【正文】 第六章 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng) 概述 開環(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)。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(diào)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(jìn)給伺服系統(tǒng)216。 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)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(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，以縮短過渡過程時(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)，過渡過程恢復(fù)時(shí)間要短且無振蕩，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。現(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)可能在過載的條件下工作，這就要求電動(dòng)機(jī)有較強(qiáng)的抗過載能力。通常要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載 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 開環(huán)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī) 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(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216。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)；216。按工作原理分：反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式；216。按結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)味问剑◤较蚴剑?、多段式（軸向式）；216。按使用場(chǎng)合分：功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)；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(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。14CA39。BB39。 C39。A3412 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，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15CA39。BB39。 C39。A34 12 同理， B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過 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 30?角， 3齒和 C180。、 C磁極軸線對(duì)齊。1 C39。342CA39。BB39。A16 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。每一拍轉(zhuǎn)過 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 90176。(一個(gè)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(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 15?， 到達(dá)左圖所示位置。18CA39。BB39。 C39。A34 12 B 相通電， 轉(zhuǎn)子 4齒與 B、 B180。 對(duì)齊 ,又轉(zhuǎn)過 15?。34 12CA39。BB39。 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 15?（步距角），一 個(gè)通電循環(huán)周期 (6拍 )轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 90? (齒距角 )。 與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3. 三相雙三拍三相雙三拍 按 AB ?BC ?CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電 。20AB通電CA39。BB39。 C39。A34 12BC通電34 12CA39。BB39。 C39。ACA通電CA39。BB39。 C39。A34 12 與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電 循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30? (步距角 )，一 個(gè)通電循環(huán)周期 (3拍 )轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 90?(齒距角 )。21從上述可知，步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，其大小可用下式計(jì)算： α＝ 360186。／ (Zm)Z－轉(zhuǎn)子齒數(shù) m一運(yùn)行拍數(shù)22步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)2324216。步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的主要問題 ：– ① 動(dòng)力計(jì)算 ② 傳動(dòng)計(jì)算 ③ 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇 傳動(dòng)計(jì)算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當(dāng)量 ?和進(jìn)給速度 F的要求。 圖中： f — 脈沖頻率（ HZ ） α— 步距角 （度） Z Z2 — 傳動(dòng)齒輪齒數(shù) t — 螺距 (mm) ? — 脈沖當(dāng)量（ mm）步進(jìn)電機(jī)Z1Z2?tf， ?25傳動(dòng)比選擇：– 為了湊脈沖當(dāng)量 ?mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進(jìn)電機(jī)與絲桿之間，要增加一對(duì)齒輪傳動(dòng)副，那么，傳動(dòng)比 i=Z1/Z2與 α、 ? 、 t之間有如下關(guān)系： α— 步距角， ?－脈沖當(dāng)量， t－ 絲杠導(dǎo)程。26 例 1： ? = , t = mm, α= 176。步進(jìn)電機(jī)Z1Z2?tf， ?27進(jìn)給速度 F： 一般步進(jìn)電機(jī) ： 若： δ= mm 則： 若： δ= 則： 因此，當(dāng) fmax一定時(shí)， Fmax與 δ成正比，故我們?cè)谡劦讲竭M(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)