數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng).ppt

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第五章 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng),一、定義： 進(jìn)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(jī)構(gòu)或伺服單元。 伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床主機(jī)的聯(lián)系環(huán)節(jié)，接收CNC裝置插補(bǔ)器發(fā)出的進(jìn)給脈沖或進(jìn)給位移量信息，經(jīng)過變換和放大由伺服電機(jī)帶動傳動機(jī)構(gòu)，最后轉(zhuǎn)化為機(jī)床的直線或轉(zhuǎn)動位移。,第一節(jié) 概述,數(shù)控機(jī)床的伺服包括：進(jìn)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(zhǔn)確、快速地完成各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)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(jī)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(jī)床的成本構(gòu)成中占有相當(dāng)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．?dāng)?shù)控機(jī)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(jìn)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(jī)類型分類 直流伺服系統(tǒng) 交流伺服系統(tǒng),在數(shù)控機(jī)床中使用的伺服電動機(jī)有步進(jìn)電動機(jī)、直流伺服電動機(jī)、交流伺電動機(jī)和直線電動機(jī)等。步進(jìn)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)。,第二節(jié) 步進(jìn)伺服驅(qū)動控制,步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)和進(jìn)給鏈來決定。,步進(jìn)電機(jī)的種類 按電機(jī)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(diǎn)，永久磁鐵提高功率密度，細(xì)密的極齒減小步距角，但加工困難，成本高。,第二節(jié) 步進(jìn)伺服驅(qū)動控制,步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件。,步進(jìn)電動機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子繞組組成。當(dāng)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(jìn)伺服驅(qū)動控制,步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu),第二節(jié) 步進(jìn)伺服驅(qū)動控制,步進(jìn)電機(jī)的原理,,結(jié)論 (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)方向隨之改變； (3) 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)伺服驅(qū)動控制,步進(jìn)電機(jī)的原理,,,,步距角 0.5~3，決定控制精度，是決定步進(jìn)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。 啟動頻率 fq。 空載時，步進(jìn)電機(jī)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 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(jìn)電機(jī)的一個重要特性，它 是指步進(jìn)電機(jī)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(jìn)伺服驅(qū)動控制,步進(jìn)電機(jī)的特性,,,,,,,,,,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(jìn)伺服驅(qū)動控制,系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路+步進(jìn)電機(jī)組成，對工作臺位移、速度和運(yùn)動方向進(jìn)行控制。,第二節(jié) 步進(jìn)伺服驅(qū)動控制,步進(jìn)式伺服系統(tǒng)工作原理,,1. 工作臺位移的控制 進(jìn)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Φ=? N →工作臺位移L=Φ t/360 2.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)的轉(zhuǎn)速ω→工作臺的進(jìn)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(yùn)動方向改變,第二節(jié) 步進(jìn)伺服驅(qū)動控制,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(jìn)伺服驅(qū)動控制,,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制線路,1.脈沖混合電路 將脈沖進(jìn)給、手動進(jìn)給、手動回原點(diǎn)、誤差補(bǔ)償?shù)然旌蠟?正向或負(fù)向脈沖進(jìn)給信號 2. 加減脈沖分配電路 將同時存在正向或負(fù)向脈沖合成為單一方向的進(jìn)給脈沖。 3.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間常數(shù),第二節(jié) 步進(jìn)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(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī) 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(jìn)給脈沖的個數(shù)及方向?qū)?yīng)。 常用電機(jī)有三、四、五相。 脈沖分配也可用軟件實(shí)現(xiàn)。 5. 功率放大器 將環(huán)形分配器輸出的mA級電流進(jìn)行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器組成。,第二節(jié) 步進(jìn)伺服驅(qū)動控制,四、提高步進(jìn)式伺服驅(qū)動系統(tǒng)精度的措施 影響步進(jìn)式伺服驅(qū)動系統(tǒng)精度的因素： 步進(jìn)電機(jī)的質(zhì)量 機(jī)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(xì)分電路 齒隙補(bǔ)償（反向間隙補(bǔ)償） 螺距誤差補(bǔ)償,第二節(jié) 步進(jìn)伺服驅(qū)動控制,1. 