)導(dǎo)通，電機(jī)繞組以+80V電壓供電，繞組電流按L(R+r)的時(shí)間常數(shù)向電流穩(wěn)定值g(R+r)上升，當(dāng)達(dá)到單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間時(shí)，Tg管截止，改由+12V供電，維持繞組額定電流。若高低壓之比為gd，則電流上升率也提高gd倍，上升時(shí)間明顯減小。當(dāng)?shù)蛪簲嚅_時(shí)，電感L中的儲(chǔ)能通過(guò)DgR及gd構(gòu)成的放電回路放電，放電電流的穩(wěn)態(tài)值為(g一d)(R+R+r)因此也加快了放電過(guò)程這種供電線路由于加快了繞組電流的上升和下降過(guò)程，故有利于提高步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是由低壓維持的，只需較小的限流電阻，功耗較小。,3）恒流斬波驅(qū)動(dòng),特點(diǎn)： （1）繞組中脈沖

19、電流上升沿和下降沿較陡，快速響應(yīng)好； （2）電路功耗小、效率高； （3）能輸出恒轉(zhuǎn)矩。,,,斬波恒流功率放大電路又稱為定電流驅(qū)動(dòng)電路或波頂補(bǔ)償控制驅(qū)動(dòng)電路。該電路的控制原理是隨時(shí)檢測(cè)繞組的電流值，當(dāng)繞組電流值降到下限設(shè)定值時(shí)，高壓功率管導(dǎo)通，使繞組電流上升，上升到上限設(shè)定值時(shí)，便關(guān)斷高壓管。這樣，在一個(gè)步進(jìn)周期內(nèi)，高壓管多次通斷，使繞組電流在上、下限之間波動(dòng)，接近恒定值，提高了繞組的平均值，有效地抑制了電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的降低。斬波恒流功率放大電路如圖所示高壓功率管Vg通斷同時(shí)受到步進(jìn)脈沖信號(hào)和運(yùn)算放大器N的控制。在步進(jìn)脈沖信號(hào)Ucp到來(lái)時(shí)，一路經(jīng)驅(qū)動(dòng)低壓管Vd導(dǎo)通，另一路通過(guò)V1和反相器D1驅(qū)動(dòng)

20、高壓管Vg導(dǎo)通，此時(shí)繞組由高壓電源Ug供電。隨著繞組電流的增加，反饋電阻Rf上的電壓Uf不斷升高，當(dāng)其超過(guò)N的同相輸入電壓Us時(shí)，N輸出低電平，使晶體管V1的基極通過(guò)二極管VD1接低電平，V1截止，門D1輸出低電平，高壓管Vg關(guān)斷了高壓，繞組繼續(xù)由低壓Ud供電。當(dāng)繞組電流下降時(shí)，U f下降，當(dāng)U f

21、，電噪聲也越小,3.3 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng),速度控制： 當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置讀取傳感器PS的值，給出轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的移動(dòng)量時(shí)，用以控制定子電流，以改變?nèi)嚯娏飨辔?，使其沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，并移動(dòng)相應(yīng)的角度。 方向控制：改變?nèi)嚯娏鞯南辔灰葡?80度)，則旋轉(zhuǎn)方向改變。,3.4交流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng) 交流伺服系統(tǒng)的組成,1.交流伺服電動(dòng)機(jī)； 2.PWM功率逆變器； 3.微處理器控制器及邏輯門陣列； 4.位置傳感器； 5.電源及能耗制動(dòng)電路； 6.鍵盤顯示電路； 7.接口電路及通信電路； 8.故障檢測(cè)、保護(hù)電路。,,,,注意： 1.交流電源一般由隔離變壓器供電，以提高抗干擾能力和減小對(duì)其它設(shè)備的影響。有時(shí)

