【正文】 第 6 章 數(shù)控伺服系統(tǒng) 3/9/2023 概 述 伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置 (計算機 )和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構(gòu)或伺服單元。 該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強 。 3/9/2023 概 述 進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說C裝置是數(shù)控系統(tǒng)的 “大腦” ，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢” ，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”。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，進給速度與位移量。 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的組成 組成： 伺服電機 驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路 電子電力驅(qū)動放大模塊 位置調(diào)節(jié)單元 速度調(diào)節(jié)單元 電流調(diào)節(jié)單元 檢測裝置 一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu) ：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的組成 位置調(diào)解 速度調(diào)解 電流調(diào)解 轉(zhuǎn)換驅(qū)動 工作臺 電流反饋 速度反饋 位置反饋 M G 位置、速度和電流環(huán)均由： 調(diào)節(jié)控制模塊 、 檢測 和 反饋 部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由 驅(qū)動信號產(chǎn)生電路 和 功率 放大器 組成。 嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度 控制包括速度和電流控制。 3/9/2023 1． 精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程 度。包括定位精度和輪廓加工精度。 2． 穩(wěn)定性好 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下 ， 能在 短暫的調(diào)節(jié)過程后 ， 達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài) 。 直接 影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度 。 3． 快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo) ， 它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度 。 4． 調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速 和最低轉(zhuǎn)速之比 。 0～ 24m / min。 5． 低速大轉(zhuǎn)矩 進給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制 ， 在整個速度 范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn) 矩控制 ， 能提供較大轉(zhuǎn)矩 。 在高速時為恒功率控制 ， 具有足夠大 的輸出功率 。 對伺服系統(tǒng)的基本要求 3/9/2023 對伺服電機的要求： （ 1） 調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性 ， 低速時的速度平穩(wěn)性 （ 2） 電機應(yīng)具有大的 、 較長時間的過載能力 ， 以滿足低速 大轉(zhuǎn)矩的要求 。 （ 3） 反應(yīng)速度快 ， 電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量 、 較大的 轉(zhuǎn)矩 、 盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度 (400rad / s2以上 )。 （ 4） 能承受頻繁的起動 、 制動和正反轉(zhuǎn) 。 對伺服系統(tǒng)的基本要求 3/9/2023 1． 按調(diào)節(jié)理論分類 （ 1） 開環(huán)伺服系統(tǒng) （ 2） 閉環(huán)伺服系統(tǒng) （ 3） 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的分類 指令 驅(qū)動電路 步進電機 工作臺 脈沖 伺服電機 速度檢測 速度控制 位置控制 位置檢測 伺服電機 速度控制 位置控制 工作臺 脈沖編碼器 指令 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 ? 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) ?沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→ 進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。 電機 機械執(zhí)行部件 A相、 B相 C相 、 … f、 n CNC 插補指令 脈沖頻率 f 脈沖個數(shù) n 換算 脈沖環(huán)形分配變換 功率放大 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 ? 無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。 ? 一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。 ? 這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 ? 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) ? 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置 (常用伺服電機 )或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。 位置控制調(diào)節(jié)器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動 檢測與反饋單元 位置控制單元 速度控制單元 + + 電機 機械執(zhí)行部件 CNC插補 指令 實際位置反饋 實際速度反饋 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 ? 半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。 ? 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。 ? 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代 CNC機床中得到了廣泛應(yīng)用。 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 ? 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) ? 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。 位置控制調(diào)節(jié)器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動 檢測與反饋 單元 位置控制單元 速度控制單元 + + 電機 機械執(zhí)行部件 CNC插補 指令 實際位置反饋 實際速度反饋 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的分類 ? 從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。 ? 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。 ? 該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。 3/9/2023 2． 按使用的執(zhí)行元件分類 （ 1） 電液伺服系統(tǒng) 電液脈沖馬達和電液伺服馬達 。 優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩 ， 剛性好 ， 時間常 數(shù)小 、 反應(yīng)快和速度平穩(wěn) 。 缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng) ， 體積大 。 噪聲 、 漏油 。 （ 2） 電氣伺服系統(tǒng) 伺服電機 （ 步進電機 、 直流電機和交流電機 ） 優(yōu)點：操作維護方便 ， 可靠性高 。 1） 直流伺服系統(tǒng) 進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺 服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺 服電機 。 優(yōu)點：調(diào)速性能好 。 缺點：有電刷 ， 速度不高 。 2） 交流伺服系統(tǒng) 交流感應(yīng)異步伺服電機 （ 一般用于主軸伺服系 統(tǒng) ） 和永磁同步伺服電機 （ 一般用于進給伺服系統(tǒng) ） 。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單 、 不需維護 、 適合于在惡劣環(huán)境下工作 。 動 態(tài)響 應(yīng)好 、 轉(zhuǎn)速高和容量大 。 伺服系統(tǒng)的分類 3/9/2023 3． 按被控對象分類 （ 1） 進給伺服系統(tǒng) 指一般概念的位置伺服系統(tǒng) ， 包 括速度控制環(huán)和位置控制環(huán) 。 （ 2） 主軸伺服系統(tǒng) 只是一個速度控制系統(tǒng) 。 C 軸控制功能 。 4． 按反饋比較控制方式分類 （ 1） 脈沖 、 數(shù)字比較伺服系統(tǒng) （ 2） 相位比較伺服系統(tǒng) （ 3） 幅值比較伺服系統(tǒng) （ 4） 全數(shù)字伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的分類 3/9/2023 伺服電動機 伺服電動機 為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分 ， 是速 度和軌跡控制的執(zhí)行元件 。 數(shù)控機床中常用的伺服電機 ： 直流伺服電機 （ 調(diào)速性能良好 ） 交流伺服電機 （ 主要使用的電機 ） 步進電機 （ 適于輕載 、 負(fù)荷變動不大 ） 直線電機 （ 高速 、 高精度 ） 3/9/2023 常用的直流電動機有：永磁式直流電機 （ 有槽 、 無槽 、 杯型 、 印刷繞組 ） 勵磁式直流電機 混合式直流電機 無刷直流電機 直流力矩電機 直流進給伺服系統(tǒng)： 永磁式直流電機類型中的 有槽電樞永磁直 流電機 （ 普通型 ） ； 直流主軸伺服系統(tǒng)： 勵磁式直流電機類型中的 他激直流電機 。 直流伺服電機及工作特性 3/9/2023 1．直流伺服電機的結(jié)構(gòu) 極靴 機殼 瓦狀永磁材料（定子） 電樞（轉(zhuǎn)子） 換向極 主磁極 定子 轉(zhuǎn)子 線圈 圖 圖 3/9/2023 ⑴ 靜態(tài)特性 電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示 : （ ） KT — 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； Φ— 磁場磁通； Ia — 電樞電流； TM — 電磁 轉(zhuǎn)矩 。 電樞回路的電壓平衡方程式為 : （ ） Ua─ 電樞上的外加電壓； Ra─ 電樞電阻； Ea─ 電樞反電勢 。 電樞反電勢與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系： （ ） Ke─ 電勢常數(shù)； ω─ 電機轉(zhuǎn)速 （ 角速度 ） 。 根據(jù)以上各式可以求得： （ ） 2 一般 直流電機的工作特性 aTM IKT ??? ? aaaa ERIU ?? ??ea KE M2Teaea TKKRKU ????? ???3/9/2023 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時： 理想空載轉(zhuǎn)速 （ ） 當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時： 啟動轉(zhuǎn)矩 ( ） 當(dāng)電機帶動某一負(fù)載 TL時 電機轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的差 （