數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)(已修改)
2025-01-08 16:21 本頁(yè)面
【正文】 第六章 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng) 概述 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式 直流伺服電機(jī)與調(diào)速系統(tǒng) 交流伺服電機(jī)與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 1 概述 伺服系統(tǒng)的分類 數(shù)控伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)（ M）、驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路、電力電子驅(qū)動(dòng)放大模塊、電流調(diào)解單元、速度調(diào)解單元、位置調(diào)解單元和相應(yīng)的檢測(cè)裝置（如光電脈沖編碼器 G）等組成。一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 。它是一個(gè)三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其中，外環(huán)是位置環(huán)，中環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。 2 ? 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng) ? 閉環(huán)伺服系統(tǒng) ? 半閉環(huán)系統(tǒng) （ 1） 按調(diào)節(jié)理論分類 3 ? 電液伺服控制系統(tǒng) ? 電氣伺服控制系統(tǒng) （ 2） 按使用的執(zhí)行元件分類 ? 進(jìn)給伺服系統(tǒng) ? 主軸伺服系統(tǒng) （ 3） 按被控對(duì)象分類 4 （ 1）高精度 由于數(shù)控機(jī)床的動(dòng)作是由伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，為了保證移動(dòng)部件的定位精度，對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)要求定位準(zhǔn)確。一般要求定位精度達(dá)到 ～ ；高檔設(shè)備的定位精度要求達(dá)到 。速度控制要求在負(fù)載變化時(shí)有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，以保證速度恒定。這樣才能在輪廓加工中保證有較好的加工精度。 伺服系統(tǒng)的基本要求 5 （ 2）穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(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)，對(duì)伺服系統(tǒng)要求有較強(qiáng)的抗干擾能力。穩(wěn)定性是保證數(shù)控機(jī)床正常工作的條件，直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。 6 （ 3）響應(yīng)快速 為了提高生產(chǎn)率，保證加工精度要求伺服系統(tǒng)有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。這就對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能提出了兩方面的要求：一方面，在伺服系統(tǒng)處于頻繁地起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量，要求加、減速度足夠大，以縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，一般電動(dòng)機(jī)速度由零到最大，或從最大減少到零，時(shí)間應(yīng)控制在 200毫秒以下，甚至少于幾十毫秒，且速度變化不應(yīng)有超調(diào)；另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，過(guò)渡過(guò)程恢復(fù)時(shí)間要短且無(wú)振蕩，這樣才能達(dá)到光滑的加工表面。 7 （ 4）調(diào)速范圍寬 目前數(shù)控機(jī)床一般要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍是 0～30m/min，有的已達(dá)到 240m/min。除去滾珠絲杠和降速齒輪的降速作用。伺服電動(dòng)機(jī)要有更寬的調(diào)速范圍。對(duì)于主軸電動(dòng)機(jī)，因使用無(wú)級(jí)調(diào)速，要求有（ 1:100）～（ 1:1000）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速以及 1:10以上的恒功率調(diào)速。 （ 5）低速大轉(zhuǎn)矩 機(jī)床在低速切削時(shí)，切深和進(jìn)給都較大，要求主軸電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大?，F(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床，通常是伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直聯(lián)，沒(méi)有降速齒輪，這就要求進(jìn)給電動(dòng)機(jī)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。對(duì)于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要是速度和位置控制。 8 （ 6）較強(qiáng)的過(guò)載能力 由于電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)要求有很快的響應(yīng)速度，而使電動(dòng)機(jī)可能在過(guò)載的條件下工作，這就要求電動(dòng)機(jī)有較強(qiáng)的抗過(guò)載能力。通常要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載 4～ 6倍而不損壞。 （ 7）慣性匹配 移動(dòng)部件加速和降速時(shí)都有較大的慣量，由于要求系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能好，因而電動(dòng)機(jī)的慣量要與移動(dòng)部件的慣量匹配。通常要求電動(dòng)機(jī)的慣量不小于移動(dòng)部件慣量。 9 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī) 絲杠控制器 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力源工作臺(tái) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的組成 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)不存在反饋環(huán)節(jié) ， 系統(tǒng)輸出只受輸入的控制 。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 比較經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn) ， 其缺點(diǎn)是控制精度和抑制干擾的能力較差 ，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)敏感 。 10 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)流行于上世紀(jì) 70年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、維修方便，且控制為全數(shù)字化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電路之外，其它部分均可由軟件實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。目前步進(jìn)電機(jī)僅用于小容量、低速、精度要不高的場(chǎng)合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備、打印機(jī)、繪圖機(jī)等計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備。 11 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達(dá)。 步進(jìn)電機(jī)和一般電機(jī)不同，一般電機(jī)通電后連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步。每一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度叫做步距角。 12 步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入的脈沖數(shù)成正比。在時(shí)間上與輸入的脈沖同步。 因此，只需要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電相序，便可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角 、 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向 。 在無(wú)脈沖輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。 13 步進(jìn)電機(jī)的分類 ?按運(yùn)動(dòng)方式分： 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)式步進(jìn)電機(jī)； ?按工作原理分：反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式； ?按結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)味问剑◤较蚴剑⒍喽问剑ㄝS向式）； ?按使用場(chǎng)合分：功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)； ?按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相、八相等； ?按使用頻率分： 高頻率和低頻步進(jìn)電機(jī)； 不同的步進(jìn)電機(jī)，其工作原理、驅(qū)動(dòng)裝置也不完全一樣。 14 C A39。 B B39。 C39。 A 3 4 1 2 A相繞組通電， B、 C相不通電。氣隙產(chǎn)生以 AA為軸線的磁場(chǎng)，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過(guò)，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置： 3齒與 A、 A′極對(duì)齊。 “三相”指三相步進(jìn)電機(jī)；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 15 C A39。 B B39。 C39。 A 同理， B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò) 30?角， 4 齒和 B、 B180。 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， 3齒和 C180。、 C磁極軸線對(duì)齊。 C39。 C A39。 B B39。 A 16 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 A?B ?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) 30176。 (步距角 )，每個(gè)通電循環(huán)周期 (3拍 )磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)了 360176。而轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)過(guò)90176。 (一個(gè)齒距角 )。 2. 三相六拍 按 A?AB ?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。 17 C A39。 B B39。 C39。 A 3 4 1 2 C A39。 B B39。 C39。 A A相通電， 轉(zhuǎn)子 3齒與 A、 A39。 對(duì)齊。 A、 B相同時(shí)通電， A、 A39。 磁極拉住 3齒，B、 B39。 磁極拉住 4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 過(guò) 15?， 到達(dá)左圖所示位置。 18 C A39。 B B39。 C39。 A B 相通電， 轉(zhuǎn)子 4齒與 B、 B180。 對(duì)齊 ,又轉(zhuǎn) 過(guò) 15?。 C A39。 B B39。 C39。 A B、 C相同時(shí)通電， C39。 、 C 磁極拉住 3 齒， B、 B39。 磁極拉住 4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn) 過(guò) 15?。 19 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?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
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