22、還需用電抗器減小起動(dòng)/停止時(shí)對(duì)電源和電源控制器件的沖擊。電源干擾較強(qiáng)時(shí)感覺(jué)可增加高壓瓷片電容，磁環(huán)，低通濾波器等。,2.交流動(dòng)力電源分為：整體式或模塊式。 邏輯電路電源：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置的開關(guān)量、模擬量等邏輯接口電路工作或電平匹配所需的直流電源（24、5V）。 控制電源：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置自身的控制板卡、面板顯示等內(nèi)部電路工作電源（一般為單相），可與動(dòng)力電源共用。,,三、控制接口 作用：驅(qū)動(dòng)裝置用于接受CNC、PLC及其它設(shè)備的的控制指令信號(hào)。 分類開關(guān)量控制接口 模擬量控制接口 控制接口常用信號(hào) 1.伺服ON允許進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置接受指令開始工作 2.復(fù)位（清除報(bào)警）進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置恢復(fù)到初始狀態(tài)（清除可

23、自恢復(fù)故障報(bào)警）。 3.控制方式選擇允許進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置在兩種工作方式之間切換，這兩種工作方式可通過(guò)參數(shù)在位置控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式中任選兩種。 4.CCW驅(qū)動(dòng)禁止和CW驅(qū)動(dòng)禁止禁止電動(dòng)機(jī)正/反向旋轉(zhuǎn)，用于機(jī)床的限位保護(hù)。 5.CCW轉(zhuǎn)矩限制輸入（010V）和CW轉(zhuǎn)矩限制輸入（010V）限制電動(dòng)機(jī)正/反轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩，由模擬電壓的值確定輸入轉(zhuǎn)矩的限制值。 說(shuō)明：在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)，可通過(guò)參數(shù)對(duì)控制接口的各位信號(hào)進(jìn)行設(shè)定： A、設(shè)定某位控制接口是否有效； B、設(shè)定某位控制信號(hào)是常閉有效/常閉有效； C、修改某位控制接口信號(hào)的含義。,4.2.2幅值比較法,幅值伺服系統(tǒng)是以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小

24、來(lái)反映機(jī)械位 移的大小，并以此作為位置反饋信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較，從而得到位置偏差，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后，作為速度控制電路的速度控制信號(hào)。 1工作原理 在幅值控制的伺服系統(tǒng)中，位置檢測(cè)元件仍采用旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器，工作在鑒幅方式下。系統(tǒng)的原理方框圖如圖4-15所示。其工作原理如下：CNC發(fā)出的指令脈沖在混合線路上與由感應(yīng)同步器測(cè)量線路產(chǎn)生的實(shí)際值脈沖在數(shù)量上進(jìn)行加減，由此產(chǎn)生系統(tǒng)的位置誤差，被寄存在誤差寄存器中，后經(jīng)D/A變換器變成模擬電壓，由位置調(diào)節(jié)器輸出速度給定，加到速度控制單元輸入端，后者控制伺服電機(jī)向消除位置誤差的方向旋轉(zhuǎn)。,對(duì)感應(yīng)同步器而言，在幅值比較時(shí)，每移動(dòng)一個(gè)位移量X，通過(guò)變換即

25、產(chǎn)生一定的反饋脈沖Pf，工作臺(tái)不斷移動(dòng)，Pf不斷產(chǎn)生，經(jīng)脈沖比較得到偏差脈沖，直至指令脈沖Pc等于反饋脈沖Pf，Pe為零，工作臺(tái)停止在指令要求的位置上。 對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器而言，在幅值比較時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角位移增量，即產(chǎn)生一定的反饋脈沖Pf，其他同感應(yīng)同步器。,4.2.3 相位伺服系統(tǒng),1工作原理 當(dāng)位置檢測(cè)裝置采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵時(shí)，如果這些裝置工作在相位工作狀態(tài)，則位置控制為相位比較法。圖4-24所示為感應(yīng)同步器相位比較控制原理框圖。脈沖相位變換器又稱脈沖調(diào)相器，作用有兩個(gè)：一是通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行分頻，產(chǎn)生基準(zhǔn)相位脈沖P0，由該脈沖形成的正、余弦勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電壓頻率與P 0頻率相同，

