6数控机床电气驱动

2013-7-21
通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。开环系统 通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直 流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。
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速度环由速度调节器、电流调节器及功率驱动 放大器等部分组成，利用测速发电机、脉冲编码器 等速度传感元件，作为速度反馈的测量装置。位置 环是由CNC装置中位置控制、速度控制、位置检测 与反馈控制等环节组成，用以完成对数控机床运动 坐标轴的控制。数控机床运动坐标轴的控制不仅要 完成单个轴的速度位置控制，而且在多轴联动时， 要求各移动轴具有良好的动态配合精度，这样才能 保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。
3.步进电动机的工作原理
当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通 电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转 过，如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断 电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…， 步进电动机的转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电 方式为三相六拍，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…及 A→AC→C→CB→B→BA→A…，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转 子转过。因此在本例中，三相三拍的通电方式其步距角等于，三相六拍通电方 式其步距角 θ 等于１５° 2013-7-21
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4．2．2 步进电动机的驱动电源由步进电动机的工作原理知 道，要使电动机正常的一步一步地运行，控制脉冲必须按一 定的顺序分别供给电动机各相，例如三相单拍驱动方式，供 给脉冲的顺序为A→B→C→A或A→C→B→A，称为环形脉冲 分配。脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分配（或称为 脉冲分配器），另一种是软件脉冲分配，是由计算机的软件 完成的。 环形分配器可用数字集成电路系列中的基本门电路和触发 器构成，但这样构成的环形分配器过于复杂。实用的环形分配 器均是集成化的专用电路芯片，这些芯片通常还包括除脉冲分 配控制之外的其他功能
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(1)伺服系统的作用
1) 数控伺服系统具有放大控制信号的能力。
2)根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度 进行控制。
(2)数控机床对伺服系统应具有的基本性能
1)高精度：伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确 程度。由于数控机床执行机构的运动是由伺服电动机直接驱 动的，为了保证移动部件的定位精度和零件轮廓的加工精度， 要求伺服系统应具有足够高的定位精度和联动坐标的协调一 致精度。一般的数控机床要求的定位精度为0.01~0.001mm， 高档设备的定位精度要求达到0.1μm以上。在速度控制中，要 求高的调速精度和比较强的抗负载扰动能力。即伺服系统应 具有比较好的动、静态精度。
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轴向分相反应式步进电动机结构原理图
各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿 轮，也由硅钢片叠成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布， 彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定 子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构 成图中所示的磁力线。
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360 /(mzk )
式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2。 对于上图所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通电 方式工作时，其步距角为
360 /(mzk ) 360 /(3 40 1) 3
若按三相六拍通电方式工作，则步距角为
360 /(mzk ) 360 /(3 40 2) 1.5
（1）伺服式：输出力矩在百分之几到十分之几（N•m）只能驱动较小的负 按输出力矩大小
载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载 （2）功率式：输出力矩在5~50 N•m以上，可以直接驱动机床工作台等较大 的负载
按定子数
（1）单定子式；（2）双定子式；（3）三定子式；（4）多定子 式
按各相绕组分布
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（2）驱动执行元件分类，可分为直流电动机伺服系统、交流 电动机伺服系统、步进电动机伺服系统。 （3）按有无检测元件和反馈环节分类，伺服系统可以分为开 环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环伺服 系统与闭环伺服系统如前所述。半闭环与闭环伺服系统的 结构一致，只是位置检测元件不直接安装在最终运动部件 上（工作台），而是传动装置的一个环节上（如丝杠或传 动轴上），由于传动链有一部分在位置环以外，在位置环 以外的传动精度得不到系统的补偿，因此其控制精度低于 闭环伺服系统。但对于闭环伺服系统，由于受机械变形、 温度变化、振动以及其他因素的影响，系统的稳定性较差。 同时由于半闭环的反馈量测量方便等特点，使半闭环伺服 系统也得到广泛应用。 （4）按输出被控制量的性质分类，可分为位置伺服系统、 速度伺服系统.
