數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動與監(jiān)測(已修改)
2025-01-09 10:29 本頁面
【正文】 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動與監(jiān)測 第一節(jié) 概述 一 、 伺服系統(tǒng)的概念 ? 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是以機(jī)械位移為直節(jié)控制目標(biāo)的自動控制系統(tǒng)，也可稱為位置隨動系統(tǒng)，簡稱為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一種是進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，以直線運(yùn)動為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運(yùn)動，以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為主。本章只介紹第一種伺服系統(tǒng)。 ? CNC裝置是數(shù)控機(jī)床發(fā)布命令的“大腦”，而伺服驅(qū)動則為數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”，它能夠準(zhǔn)確的執(zhí)行來自 CNC裝置的運(yùn)動指令。驅(qū)動裝置由驅(qū)動部件和速度控制單元組成。驅(qū)動部件由交流或直流電動機(jī)、位置監(jiān)測元件及相關(guān)的機(jī)械傳動和運(yùn)動部件組成。 ? 伺服系統(tǒng)的控制方法主要分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方法。它實(shí)際上是指伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制的三種方式。 ? 開環(huán)控制只有從發(fā)出的位置指令輸入到最后的位置輸出的前向通道控制，而沒有測量實(shí)際位置輸出的反饋通道。由步進(jìn)電動機(jī)直接驅(qū)動滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu)就是開環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)例。它的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整維護(hù)方便、工作可靠、成本低，但每一指令脈沖的進(jìn)給誤差、傳動鏈的誤差間隙、導(dǎo)軌滑動時(shí)摩擦力的不均衡等造成的誤差等最終都反映到實(shí)際位移中去，使得定位精度較低。此外，它的速度低，低速平穩(wěn)性差，效率也較低。 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 ? 如果在電動機(jī)軸或絲桿上安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器反饋轉(zhuǎn)角的變化，則系統(tǒng)變成了半閉環(huán)系統(tǒng)。這樣，與開環(huán)系統(tǒng)相比，半閉環(huán)系統(tǒng)，提高了精度，但它檢測的反饋信號來自于系統(tǒng)中某一個(gè)非最終輸出的環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)無法對這一環(huán)節(jié)到最終控制目標(biāo)之間的誤差自動進(jìn)行補(bǔ)償。 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(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 ? 在前向控制通道的基礎(chǔ)上在加上直接檢測最終輸出的反饋控制通道就形成了閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。檢測元件通常為直線感應(yīng)同步器和光柵等直線行位檢元件，安裝在最終的移動目標(biāo)工作臺上。 ? 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。數(shù)控機(jī)床的最高移動速度，跟蹤速度，定位精度等重要的指標(biāo)都取決于伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性。它一直是數(shù)控機(jī)床研究的重要課題之一。 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(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 二 、 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求 ? 數(shù)控機(jī)床完成各種不同的加工任務(wù)，對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，可概括為以下幾點(diǎn)要求。 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。直接影響機(jī)的定位精度和重復(fù)定位精度，因而對零件的加工精度影響很大。精密加工的數(shù)控機(jī)床要求定位和輪廓切削精度都比較高，一般允許偏差在~，甚至到 。 調(diào)速范圍 Rn為 Rn=nmax/nmin 式中 nmax 、 nmin —— 額定負(fù)載時(shí)的最高、最低轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。 ? 對一般的數(shù)控機(jī)床而言，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍 Rn為 1:24000就足夠了，即在 1~24000mm/min調(diào)速范圍內(nèi)速度能夠均衡、穩(wěn)定、無爬行地工作。較為先進(jìn)的機(jī)床可以獲得更大的調(diào)速范圍。 為了保證輪廓切削形狀精度和表面粗糙度，除了保證較高的定位精度外，還要求跟蹤指令信號響應(yīng)快，一般在 200ms以內(nèi)，甚至小于幾十 ms。 切削加工的特點(diǎn)一般是在低速時(shí)進(jìn)行重切削。為適應(yīng)加工要求對伺服系統(tǒng)要求低速大轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)具有這一特性，可以簡化傳動鏈，使傳動裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)得道簡化系統(tǒng)剛性加強(qiáng)，使傳動裝置的動態(tài)質(zhì)量和傳動精度得到提高。 伺服電動機(jī)是伺服系統(tǒng)的重要驅(qū)動元件。為滿足上述要求，對伺服電動機(jī)的要求應(yīng)該是：從最低速度到最高速度能平滑運(yùn)轉(zhuǎn)，具有大的、較長時(shí)間的過載能力、響應(yīng)快，還要求能承受平凡的啟動、制動和反轉(zhuǎn)。 ? 進(jìn)給驅(qū)動用的伺服電動機(jī)主要有步進(jìn)電動機(jī)，直流和交流調(diào)速電動機(jī)。交流調(diào)速電動機(jī)是機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動的一個(gè)方向。自 80年代中期開始，交流進(jìn)給驅(qū)動得到了迅速的發(fā)展。今天，一些先進(jìn)的國家?guī)缀跞坎捎媒涣鬟M(jìn)給驅(qū)動。交流調(diào)速電動機(jī)是以異步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)為基礎(chǔ)的交流電動機(jī)，而所采用的異步電動機(jī)多為批量生產(chǎn)的普通結(jié)構(gòu)形式的異步電動機(jī)，可以預(yù)見，交流調(diào)速電動機(jī)將是最有發(fā)展前途的進(jìn)給驅(qū)動裝置。 第二節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動與應(yīng)用 ?步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的驅(qū)動元件。給一個(gè)電脈沖信號，步進(jìn)電動機(jī)就回轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步，所以稱為步進(jìn)電動機(jī)。有由于它輸入的是脈沖電流，也稱為脈沖電動機(jī)。 ? 步進(jìn)電動機(jī)具有精度高，慣性小的特點(diǎn)，對各種干擾因素不敏感，誤差不會長期積累，轉(zhuǎn)過 360176。以后其積累誤差為“ 0”。它主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，也可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。按勵(lì)磁方式的不同，步進(jìn)電動機(jī)可分為反應(yīng)式、永磁式、感應(yīng)式和混合式等?；旌鲜讲竭M(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理具有反應(yīng)式和永磁式兩種電動機(jī)的特點(diǎn)，在同樣的勵(lì)磁電流下，它可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。目前這種電動機(jī)以在數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)用普遍，結(jié)構(gòu)也簡單，是我們分析的重點(diǎn)對向。 一、步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 ? 圖 62所示為反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。它的定子和轉(zhuǎn)子鐵心通常由硅鋼片疊成。定子上有 A、B、 C三對磁極，在相對應(yīng)的磁極上繞有 A、 B、 C三向控制繞組。假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒，齒寬與定子的極靴寬相等，相鄰兩齒所對應(yīng)的空間角度為齒距角。 齒距角 Ot為 Ot=360/Zr 式中 Zr—— 轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 在圖 62所示的三相 (A、 B、 C)步進(jìn)電動機(jī)中，Zr=4,
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