26、感應(yīng)電壓ud的相位隨著工作臺(tái)的移動(dòng)相對(duì)于基準(zhǔn)相位 0有超前或滯后；二是通過(guò)對(duì)指令脈沖Pc+、Pc-的加、減，再通過(guò)分頻產(chǎn)生相位超前或滯后于 P 0的指令相位脈沖P c。,由于指令相位脈沖Pc的相位和實(shí)際相位脈沖Pf的相位f均以基準(zhǔn)相位P 0脈沖的相位0為基準(zhǔn)，因此和通過(guò)鑒相器獲得的是c超前f ，還是f超前c ，或者兩者相等。圖4-25所示為Pc+=2時(shí)的相位比較波形變化圖。 下面簡(jiǎn)單敘述一下機(jī)床大拖板相位工作方式。 （1）同相位，經(jīng)鑒相器輸出=0，則速度控制信號(hào)為零，伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，機(jī)床大拖板仍靜止。,,（2）有正向進(jìn)給指令，Pc+=2，在指令獲得瞬時(shí)，大拖板仍靜止，此時(shí)指令脈沖的相位c超前基

27、準(zhǔn)相位0，但實(shí)際位置相位仍保持不變，經(jīng)鑒相器輸出 0，速度控制信號(hào)大于零，伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)床大拖板正向移動(dòng)。 （3）隨著機(jī)床大拖板的正向移動(dòng)，有反饋信號(hào)產(chǎn)生，由此產(chǎn)生的實(shí)際相位 f超前基準(zhǔn)相位 0，但 c仍超前 f ，經(jīng)鑒相器輸出 0，速度控制信號(hào)仍大于零，伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)床大拖板仍正向移動(dòng)。,隨著機(jī)床大拖板的繼續(xù)正向移動(dòng)，實(shí)際相位 f超前基準(zhǔn)相位0的數(shù)值增加，當(dāng) c = f時(shí)，經(jīng)鑒相器 =0，速度控制信號(hào)為零，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，機(jī)床大拖板停止在指令所要求的位置上,4.2.4 脈沖比較伺服系統(tǒng),脈沖比較法是將Pc的脈沖信號(hào)與Pf的脈沖信號(hào)相比較，得到脈沖偏差信號(hào)Pe。能產(chǎn)生脈沖信號(hào)的位置檢測(cè)

28、裝置有光柵、光電編碼器等，比較器為由加減可逆計(jì)數(shù)器組成的數(shù)字脈沖比較器。 其原理是來(lái)自CNC經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到的一系列進(jìn)給指令脈沖Pc和來(lái)自位置檢測(cè)裝置（光柵、光電編碼器等）的反饋脈沖Pf進(jìn)行比較，得到位置偏差信號(hào)Pe，以Pe作為伺服電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)指令。 具體工作臺(tái)移動(dòng)方式見P93頁(yè)1、2、3、4,全數(shù)字式伺服系統(tǒng),概述 伺服控制技術(shù)的發(fā)展與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān) 構(gòu)成 混合式伺服系統(tǒng)是位置環(huán)用軟件控制，速度環(huán)和電流環(huán)用硬件控制。在混合式伺服系統(tǒng)中，位置環(huán)控制在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行，由CNC插補(bǔ)得出位置指令值，并由位置采樣輸入實(shí)際值，用軟件求出位置偏差，經(jīng)軟件位置調(diào)節(jié)后得到速度指令值，經(jīng)