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（1）径向分相式：电机各相按圆周依次排列 （2）轴向分相式：电机各相按轴向依次排列
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2．步进电动机的结构
目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在 反应式步进电动机中，有轴向分相和径向分相两种。图所示 是一典型的单定子、径向分相、反应式(转子是带齿的铁心 (反应式)或磁钢(混合式)，无绕组。 )伺服步进电动机的结构 原理图 步进电动机可构成A、B、C 三相控制绕组，故称三相步进 电动机。若任一相绕组通电， 便形成一组定子磁极，其方向 即图中所示的NS极。在定子的 每个磁极上面向转子的部分， 又均匀分布着5个小齿，这些 小齿呈梳状排列，齿槽等宽， 齿间夹角为。转子上没有绕组， 只有均匀分布的40个齿，其大 小和间距与定子上的完全相同。 1-绕组 2-定子铁心 3-转子铁
第四章 进给运动控制
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4.1 概 述
1. 数控机床伺服系统的概念 数控机床伺 服系统 是以数 控机床 移动部件 （如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控 制对象的自动控制系统，也称为随动系统、拖动 系统或伺服机构。它接受CNC装置输出的插补指令， 并将其转换为移动部件的机械运动（主要是转动 和平动）。伺服系统是数控机床的重要组成部分， 是数控装置和机床本体的联系环节，其性能直接 影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪 精度等技术指标。
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4.进给伺服电动机的类型 伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和 轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机（调速性能良好）
交流伺服电机（主要使用的电机）
步进电机（适于轻载、负荷变动不大） 直线电机（高速、高精度）
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1.由于直流伺服电动机使用机械(电刷、换向器)换向，因此 存在许多缺点。而直流伺服电动机优良的调速特性正是通 过机械换向得到的，因而这些缺点无法克服。 2.交流伺服电动机与直流伺服电动机相比最大的优点在于 它不需要维护，制造简单，适合于在恶劣环境下工作。目 前，国外的交流伺服系统已实现了全数字化，即在伺服系 统中，除了驱动级外，全部功能均由微处理器完成，可高 速、实时地实现前馈控制、补偿、最优控制、等功 能。 应 用于进给驱动的交流伺服电动机有交流同步电动机与异步 电动机两大类。 由于数控机床进给驱动的功率一般不大(数百至数千瓦)， 而交流异步电动机的调速指标一般不如交流同步电动机， 因此大多数进给伺服系统采用永磁式交流同步电动机。
1. 步进电动机分类 步进电动机的分类方法很多，根据不同的分类方 式，可将步进电动机分为多种类型，如类 方 式
具
体
类
型
按力矩产生的原理
（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实 现步进运行 （2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由 电磁力矩实现步进运行
综上所述，可以得到如下结论：
（1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的 角度，即步距角；
（2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变； （3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快， 即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； （4）步进电动机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关， 可用下式表示：
（3）为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化， 电动机应能在较短的时间内达到规定的速度；
（4）电动机应能承受频繁启动、制动和反转的要求。
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2.伺服驱动系统的分类 （1）驱动方式分类 液压伺服系统、气压伺服 系统和电气伺服系统
伺服系统可以分为电液伺服系统和电气伺服系统，电液伺 服系统的执行元件是电液脉冲马达和电液伺服马达。但由于 该系统存在噪音、漏油等问题，其逐渐被电气伺服系统所取 代。 电气伺服系统全部采用电子元件和电动机部件，操作方 便，可靠性高。 目前电气伺服系统的驱动元件主要有步进 电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，有关这些驱动 元件的工作原理可以参阅本章中的相关内容。
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2)良好的稳定性 稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时 间的调节后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短 时间的调节后重新恢复到原有平衡状态的能力。稳定性直接影 响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保证切削加工的稳定均 匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保证进 给速度的均匀、平稳。 3．动态响应速度快 动态响应速度是伺服系统动态品质的重要 指标，它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间一 般在20ms以下，在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令信 号，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加减 速控制，并且要求很小的超调量。
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4．调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围 RN是指机床要求电动机能够提供的最高转速nmax和最低转 速nmin之比，即：
RN
n max n min