【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(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置 (計(jì)算機(jī) )和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)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(qiáng) 。 3/9/2023 概 述 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說(shuō)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(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢” ，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來(lái)的運(yùn)動(dòng)命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位移量。 3/9/2023 伺服系統(tǒng)的組成 組成： 伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路 電子電力驅(qū)動(dòng)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(cè)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(dòng) 工作臺(tái) 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(cè) 和 反饋 部分組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路 和 功率 放大器 組成。 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：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(guò)程后 ， 達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)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(dòng)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(jī)械要求電機(jī)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(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制 ， 在整個(gè)速度 范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn) 矩控制 ， 能提供較大轉(zhuǎn)矩 。 在高速時(shí)為恒功率控制 ， 具有足夠大 的輸出功率 。 對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求 3/9/2023 對(duì)伺服電機(jī)的要求： （ 1） 調(diào)運(yùn)范圍寬且有良好的穩(wěn)定性 ， 低速時(shí)的速度平穩(wěn)性 （ 2） 電機(jī)應(yīng)具有大的 、 較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力 ， 以滿足低速 大轉(zhuǎn)矩的要求 。 （ 3） 反應(yīng)速度快 ， 電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 、 較大的 轉(zhuǎn)矩 、 盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和很大的加速度 (400rad / s2以上 )。 （ 4） 能承受頻繁的起動(dòng) 、 制動(dòng)和正反轉(zhuǎn) 。 對(duì)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(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 工作臺(tái) 脈沖 伺服電機(jī) 速度檢測(cè) 速度控制 位置控制 位置檢測(cè) 伺服電機(jī) 速度控制 位置控制 工作臺(tái) 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(méi)有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置→ 進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。 電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 A相、 B相 C相 、 … f、 n CNC 插補(bǔ)指令 脈沖頻率 f 脈沖個(gè)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(wú)位置反饋，精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。 ? 一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。 ? 這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置 (常用伺服電機(jī) )或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。 位置控制調(diào)節(jié)器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng) 檢測(cè)與反饋單元 位置控制單元 速度控制單元 + + 電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 CNC插補(bǔ) 指令 實(shí)際位置反饋 實(shí)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(jī)械傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)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(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代 CNC機(jī)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(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。 位置控制調(diào)節(jié)器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng) 檢測(cè)與反饋 單元 位置控制單元 速度控制單元 + + 電機(jī) 機(jī)械執(zhí)行部件 CNC插補(bǔ) 指令 實(shí)際位置反饋 實(shí)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(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。 ? 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)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(jì)、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(jī)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(dá)和電液伺服馬達(dá) 。 優(yōu)點(diǎn)：在低速下可以得到很高的輸出力矩 ， 剛性好 ， 時(shí)間常 數(shù)小 、 反應(yīng)快和速度平穩(wěn) 。 缺點(diǎn)：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(jī) （ 步進(jìn)電機(jī) 、 直流電機(jī)和交流電機(jī) ） 優(yōu)點(diǎn)：操作維護(hù)方便 ， 可靠性高 。 1） 直流伺服系統(tǒng) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺 服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用他激直流伺 服電機(jī) 。 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好 。 缺點(diǎn)：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(jī) （ 一般用于主軸伺服系 統(tǒng) ） 和永磁同步伺服電機(jī) （ 一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng) ） 。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 不需維護(hù) 、 適合于在惡劣環(huán)境下工作 。 動(dòng) 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(duì)象分類 （ 1） 進(jìn)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(gè)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(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī) 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(jī)床中常用的伺服電機(jī) ： 直流伺服電機(jī) （ 調(diào)速性能良好 ） 交流伺服電機(jī) （ 主要使用的電機(jī) ） 步進(jìn)電機(jī) （ 適于輕載 、 負(fù)荷變動(dòng)不大 ） 直線電機(jī) （ 高速 、 高精度 ） 3/9/2023 常用的直流電動(dòng)機(jī)有：永磁式直流電機(jī) （ 有槽 、 無(wú)槽 、 杯型 、 印刷繞組 ） 勵(lì)磁式直流電機(jī) 混合式直流電機(jī) 無(wú)刷直流電機(jī) 直流力矩電機(jī) 直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)： 永磁式直流電機(jī)類型中的 有槽電樞永磁直 流電機(jī) （ 普通型 ） ； 直流主軸伺服系統(tǒng)： 勵(lì)磁式直流電機(jī)類型中的 他激直流電機(jī) 。 直流伺服電機(jī)及工作特性 3/9/2023 1．直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 極靴 機(jī)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(chǎng)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(shì) 。 電樞反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系： （ ） Ke─ 電勢(shì)常數(shù)； ω─ 電機(jī)轉(zhuǎn)速 （ 角速度 ） 。 根據(jù)以上各式可以求得： （ ） 2 一般 直流電機(jī)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(shí)： 理想空載轉(zhuǎn)速 （ ） 當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)： 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ( ） 當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)某一負(fù)載 TL時(shí) 電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的差 （