數(shù)控機床進給伺服驅(qū)動系統(tǒng).ppt

第五章 數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng),一、定義： 進給伺服系統(tǒng)(Feed Servo System)以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構(gòu)或伺服單元。 伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床主機的聯(lián)系環(huán)節(jié)，接收CNC裝置插補器發(fā)出的進給脈沖或進給位移量信息，經(jīng)過變換和放大由伺服電機帶動傳動機構(gòu)，最后轉(zhuǎn)化為機床的直線或轉(zhuǎn)動位移。,第一節(jié) 概述,數(shù)控機床的伺服包括：進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)兩部分。根據(jù)CNC發(fā)出的動作指令，伺服系統(tǒng)準確、快速地完成各坐標軸的進給運動，與主軸驅(qū)動相配合，完成加工件的高精度加工。 因此，伺服驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響零件的加工精度和生產(chǎn)效率，它的價格在這個數(shù)控機床的成本構(gòu)成中占有相當大的份額。,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概述,1.調(diào)速范圍要寬 2.位移精度要高 3.跟隨誤差要小,響應(yīng)要快 4.穩(wěn)定性要好，可靠性要高。,一數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求,二伺服驅(qū)動系統(tǒng)的組成,按控制理論分類 開環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 2. 按驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分類 電液伺服系統(tǒng) 電氣伺服系統(tǒng),三伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類,第一節(jié) 概述,3. 按被控對象分類 進給伺服系統(tǒng) 主軸伺服系統(tǒng) 4. 按反饋比較控制方式分類 脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) 相位比較伺服系統(tǒng) 幅值比較伺服系統(tǒng) 全數(shù)字伺服系統(tǒng),三伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類,第一節(jié) 概述,5. 按執(zhí)行電動機類型分類 直流伺服系統(tǒng) 交流伺服系統(tǒng),在數(shù)控機床中使用的伺服電動機有步進電動機、直流伺服電動機、交流伺電動機和直線電動機等。步進伺服驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行元件是步進電機。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,步進電動機一般用于開環(huán)伺服系統(tǒng)中，沒有位置反饋環(huán)節(jié)，位置控制精度由步進電動機和進給鏈來決定。,步進電機的種類 按電機的結(jié)構(gòu)和材料分類 反應(yīng)式：不用永久磁鐵，靠定子和轉(zhuǎn)子的軟鋼齒之閉的電磁引力產(chǎn)生力矩，結(jié)構(gòu)簡單，步距角可以做得很小，應(yīng)用最廣。 永磁式：轉(zhuǎn)子有多條永久磁鐵組成，定子和轉(zhuǎn)子間的引力和斥力都產(chǎn)生力矩，功率密度大，但步距角不可能做的很小。 混合式：結(jié)合上述兩種的優(yōu)點，永久磁鐵提高功率密度，細密的極齒減小步距角，但加工困難，成本高。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件。,步進電動機由轉(zhuǎn)子和定子繞組組成。當某相定子繞組由脈沖電流勵磁后，便能吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個角度，即步距角，每一個步距角對應(yīng)一個位移量，指令脈沖的頻率就對應(yīng)工作臺的移動速度。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,步進電機的結(jié)構(gòu),第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,步進電機的原理,結(jié)論 (1) 步進電機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，即步進電機的步距角 ； (2) 改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變； (3) 步進電機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高； (4) 步進電機步距角 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m相m拍時，k=1；m相2m拍時，k=2；依此類推。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,步進電機的原理,步距角 0.53，決定控制精度，是決定步進伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)。 啟動頻率 fq。 空載時，步進電機由靜止突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率 矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 和啟動轉(zhuǎn)矩 。 