数控伺服系统概述

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3.3 步进式伺服系统
▪ 传动间隙补偿
在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放 在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系 统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。
▪ 螺矩误差补偿
滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但 是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围内的， 也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处 理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精 度。
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3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
1. 输出位置精度要高
– 静态：定位精度和重复定位精度要高，即 定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)
– 动态：跟随精度，动态性能指标，用跟随 误差表示。 (轮廓精度)
– 灵敏度要高，有足够高的分辩率。
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3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
宽调速直流电动机性能
• 输出力矩大 • 过载能力强 • 动态响应性能好 • 低速运转平稳 • 易于调试
因此，宽调速直流伺服电动机是目前机电一 体化闭环伺服系统中应用较多的控制电动机。
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3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机调速方式
• 晶闸管直流调速（SCR ）
• 脉宽调制直流调速(PWM)
跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率
• 加减速特性 :描述步进电动机由静止到工作频率和由
工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态 的变化频率与时间的关系
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3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.2 直流伺服电动机
• 小惯量直流电动机:转动惯量小，反应灵敏， 动态特性好，适用于高速与负载惯量较小的场 合。
给脉冲数决定
方向：通电顺序不同
进给速度：由进给脉冲频率决定
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3.3 步进式伺服系统
3.3.2 步进电动机的驱动控制线路
• 驱动控制线路的功能：将具有一定频率f、一定数量和 方向的进给脉冲转换成控制步进电动机各相定子绕组通 断电的电平信号。
• 驱动控制线路组成：脉冲混合电路、加减脉冲分配电路 、加减速电路、环形分配器和功率放大器
脉冲比较式伺服系统的组成
• 指令信号 ：由数控装置提供，数字脉冲信号，也 可以是数码信号
• 反馈测量信号 ：
–由测量装置提供的机床速度、位置反馈信号，可以是 脉冲信号，也可以是数码信号
–常用的测量装置是光栅和脉冲编码器
• 比较器
–作用：完成指令信号与测量反馈信号比较的环节
–有三类：数码比较器、数字脉冲比较器和数码与数字 脉冲比较器。
▪ 按相数：单相、两相、三相及多相。
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3.2 伺服系统的驱动元件
三相三拍反应式的工作原理
三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为 一个循环
三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装 有控制绕组。一对磁极通电后，对应产生N/S极磁场；转子为带 齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。
调速范围：
RN Fmax Fmin
一般要求：
RN 10000 且 0.1mm min Fmin 1mm min
稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是 在低速时的平稳性显得特别重要。
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3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
4.系统的可靠性高
综上所述：
对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面； 对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更 严。
2. 响应速度快且无超调
对伺服系统动态性能的要求 F ，即在无超调的前提下，执行 部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。
要求从 0→Fmax（Fmax→0）， 时间应尽可能小，且不能有超
tp
t
调，否则对机械部件不利，有
害于加工质量。
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3.1 概述
3.1.1 对数控伺服系统的要求
3. 调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速 范围内)
脉宽调制(PWM)方法
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3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.4 直线电动机
• 直线电动机是一种能将电信号直接转换成为直线位移的电动机。 直线电动机没有传动机械的磨损，并且噪音低、结构简单、操作 维护方便。
• 直线电动机主要应用的机型有直流直线电动机、交流直线电动机 以及直线步进电动机等，在实际中应用较多的是交流直线电动机 。
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3.2 伺服系统的驱动元件
直线电动机的优点
• 结构简单 • 应用范围广、适应性强 • 反应速度快，灵敏度高，随动性好 • 额定值高、冷却条件好 • 有精密定位和自锁能力 • 工作稳定可靠，寿命长
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3.3 步进式伺服系统
开环步进伺服系统(Open-Loop System)
不带位置测量反馈装置的系统； 驱动电机只能用步进电机； 主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造
• 大惯量宽调速直流伺服电动机:既具有一般直 流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动 机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配 ，能较好地满足伺服驱动的要求。
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3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机的结构特点
按磁极的种 类，宽调速 直流电动机 分为电励磁 和永久磁铁
两种
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3.2 伺服系统的驱动元件
▪按反馈比较控制方式分类 ▪数字脉冲比较伺服系统 ▪鉴相式伺服系统 ▪鉴幅式伺服系统 ▪全数字伺服系统
▪按伺服系统的用途和功能分类 ▪进给驱动系统 ▪主轴驱动系统
▪按执行元件的类别分类
▪直流伺服系统
▪交流伺服系统
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3.2 伺服系统的驱动元件
▪ 伺服驱动元件又称为执行电动机 ▪ 数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信
号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。 ▪ 数控伺服系统中常用的驱动元件有：
–步进电动机 –直流伺服电动机 –交流伺服电动机
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3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.1 步进电动机
步进电机流行于70年代，系统结构简单、控制容易、 维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除 功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步 简化结构。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高 的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设 备。
