数控机床的驱动与位置控制
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第6章数控机床的驱动与位置控制
1
6.1 概述
数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量 的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数 控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装 置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方 向和运动的起停位置等。
伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现切削刀具与 工件间运动、主电机运动的驱动和执行机构，是数控机床的 “四肢”。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的 性能。
2
第６章 数控机床的驱动与位置控制
本章讲授主要内容：
6.1、概述 6.2、开环进给伺服系统 6.3、闭环及半闭环进给伺服系统 6.4、检测元件
3ຫໍສະໝຸດ Baidu
6.1 概述
6.1.1 伺服系统的基本要求
1．精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括位移精度和
定位精度。一般允许偏差在0.01~0.001mm之间，甚至到0.1um。 2.稳定性好
2）交流伺服系统
交流伺服系统使用交流异步伺服电动机（一般用于主轴伺服电动机）和
永磁同步伺服电动机（一般用于进给伺服电动机）。
11
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
3．按进给驱动和主轴驱动分类 1）进给伺服系统 进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位
置控制环。 2）主轴伺服系统 一般的主轴控制只是一个速度控制系统。具有C轴控制的主轴与
7
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
1．按调节理论分类 2）闭环伺服系统 闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要位置检测装置。
该装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与 指令进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。由于闭环伺服系统是反 馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误 差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位 精度。
速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，当负载突变时， 过渡过程前沿要陡，恢复时间要短(一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒 )， 且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。 ４. 调速范围宽
调速范围S是指机械装置要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin 之比 。对一般的数控机床而言，进给伺服系统的调速范围Rn为1:24000就足 够了，即在1~24000mm/min调速范围内速度能够均衡、稳定、无爬行地工作。 较为先进的机床可以获得更大的调速范围。
10
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
2．按使用驱动电动机分类 1）直流伺服系统
直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺 服电动机（也称为大惯量宽调速直流伺服电动机）。小惯量伺服电动机应用 时，要经过中间机械传动（如齿轮副）才能与丝杠相连接。永磁直流伺服电 动机能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。
8
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
1．按调节理论分类 3）半闭环伺服系统 位置检测元件没直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是经过中间
机械传动部件的位置转换，半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点 只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿，理论上 精度可以达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影 响，系统稳定性难以调整。因此，目前使用半闭环系统较多。
5
6.1 概述
6.1.1 伺服系统的基本要求
5．低速大转矩 数控机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低
速时要有大的转矩输出。 为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件——伺服电动机也
相应提出高精度、快响应、宽调速和大转矩的要求 。
6
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
9
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
1．按调节理论分类 ➢随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床 的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。 ➢由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字PID算 法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。 ➢数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施， 使控制精度和品质大大提高。
14
6.1 概述
6.1.3 常用伺服电动机
1．直流伺服电动机。 （调速性能良好） 1）永磁直流伺服电动机。用于一般的直流伺服系统。 2）无槽电枢直流伺服电动机。用于需要快速动作、功率较大的伺服系统。 3）空心杯电枢直流伺服电动机。用于需要快速动作的伺服系统。 4）印制绕组直流伺服电动机。用于低速运行和起动、反转频繁的系统。
进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。
12
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
4．按反馈比较控制方式分类 1）脉冲、数字比较伺服系统 2）相位比较伺服系统 3）幅值比较伺服系统 4）全数字伺服系统
位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化。
13
6.1 概述
6.1.3 常用伺服电动机
伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一类电动机。主要功能是 转换和传递信号。伺服电动机在机床伺服系统中用作执行元件。常用的 伺服电动机分为4大类： 1．直流伺服电动机。 2．交流伺服电动机。 3．步进电动机。 4．直接驱动电动机。
1．按调节理论分类 1）开环伺服系统 其驱动元件主要是功率步进电动机或电液脉冲马达。这两种驱动元件工
作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它无位置反馈系统，不用位置 检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比于指令脉冲的个 数；运动速度由进给脉冲的频率决定。
开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。 一般用于轻载负载或经济型数控机床上。
稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后， 达到新的或者恢复到原来的平衡状态。对伺服系统要求有较强的抗干扰能力， 保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。
4
6.1 概述