29、D/A轉(zhuǎn)換后作為速度控制單元（伺服驅(qū)動(dòng)裝置）的速度給定值，通常為模擬電壓-10+10V，在驅(qū)動(dòng)裝置中，經(jīng)速度和電流調(diào)節(jié)后，再經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向 特點(diǎn) （1）系統(tǒng)的位置、速度和電流的校正環(huán)節(jié)PID控制由軟件實(shí)現(xiàn)。 （2）具有較高的動(dòng)、靜態(tài)特性。在檢測(cè)靈敏度、時(shí)間溫度漂移、噪聲及外部干擾等方面都優(yōu)于混合式伺服系統(tǒng)。 （3）引入前饋控制，實(shí)際上構(gòu)成了具有反饋和前饋的復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖4-32所示為某全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的前饋控制框圖。 這種系統(tǒng)在理論上可以完全消除系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差、速度、加速度誤差以及外界擾動(dòng)引起的誤差，即實(shí)現(xiàn)完全的“無(wú)誤差調(diào)節(jié)”。 （4）由于全數(shù)字伺服系統(tǒng)采用總線

30、通信方式，可極大地減少連接電纜，便于機(jī)床安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，便于通過(guò)CRT實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服狀態(tài)。,4.3 速度控制,4.3.1 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制裝置分為開環(huán)和閉環(huán)兩大類。閉環(huán)型驅(qū)動(dòng)按位置檢測(cè)的方式可分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種。,開環(huán)控制采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng) 元件，由于它沒(méi)有位置反饋回路和 速度控制回路，簡(jiǎn)化了線路，因此 設(shè)備投資低，調(diào)試維修都很方便。 但進(jìn)給速度和精度較低。開環(huán)控制 被廣泛應(yīng)用于中低檔數(shù)控機(jī)床及一 般的機(jī)床改造中。,閉環(huán)型采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 半閉環(huán)位置檢測(cè)方式一般將位置檢測(cè)元件安裝在電動(dòng)機(jī)軸上（一般已由電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家裝好），用以精確控

31、制電動(dòng)機(jī)的角度，然后通過(guò)滾珠絲杠副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將角度轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的直線位移。如果滾珠絲杠副精度足夠高，間隙小，精度一般是可以滿足要求的。加之傳動(dòng)鏈上有規(guī)律的誤差（如間隙及螺距誤差等）可以由數(shù)控裝置加以補(bǔ)償，進(jìn)一步提高精度，因此在精度要求適中的中小型數(shù)控機(jī)床上，半閉環(huán)控制得到了廣泛應(yīng)用。,全閉環(huán)方式是直接從機(jī)床的移動(dòng)部 件上獲取位置實(shí)際移動(dòng)值，因此其 檢測(cè)精度不受機(jī)械傳動(dòng)精度的影響。 但不能認(rèn)為全閉環(huán)方式可以降低對(duì) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求，因閉環(huán)環(huán)路包括 了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性 不僅與傳動(dòng)部件的剛性、慣性有關(guān)， 還取決于阻尼、油的粘度、滑動(dòng)面 摩擦系數(shù)等因素。而且這些因素對(duì) 動(dòng)態(tài)特性的影響在不同條

32、件下還會(huì) 發(fā)生變化，這給位置閉環(huán)控制的調(diào) 整和穩(wěn)定帶來(lái)了許多困難。這些困 難使調(diào)整閉環(huán)環(huán)路時(shí)不得不降低位 置增益，從而對(duì)跟隨誤差與輪廓加 工誤差產(chǎn)生不利影響。所以采用全 閉環(huán)方式時(shí)必須增大機(jī)床剛性，改 善滑動(dòng)面摩擦特性，減小傳動(dòng)間隙， 這樣才有可能提高位置增益。全閉 環(huán)控制方式被大量應(yīng)用在精度要求 較高的大型數(shù)控機(jī)床上。,主軸定向控制,Spindle orientation,主軸定向的含義（Definition）,當(dāng)主軸停止時(shí)，控制其停于固定位置（定位于圓周上特定角度） 又稱“主軸準(zhǔn)停”、“主軸定位” 準(zhǔn)停指令：M19或M06,一、主軸定向的用途(Purposes),加工中心自動(dòng)換刀 精鏜后退