矩角特性是步進電機的一個重要特性，它 是指步進電機產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 與失調(diào)角的 變化規(guī)律。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,步進電機的特性,連續(xù)運行的最高工作頻率 保證不丟步運行的極限頻率 加減速特性 描述步進電機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。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,系統(tǒng)由步進電機驅(qū)動線路+步進電機組成，對工作臺位移、速度和運動方向進行控制。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,步進式伺服系統(tǒng)工作原理,1. 工作臺位移的控制 進給脈沖的個數(shù)N 定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)N 角位移= N 工作臺位移L= t/360 2.工作臺進給速度的控制 進給脈沖的頻率f 定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率 f 步進電機的轉(zhuǎn)速工作臺的進給速度v 3.工作臺方向的控制 定子繞組通電順序的改變-工作臺運動方向改變,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,功能：將一定頻率f、數(shù)量N和方向的進給脈沖轉(zhuǎn)換為控制步進電機定子各相繞組通斷電狀態(tài)變化的頻率、次數(shù)和順序的功率信號。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,步進電機的驅(qū)動控制線路,1.脈沖混合電路 將脈沖進給、手動進給、手動回原點、誤差補償?shù)然旌蠟?正向或負向脈沖進給信號 2. 加減脈沖分配電路 將同時存在正向或負向脈沖合成為單一方向的進給脈沖。 3.加減速電路 將單一方向的進給脈沖調(diào)整為符合步進電機加減速特性的 脈沖，頻率的變化要平穩(wěn)，加減速具有一定的時間常數(shù),第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,同步器,可逆計數(shù)器,振蕩器,數(shù)模轉(zhuǎn)換,fa,fb,4. 環(huán)形分配器 將來自加減速電路的一系列進給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進電機 定子繞組通斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及 順序與進給脈沖的個數(shù)及方向?qū)?yīng)。 常用電機有三、四、五相。 脈沖分配也可用軟件實現(xiàn)。 5. 功率放大器 將環(huán)形分配器輸出的mA級電流進行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器組成。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,四、提高步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)精度的措施 影響步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)精度的因素： 步進電機的質(zhì)量 機械傳動部分的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量 控制線路 由于受工藝和結(jié)構(gòu)的限制，常常從控制線路采取措施， 通常采用的措施有： 細分電路 齒隙補償（反向間隙補償） 螺距誤差補償,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,1. 細分電路 把步進電機的一步再分得細一些，減小脈沖當量 2.齒隙補償（反向間隙補償） 原因：機械傳動鏈在改變方向時， 由于間隙的存在，會引起步進電機的空走； 補償原理：對實際間隙進行實測并保存，當工作臺換向時增加輸出脈沖進行補償。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,細分前后一步角位移波形圖 （a） 無細分 （b） 細分后,3. 螺距誤差補償 原因：絲杠螺距存在制造誤差，會直接影響工作臺的位置精度，需要進行補償； 補償原理：對實際間隙進行實測并保存，當工作臺換向時增加輸出脈沖進行補償。 實現(xiàn)方法： 安置兩個補償桿 按照螺距誤差在補償桿上設(shè)置擋塊 工作臺移動時行程開關(guān)與擋塊接觸 時進行補償。,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,第二節(jié) 步進伺服驅(qū)動控制,曲線1理想的移動（沒有螺距誤差） 曲線2實際的移動（有螺距的誤差） 曲線3補償前的誤差曲線 曲線4補償后的誤差曲線,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),閉環(huán)控制的特點：工作可靠，抗干擾性強，精度高，但增加了位置檢測、反饋、比較等環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試困難。 一、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 數(shù)控系統(tǒng)對執(zhí)行元件（能量轉(zhuǎn)換和信號轉(zhuǎn)換）的要求： 盡可能減少電機的轉(zhuǎn)動慣量，以提高系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)； 盡可能提高電機的過載能力，以適應(yīng)經(jīng)常出現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象； 盡可能提高電機低速運行的穩(wěn)定性和均勻性，以保證低速時伺服系統(tǒng)的精度。