频带宽
电动机脉动小
电源的功率因数高
动态硬度好，系统具有良好的线性
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3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.3 交流伺服电动机
由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初至 90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机 调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固 有的缺点，即：
• 电刷和换向器易磨损，维护麻烦
• 有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式
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3.3 步进式伺服系统
功率放大器
• 从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几 毫安，而步进电动机的定子绕组需要几安培电 流。因此，需要对从环形分配器来的信号进行 功率放大，以提供幅值足够，前后沿较好的励 磁电流。
• 常用的功放电路有以下两种：
(1) 单电压供电功放器
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3.3 步进式伺服系统
脉冲混合电路
将插补信号或者手动信号等转换为使工作台正向 进给的“正向进给”信号或使工作台反向进给的 “反向进给”信号。
加减脉冲分配电路
当机床在进给脉冲的控制下正在沿着某一方向进 给时，由于各种误差补偿脉冲的存在，可能会有 个别的方向进给脉冲，通过加减脉冲分配电路从 正在进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数量的 方向补偿脉冲。
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3.1 概述
3.1.2 数控伺服系统的基本组成
▪ 按有无反馈检测元件分为开环和闭环(含半闭环)两种类型 ▪ 开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。 ▪ 闭环(半闭环)伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及
反馈检测元件、比较环节组成。 7
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3.1 概述
3.1.3 数控伺服系统的分类
当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引 转子一步步转动。
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3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的主要特性
• 步距角 :步进电动机绕组的通电状态每改变一次，转
子转过的角度
• 起动频率 :空载时，步进电动机由静止状态突然起动
，进入不丢步的正常运行的最高频率
• 连续运行频率 :步进电动机起动以后．其运行速度能
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3.3 步进式伺服系统
3.3.1 步进式伺服系统的工作原理
▪ 步进电动机的驱动控制线路和步进电动机两部 分组成
▪ 步进式伺服系统受驱动控制线路的控制，将代 表进给脉冲的电平信号通过步进电动机转变为 具有一定大小和方向的机械角位移，通过齿轮 和丝杠带动工作台移动。
▪ 控制 位移量：步进电动机转过的角位移量，由进
• 定子省去了铸件壳体，结构紧凑，外形小，重量轻
• 它的转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，常做成鼠笼式，为 了使伺服电动机反应迅速，转子做得较细长。
• 空心杯形转子，杯壁很薄
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3.2 伺服系统的驱动元件
• 交流伺服电动机的工作 原理
与单相异步电动机相似
• 交流伺服电动机调速
交流伺服电动机调速通常由 调频调速的方法实现。 • 实现调频调压方法： 脉冲幅值调制(PAM)方法
(2) 双电压供电功放器：双电压供电功率放 大器又称高低电压供电功放器
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3.3 步进式伺服系统
3.3.3 提高步进式伺服系统精度的措施
影响步进电机开环系统传动精度的因素： 步进电机的步距角精度； 机械传动部件的精度； 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。 提高步进电机开环系统传动精度的措施： 适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施：
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3.3 步进式伺服系统
加减速电路
• 加减脉冲分配电路来的进给 脉冲频率的变化是有跃变的
• 作用：使之变成符合步进电 动机加减速特性的脉冲频率 ，然后再送入步进电动机的 定于绕组
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3.3 步进式伺服系统
环形分配器
• 环形分配器的作用：把来自于加减速电路的一 系列进给脉冲指令，转换成控制步进电动机定 于绕组通电、断电的电平信号，电平信号状态 的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对 应。
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第3章 数控伺服系统
主要内容
➢主概要内述容
➢
➢ 伺服系统的驱动元件
➢ 步进式伺服系统
➢
➢ 鉴相式伺服系统
➢ 鉴幅式伺服系统
➢
➢ 脉冲比较式伺服系统
➢ CNC数字伺服系统
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3.1 概述
数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和 刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉 冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱 动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准 确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数 控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技 术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲 信号转换成角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动 机转轴就转过一定角度。
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3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的种类
▪ 运动方式：旋转运动的、直线运动的和平面 运动 ；
▪ 结构上：反应式、励磁式 ； ▪ 按定子数目：单段定子式、多段定子式；
方法：首先测量出进给丝杆螺距误差曲线(规律)，然后可采 用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。
▪ 细分线路 ：是把步进电动机的一步再分得细一些 。
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3.6 脉冲比较式伺服系统
• 优点：是结构比较简单用较多的是以光栅和光
电编码器作为位置检测装置的闭环控制系统。
• 组成
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3.6 脉冲比较式伺服系统
• 转换器 ：转换器是数字脉冲信号与数码的相互转换部件
• 驱动执行元件 ：根据比较器的输出带动工作台移动
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3.6 脉冲比较式伺服系统
脉冲比较式伺服系统工作原理
以采用光电脉冲编码器为测量元件的系统为 例说明数字脉冲比较伺服系统的工作原理。
光电编码器与伺服电机的转轴连接，随着电 机的转动产生脉冲序列输出，其脉冲的频率将随 着转速的快慢而升降。若工作台处于静止状态， 指令脉冲Pc=0，这时反馈脉冲Pf亦为零，经比较 器可得偏差e=Pc－Pf=0，则伺服电机的速度给定 为零，工作台继续保持静止不动。
• 结构复杂，制造困难，成本高
而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体 积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～ 70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直 在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。
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3.2 伺服系统的驱动元件
交流伺服电动机的结构特点
• 交流伺服电动机采用全封闭无刷构造，不需定期检查和维修。