數(shù)控機床的伺服驅動與監(jiān)測講義(已修改)
2025-03-07 20:04 本頁面
【正文】 數(shù)控機床的伺服驅動與監(jiān)測第一節(jié) 概述 一 、 伺服系統(tǒng)的概念v 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是以機械位移為直節(jié)控制目標的自動控制系統(tǒng)，也可稱為位置隨動系統(tǒng)，簡稱為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一種是進給伺服系統(tǒng)，它控制機床各坐標軸的切削進給運動，以直線運動為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運動，以旋轉運動為主。本章只介紹第一種伺服系統(tǒng)。v CNC裝置是數(shù)控機床發(fā)布命令的 “大腦 ”，而伺服驅動則為數(shù)控機床的 “四肢 ”，是一種 “執(zhí)行機構 ”，它能夠準確的執(zhí)行來自 CNC裝置的運動指令。驅動裝置由驅動部件和速度控制單元組成。驅動部件由交流或直流電動機、位置監(jiān)測元件及相關的機械傳動和運動部件組成。v 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。它實際上是指伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服控制的三種方式。v 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，而沒有測量實際位置輸出的反饋通道。由步進電動機直接驅動滾珠絲桿副的結構就是開環(huán)控制系統(tǒng)的實例。它的結構簡單、調(diào)整維護方便、工作可靠、成本低，但每一指令脈沖的進給誤差、傳動鏈的誤差間隙、導軌滑動時摩擦力的不均衡等造成的誤差等最終都反映到實際位移中去，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。電機機械執(zhí)行部件A相、 B相C相、 …f、 nCNC插補指令脈沖頻率 f脈沖個數(shù) n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大v 如果在電動機軸或絲桿上安裝一個旋轉變壓器反饋轉角的變化，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)到最終控制目標之間的誤差自動進行補償。位置控制調(diào)節(jié)器 速度控制調(diào)節(jié)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元 速度控制單元++ 電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋v 在前向控制通道的基礎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同步器和光柵等直線行位檢元件，安裝在最終的移動目標工作臺上。v 伺服驅動系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。數(shù)控機床的最高移動速度，跟蹤速度，定位精度等重要的指標都取決于伺服系統(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)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元 速度控制單元++ 電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋 二 、 進給伺服系統(tǒng)的要求v 數(shù)控機床完成各種不同的加工任務，對進給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，可概括為以下幾點要求。 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。直接影響機的定位精度和重復定位精度，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 —— 額定負載時的最高、最低轉速，單位為 r/min。v 對一般的數(shù)控機床而言，進給伺服系統(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。較為先進的機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快，一般在 200ms以內(nèi)，甚至小于幾十 ms。 切削加工的特點一般是在低速時進行重切削。為適應加工要求對伺服系統(tǒng)要求低速大轉矩。系統(tǒng)具有這一特性，可以簡化傳動鏈，使傳動裝置機械結構得道簡化系統(tǒng)剛性加強，使傳動裝置的動態(tài)質(zhì)量和傳動精度得到提高。 伺服電動機是伺服系統(tǒng)的重要驅動元件。為滿足上述要求，對伺服電動機的要求應該是：從最低速度到最高速度能平滑運轉，具有大的、較長時間的過載能力、響應快，還要求能承受平凡的啟動、制動和反轉。v 進給驅動用的伺服電動機主要有步進電動機，直流和交流調(diào)速電動機。交流調(diào)速電動機是機床進給驅動的一個方向。自 80年代中期開始，交流進給驅動得到了迅速的發(fā)展。今天，一些先進的國家?guī)缀跞坎捎媒涣鬟M給驅動。交流調(diào)速電動機是以異步電動機和永磁同步電動機為基礎的交流電動機，而所采用的異步電動機多為批量生產(chǎn)的普通結構形式的異步電動機，可以預見，交流調(diào)速電動機將是最有發(fā)展前途的進給驅動裝置。第二節(jié) 步進電動機的驅動與應用v步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移的驅動元件。給一個電脈沖信號，步進電動機就回轉一個固定的角度，稱為一步，所以稱為步進電動機。有由于它輸入的是脈沖電流，也稱為脈沖電動機。v 步進電動機具有精度高，慣性小的特點，對各種干擾因素不敏感，誤差不會長期積累，轉過 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)的結構簡單、運行可靠，也可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。按勵磁方式的不同，步進電動機可分為反應式、永磁式、感應式和混合式等?；旌鲜讲竭M電動機的結構和原理具有反應式和永磁式兩種電動機的特點，在同樣的勵磁電流下，它可以產(chǎn)生更大的轉矩。目前這種電動機以在數(shù)控機床等領域得到了廣泛的應用。反應式步進電動機應用普遍，結構也簡單，是我們分析的重點對向。 一、步進電動機的工作原理v 圖 62所示為反應式步進電動機的結構原理圖。它的定子和轉子鐵心通常由硅鋼片疊成。定子上有 A、 B、 C三對磁極，在相對應的磁極上繞有 A、 B、 C三向控制繞組。假設轉子上有四個齒，齒寬與定子的極靴寬相等，相鄰兩齒所對應的空間角度為齒距角。 齒距角 Ot為 Ot=360/Zr 式中 Zr—— 轉子齒數(shù)。 在圖
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