,1. 直流伺服電機,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),直流伺服電機與普通直流電機的工作原理與基本結(jié)構(gòu)是一樣的，從結(jié)構(gòu)特點上可以分為有刷和無刷兩種基本類型。兩者的靜態(tài)特性和動態(tài)特性完全相同，控制方法也相同。 常用的直流電機多為大功率直流伺服電機，如低慣量電機和寬調(diào)速電機等。,(1) 低慣量直流伺服電機。主要有無槽電樞直流伺服電機及其他一些類型的電機。無槽電樞直流伺服電機的工作原理與一般直流電機相同，其結(jié)構(gòu)的差別和特點是：電樞鐵心是光滑無槽的圓體，電樞繞組用環(huán)氧樹脂固化成型并粘結(jié)在電樞鐵心表面上，電樞的長度與外徑之比在5倍以上，氣隙尺寸比一般的直流電機大10倍以上。它的輸出功率在幾十瓦至10 kW以內(nèi)。主要用于要求快速動作、功率較大的系統(tǒng)。,(2) 寬調(diào)速直流力矩電機。這種電機用提高轉(zhuǎn)矩的方法來改善其動態(tài)性能。它的結(jié)構(gòu)形式與一般直流電機相似，通常采用他激式。目前幾乎都用永磁式電樞控制。 直流伺服電機的調(diào)速原理 = 調(diào)速方法： 改變電樞電壓V 改變電勢系數(shù)（實際是改變勵磁回路參數(shù)） 改變電阻（串聯(lián)電阻）,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),直流伺服電機的調(diào)速原理 目前使用最廣泛的是脈寬調(diào)速PWM（改變電樞電壓V）,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),直流伺服電機調(diào)速的優(yōu)點： 直流伺服電機具有優(yōu)良的控制特性，單一通過控制電機的輸入電壓就可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，負載力矩對電機轉(zhuǎn)速的影響相對較小，電機的動態(tài)特性較好，能滿足伺服系統(tǒng)對響應(yīng)的要求，正是由于這些優(yōu)點，使得伺服電機在數(shù)控機床及其他數(shù)控設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),2. 交流伺服電機 用三相正弦電流驅(qū)動的伺服電機，按工作原理分為： 永磁同步型（SM型） 異步感應(yīng)型（IM型） AC伺服電機本身結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，體積較小，重量較輕，沒有整流子機械換向，遠比DC伺服電機便于維護，但速度的控制方法比DC伺服電機要復(fù)雜的多，對控制元件的容量及速度的要求也很高。AC伺服電機（包括伺服單元）的價格高于同等DC伺服電機。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),交流伺服電機的控制方法 幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制,鑒相式伺服系統(tǒng) 鑒相式伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床中使用較多的一種位置控制系統(tǒng)，它 是采用相位比較的方式實現(xiàn)閉環(huán)（半閉環(huán)）控制的伺服系統(tǒng)。 特點：工作可靠，抗干擾性強，精度高，由于增加了位置檢測、反饋、比較等元件，與步進式伺服系統(tǒng)相比它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試較困難。 鑒相式伺服系統(tǒng)的基本組成,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),各組成部分的功能介紹 1.基準信號發(fā)生器 2.脈沖調(diào)相器 3.檢測元件及信號處理線路 4.鑒相器 鑒相器的輸入信號有兩路，一路是來自脈沖調(diào)相器的指令信號；另一路是來自檢測元件及信號處理線路的反饋信號，它反映了工作臺的實際位移大小。 5.驅(qū)動線路和執(zhí)行元件,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),鑒相式伺服系統(tǒng)的工作原理 鑒相式伺服系統(tǒng)利用相位比較的原理進行工作 當數(shù)控機床的數(shù)控裝置要求工作臺沿一個方向進給時，插補器或插補軟件便產(chǎn)生一系列進給脈沖。 該進給脈沖作為指令脈沖，其數(shù)量代表了工作臺的指令進給量，其頻率代表了工作臺的進給速度，其方向代表了工作臺的進給方向。,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),鑒相式伺服系統(tǒng)的工作原理 進給脈沖經(jīng)過脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ诨鶞市盘柕南辔徊?，設(shè)為； 反饋信號經(jīng)過脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ诨鶞市盘柕南辔徊?，設(shè)為 ； 兩者送入鑒相器中得到跟隨誤差- 。 進給開始時： =0， = 1 跟隨誤差- = 1 工作臺進給后： = 1 跟隨誤差- = 1 - 1,第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),1. 以旋轉(zhuǎn)變壓器為測量元件的半閉環(huán)伺服系統(tǒng),第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),鑒相式伺服系統(tǒng)的類別,2. 以光柵為測量元件的半閉環(huán)伺服系統(tǒng),第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),鑒相式伺服系統(tǒng)的類別,