6.1.1 伺服系统的基本要求
3．动态响应快 动态响应反映了系统的跟踪精度。伺服系统处于频繁地启动、制动、加
1
6.1 概述
数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量 的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数 控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装 置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方 向和运动的起停位置等。
伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现切削刀具与 工件间运动、主电机运动的驱动和执行机构，是数控机床的 “四肢”。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的 性能。
2
第６章 数控机床的驱动与位置控制
本章讲授主要内容：
6.1、概述 6.2、开环进给伺服系统 6.3、闭环及半闭环进给伺服系统 6.4、检测元件
3ຫໍສະໝຸດ Baidu
6.1 概述
6.1.1 伺服系统的基本要求
1．精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括位移精度和
定位精度。一般允许偏差在0.01~0.001mm之间，甚至到0.1um。 2.稳定性好
2）交流伺服系统
交流伺服系统使用交流异步伺服电动机（一般用于主轴伺服电动机）和
永磁同步伺服电动机（一般用于进给伺服电动机）。
11
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
3．按进给驱动和主轴驱动分类 1）进给伺服系统 进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位
置控制环。 2）主轴伺服系统 一般的主轴控制只是一个速度控制系统。具有C轴控制的主轴与
7
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
1．按调节理论分类 2）闭环伺服系统 闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要位置检测装置。
该装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与 指令进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。由于闭环伺服系统是反 馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误 差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位 精度。
速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，当负载突变时， 过渡过程前沿要陡，恢复时间要短(一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒 )， 且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。 ４. 调速范围宽
调速范围S是指机械装置要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin 之比 。对一般的数控机床而言，进给伺服系统的调速范围Rn为1:24000就足 够了，即在1~24000mm/min调速范围内速度能够均衡、稳定、无爬行地工作。 较为先进的机床可以获得更大的调速范围。
10
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
2．按使用驱动电动机分类 1）直流伺服系统
直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺 服电动机（也称为大惯量宽调速直流伺服电动机）。小惯量伺服电动机应用 时，要经过中间机械传动（如齿轮副）才能与丝杠相连接。永磁直流伺服电 动机能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。
8
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
1．按调节理论分类 3）半闭环伺服系统 位置检测元件没直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是经过中间
机械传动部件的位置转换，半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点 只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿，理论上 精度可以达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影 响，系统稳定性难以调整。因此，目前使用半闭环系统较多。
5
6.1 概述
6.1.1 伺服系统的基本要求
5．低速大转矩 数控机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低
速时要有大的转矩输出。 为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件——伺服电动机也
相应提出高精度、快响应、宽调速和大转矩的要求 。
6
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
9
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
1．按调节理论分类 ➢随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床 的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。 ➢由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字PID算 法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。 ➢数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施， 使控制精度和品质大大提高。
14
6.1 概述
6.1.3 常用伺服电动机
1．直流伺服电动机。 （调速性能良好） 1）永磁直流伺服电动机。用于一般的直流伺服系统。 2）无槽电枢直流伺服电动机。用于需要快速动作、功率较大的伺服系统。 3）空心杯电枢直流伺服电动机。用于需要快速动作的伺服系统。 4）印制绕组直流伺服电动机。用于低速运行和起动、反转频繁的系统。
进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。
12
6.1 概述
6.1.2 伺服系统的分类
4．按反馈比较控制方式分类 1）脉冲、数字比较伺服系统 2）相位比较伺服系统 3）幅值比较伺服系统 4）全数字伺服系统
位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化。
13
6.1 概述
6.1.3 常用伺服电动机
伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一类电动机。主要功能是 转换和传递信号。伺服电动机在机床伺服系统中用作执行元件。常用的 伺服电动机分为4大类： 1．直流伺服电动机。 2．交流伺服电动机。 3．步进电动机。 4．直接驱动电动机。
1．按调节理论分类 1）开环伺服系统 其驱动元件主要是功率步进电动机或电液脉冲马达。这两种驱动元件工
作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它无位置反馈系统，不用位置 检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比于指令脉冲的个 数；运动速度由进给脉冲的频率决定。
开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。 一般用于轻载负载或经济型数控机床上。
稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后， 达到新的或者恢复到原来的平衡状态。对伺服系统要求有较强的抗干扰能力， 保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。
4
6.1 概述
6.1.1 伺服系统的基本要求
3．动态响应快 动态响应反映了系统的跟踪精度。伺服系统处于频繁地启动、制动、加