細(xì)分電路 把步進(jìn)電機(jī)的一步再分得細(xì)一些，減小脈沖當(dāng)量 2.齒隙補(bǔ)償（反向間隙補(bǔ)償） 原因：機(jī)械傳動鏈在改變方向時， 由于間隙的存在，會引起步進(jìn)電機(jī)的空走； 補(bǔ)償原理：對實(shí)際間隙進(jìn)行實(shí)測并保存，當(dāng)工作臺換向時增加輸出脈沖進(jìn)行補(bǔ)償。,第二節(jié) 步進(jìn)伺服驅(qū)動控制,,細(xì)分前后一步角位移波形圖 （a） 無細(xì)分 （b） 細(xì)分后,3. 螺距誤差補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償； 補(bǔ)償原理：對實(shí)際間隙進(jìn)行實(shí)測并保存，當(dāng)工作臺換向時增加輸出脈沖進(jìn)行補(bǔ)償。 實(shí)現(xiàn)方法： 安置兩個補(bǔ)償桿 按照螺距誤差在補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償。,第二節(jié) 步進(jìn)伺服驅(qū)動控制,,,,第二節(jié) 步進(jìn)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(shí)際的移動（有螺距的誤差） 曲線3—補(bǔ)償前的誤差曲線 曲線4—補(bǔ)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(diǎn)：工作可靠，抗干擾性強(qiáng)，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?yán)щy。 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(jī)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(jī)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(jī)低速運(yùn)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(jī),第三節(jié) 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng),直流伺服電機(jī)與普通直流電機(jī)的工作原理與基本結(jié)構(gòu)是一樣的，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jī)多為大功率直流伺服電機(jī)，如低慣量電機(jī)和寬調(diào)速電機(jī)等。,(1) 低慣量直流伺服電機(jī)。主要有無槽電樞直流伺服電機(jī)及其他一些類型的電機(jī)。無槽電樞直流伺服電機(jī)的工作原理與一般直流電機(jī)相同，其結(jié)構(gòu)的差別和特點(diǎn)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(jī)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(jī)。這種電機(jī)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(jī)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(jī)的調(diào)速原理 ω = 調(diào)速方法： 改變電樞電壓V 改變電勢系數(shù)（實(shí)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(jī)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(jī)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)： 直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的控制特性，單一通過控制電機(jī)的輸入電壓就可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，負(fù)載力矩對電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響相對較小，電機(jī)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(diǎn)，使得伺服電機(jī)在數(shù)控機(jī)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(jī) 用三相正弦電流驅(qū)動的伺服電機(jī)，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(jī)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(jī)械換向，遠(yuǎn)比DC伺服電機(jī)便于維護(hù)，但速度的控制方法比DC伺服電機(jī)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(jī)（包括伺服單元）的價格高于同等DC伺服電機(jī)。,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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)（半閉環(huán)）控制的伺服系統(tǒng)。 特點(diǎn)：工作可靠，抗干擾性強(qiáng)，精度高，由于增加了位置檢測、反饋、比較等元件，與步進(jìn)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(zhǔn)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(shí)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(jìn)行工作 當(dāng)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置要求工作臺沿一個方向進(jìn)給時，插補(bǔ)器或插補(bǔ)軟件便產(chǎn)生一系列進(jìn)給脈沖。 該進(jìn)給脈沖作為指令脈沖，其數(shù)量代表了工作臺的指令進(jìn)給量，其頻率代表了工作臺的進(jìn)給速度，其方向代表了工作臺的進(jìn)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(jìn)給脈沖經(jīng)過脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ诨鶞?zhǔn)信號的相位差，設(shè)為φ； 反饋信號經(jīng)過脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ诨鶞?zhǔn)信號的相位差，設(shè)為 ? ； 兩者送入鑒相器中得到跟隨誤差φ- ?。 進(jìn)給開始時： ? =0， φ = φ1 跟隨誤差φ- ?= φ1 工作臺進(jìn)給后： ? = ? 1 跟隨誤差φ- ?= φ1 - ? 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,