33、刀 背鏜 車床上工件定位,1、加工中心自動(dòng)換刀(Auto tool changing),在加工中心中，當(dāng)主軸停轉(zhuǎn)進(jìn)行刀具交換時(shí)，主軸需停在一個(gè)固定不變的位置上，從而保證主軸端面上的鍵也在一個(gè)固定的位置，這樣，換刀機(jī)械手在交換刀具時(shí)，能保證刀柄上的鍵槽對(duì)正主軸端面上的定位鍵。,2、精鏜孔后退刀(Fine boring),在精鏜孔退刀時(shí)，為了避免刀尖劃傷已加工表面，采用主軸準(zhǔn)?？刂疲沟都馔Ｔ谝粋€(gè)固定位置（X軸或Y軸上），以便主軸偏移一定尺寸后，使刀尖離開工件表面進(jìn)行退刀。,精鏜循環(huán)G76 (Canned cycle),孔底主軸準(zhǔn)停，快速退刀,G76動(dòng)畫示意,,3、背鏜（Counterboring

34、）,通過(guò)小孔鏜大孔，主軸準(zhǔn)?？刂?，使刀尖停在一個(gè)固定位置（ X軸或Y軸上），以便主軸偏移一定尺寸后，使刀尖能通過(guò)前壁小孔進(jìn)入箱體內(nèi)對(duì)大孔進(jìn)行鏜削。,反鏜循環(huán)G87(Canned cycle),,G87過(guò)程示意,,例題(Example),,4、車床上工件定位,用于工件定位，進(jìn)行自動(dòng)裝載和卸載,二、主軸定向控制的實(shí)現(xiàn)方式（Methods）,機(jī)械準(zhǔn)停（Mechanical orientation） 電氣準(zhǔn)停（Electrical orientation）,1、V型槽定位盤滾輪準(zhǔn)停裝置（ Mechanical orientation ）,M19 主軸減速無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)發(fā)信主電機(jī)停轉(zhuǎn)，慣性空轉(zhuǎn)活塞在電磁閥作

35、用下，將滾輪推入V型槽，同時(shí)行程開關(guān)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，準(zhǔn)停結(jié)束，可以進(jìn)行換刀等動(dòng)作。,2、磁性傳感器或編碼器準(zhǔn)停（Electronic orientation）,利用裝在主軸上的磁性傳感器或編碼器作為檢測(cè)元件，通過(guò)它們輸出的反饋信號(hào)，使主軸準(zhǔn)確地停在規(guī)定的位置上。,舉例,FANUC系統(tǒng)中編碼器主軸定向控制連接圖,CNA接口信號(hào)圖,,CN1接口信號(hào)圖,主軸伺服單元與強(qiáng)電回路的連接圖,h/Low,ORCM1，2：定向命令信號(hào),當(dāng)主軸正旋轉(zhuǎn)、該接口信號(hào)為ON（觸點(diǎn)閉合）時(shí)，主軸立即減速并運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置。,ORAR1，2：定向完成信號(hào),當(dāng)主軸運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置約1 范圍內(nèi)并停止時(shí)，發(fā)出ORAR1，2信號(hào)。,電氣準(zhǔn)停特點(diǎn),1)不需要機(jī)械部件---只需簡(jiǎn)單地連接編碼器或磁性傳感器，即可實(shí)現(xiàn)主軸定向控制。 2)定向時(shí)間縮短---電氣準(zhǔn)停主軸在高速時(shí)直接定向，不必采用齒輪減速，定向時(shí)間大為縮短。 3)高可靠性---由于定向控制采用電子部件，沒(méi)有機(jī)械易損件，不受外部沖擊的影響，因此，主軸 定向控制的可靠性高。 4)定向控制的精度和剛性高---完全能滿足自動(dòng)換刀的要求。 5）強(qiáng)電控制電路簡(jiǎn)化---強(qiáng)電控制順序由主軸定向命令、完成信號(hào)、主軸高/低速信號(hào)組成 。,,,Thank you all! 謝謝大家！,