數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述(已修改)
2025-01-08 16:53 本頁面
【正文】 第六章 數(shù)控機床伺服系統(tǒng) 概述 開環(huán)控制系統(tǒng)與步進電機驅動電路 閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式 直流伺服電機與調速系統(tǒng) 交流伺服電機與主軸驅動系統(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（ M）、驅動信號控制轉換電路、電力電子驅動放大模塊、電流調解單元、速度調解單元、位置調解單元和相應的檢測裝置（如光電脈沖編碼器 G）等組成。一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結構如圖 。它是一個三環(huán)結構系統(tǒng)，其中，外環(huán)是位置環(huán)，中環(huán)是速度環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)。2216。 開環(huán)伺服系統(tǒng)216。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)216。 半閉環(huán)系統(tǒng) （ 1）按調節(jié)理論分類3216。 電液伺服控制系統(tǒng)216。 電氣伺服控制系統(tǒng)（ 2）按使用的執(zhí)行元件分類216。 進給伺服系統(tǒng)216。 主軸伺服系統(tǒng)（ 3）按被控對象分類4 （ 1）高精度 由于數(shù)控機床的動作是由伺服電動機直接驅動的，為了保證移動部件的定位精度，對進給伺服系統(tǒng)要求定位準確。一般要求定位精度達到 ～ ；高檔設備的定位精度要求達到 。速度控制要求在負載變化時有較強的抗擾動能力，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，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)，對伺服系統(tǒng)要求有較強的抗干擾能力。穩(wěn)定性是保證數(shù)控機床正常工作的條件，直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。6 （ 3）響應快速 為了提高生產率，保證加工精度要求伺服系統(tǒng)有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。這就對伺服系統(tǒng)的動態(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、制動、加速、減速等動態(tài)過程中，為了提高生產效率和保證加工質量，要求加、減速度足夠大，以縮短過渡過程時間，一般電動機速度由零到最大，或從最大減少到零，時間應控制在 200毫秒以下，甚至少于幾十毫秒，且速度變化不應有超調；另一方面，當負載突變時，過渡過程恢復時間要短且無振蕩，這樣才能達到光滑的加工表面。 7 （ 4）調速范圍寬 目前數(shù)控機床一般要求進給伺服系統(tǒng)的調速范圍是 0～30m/min，有的已達到 240m/min。除去滾珠絲杠和降速齒輪的降速作用。伺服電動機要有更寬的調速范圍。對于主軸電動機，因使用無級調速，要求有（ 1:100）～（ 1:1000）范圍內的恒轉矩調速以及 1:10以上的恒功率調速。 （ 5）低速大轉矩 機床在低速切削時，切深和進給都較大，要求主軸電動機輸出轉矩較大?，F(xiàn)代的數(shù)控機床，通常是伺服電動機與絲杠直聯(lián)，沒有降速齒輪，這就要求進給電動機能輸出較大的轉矩。對于數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)主要是速度和位置控制。 8 （ 6）較強的過載能力 由于電動機加減速時要求有很快的響應速度，而使電動機可能在過載的條件下工作，這就要求電動機有較強的抗過載能力。通常要求在數(shù)分鐘內過載 4～ 6倍而不損壞。 （ 7）慣性匹配 移動部件加速和降速時都有較大的慣量，由于要求系統(tǒng)的快速響應性能好，因而電動機的慣量要與移動部件的慣量匹配。通常要求電動機的慣量不小于移動部件慣量。 9 開環(huán)控制系統(tǒng)與步進電機 開環(huán)控制系統(tǒng)的組成 開環(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。開環(huán)控制系統(tǒng)具有結構簡單，比較經濟的優(yōu)點，其缺點是控制精度和抑制干擾的能力較差，且對系統(tǒng)參數(shù)的變動敏感。10 步進電機 步進電機流行于上世紀 70年代，該系統(tǒng)結構簡單、控制容易、維修方便，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結構。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當?shù)氖袌觥Ｄ壳安竭M電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經濟型數(shù)控設備、打印機、繪圖機等計算機的外部設備。11 步進電機是一種將電脈沖信號轉化為機械角位移的電磁機械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達。 步進電機和一般電機不同，一般電機通電后連續(xù)轉動，而步進電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉動。對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就旋轉一個固定的角度，稱為一步。每一步所轉過的角度叫做步距角。 12 步進電機的角位移量和輸入的脈沖數(shù)成正比。在時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、頻率及電機繞組通電相序，便可以獲得所需要的轉角 、 轉速及轉動方向 。 在無脈沖輸入時，步進電機在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。13步進電機的分類216。按運動方式分： 旋轉運動、直線運動式步進電機；216。按工作原理分：反應式（磁阻式）、電磁式、永磁式；216。按結構分：單段式（徑向式）、多段式（軸向式）；216。按使用場合分：功率步進電機和控制步進電機；216。按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相、八相等；216。按使用頻率分： 高頻率和低頻步進電機； 不同的步進電機，其工作原理、驅動裝置也不完全一樣。14CA39。BB39。 C39。A3412 A相繞組通電， B、 C相不通電。氣隙產生以 AA為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置： 3齒與 A、A′極對齊?！?三相 ” 指三相步進電機； “ 單 ” 指每次只能一相繞組通電； “ 三拍 ” 指通電三次完成一個通電循環(huán)。步進電動機的工作原理15CA39。BB39。 C39。A34 12 同理， B相通電時，轉子會轉過 30?角， 4齒和 B、 B180。 磁極軸線對齊；當 C相通電時，轉子再轉過 30?角， 3齒和 C180。、 C磁極軸線對齊。1 C39。342CA39。BB39。A16 這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，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，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過 30176。(步距角 )，每個通電循環(huán)周期 (3拍 )磁場在空間旋轉了 360176。而轉子 轉過 90176。(一個齒距角 )。2. 三相六拍三相六拍 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。17CA39。BB39。 C39。A3412CA39。BB39。 C39。A34 12 A相通電， 轉子 3齒與 A、 A39。 對齊。 A、 B相同時通電，A、 A39。 磁極拉住 3齒，B、 B39。 磁極拉住 4齒，轉子轉 過 15?， 到達左圖所示位置。18CA
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