第五章数控机床的进给伺服系统

全一样。
第五章数控机床的进给伺服系统
▢ 步进电机的工作原理
如图所示，三相反应式步进电机工作原理图。 由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对磁极绕组 ，分别为A相、B相、C相。 转子是硅钢片软磁材料迭
合成的带齿廓形状的铁心。
如果在定子上的 三对绕组中通直流电 流，就会产生磁场。
B相通电
A相通电
C相通电
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当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B 、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。
A
C1 B
4
2
B 3C
A
A
C1
B 2
4 B
3C
A
A
C
B
B
C
A
逆时针回转300
逆时针回转300
√当A相通电时，B相和C相不通电，电机铁心的AA轴 方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与A 相磁极对齐，2、4两齿与B、C两磁第极五章相数控机对床的错进给开伺服系3统00
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n ▢ 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。
n ▢ 螺距误差补偿
利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的 螺距累积误差，以提高进给位移精度。
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第五章数控机床的进给伺服系统
▢步进电机
步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电 磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为 脉冲马达。
步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续 转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地 转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机 就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的 角度叫做步距角。
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▢步进电机
步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在 时间上与输入的脉冲同步。
因此，只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机 绕组通电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转 动方向。
在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下， 气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。
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CNC 插补 指令
位置控制单元
+
位置控
制调节
-
器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱
动
机械执行部件
实际 速度 反馈
检测与反 馈单元
电机
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二、NC机床对数控进给伺服系统的要求
1. 调速范围要宽且要有良好的稳定性 调速范围： 一般要求：
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。
方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(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。
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例2 设X-Y 工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱 动，丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为150，工作 方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：
（1）脉冲当量；
（2）微机发出的脉冲总数是多少？
。 以上所述，步进电机的步距角大小不仅与通电方式
有关，还与转子的齿数有关。 m——定子励磁绕组相数
Z——转子齿数
计算公式为： = 360 K——通电方式，单为1
mzk
，双为2 第五章数控机床的进给伺服系统
步进电机转速计算：
n
=
o
360
60f
=
o
f
6
式中：n——转速（r/min); f——脉冲频率，即每秒输入 步进电机的脉冲数； ——用度数表示的步距角。
转子又逆时针转150，2、4齿与B相磁极对齐，如果继 续按BC C CA A。。。相序通电，步进电机就沿 着逆时针方向，以150的步距角一步一步移动。
这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时 ，总有一相通电，所以工作较平稳。
实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步
距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高
（4）改变通电相序即可改变电机转向。
（5）步进电机存在齿间相邻误差，但不存在累积误差
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第三节 典型进给伺服系统(位置控制)
一、开环进给伺服系统(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
图中：f —脉冲频率（HZ ） α— 步距角 （度）
Z2
Z1、Z2 — 传动齿轮齿数
t — 螺距(mm)
f，
t
— 脉冲当量（mm） 步进电机
Z 第五章数控机床的1进给伺服系统
n 传动比选择：
为了凑脉冲当量mm，也为了增大传 递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增 加一对齿轮传动副，那么，传动比 i=Z1/Z2与α、 、t之间有如下关系：
即，调节、变换、功放。
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5. 进给驱动系统的特点（与主运动（主 轴）系统比较）：
功率相对较小； 控制精度要求高； 控制性能要求高，尤其是动态性能。
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二、步进电机及其驱动装置
步进电机流行于70年代，该系统结构简 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。因此，这类系统目前仍有相 当的市场。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。
式中，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输 入的脉冲频率成正比。
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步进电机的特点：
（1）步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比，所 以控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。
（2）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要 控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。
（3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变， 电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械装制装 置。
➢若按A B C。。。通电相序连续通电，则步进电 机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步 进电机沿逆时针方向转动300，即步第距五章角数控机为床的3进0给伺0。服系统
➢若按A C B。。。进行，则转子沿顺时针方向旋 转。
上述通电方式称为三相单三拍通电方式。
所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。
脉冲频 CNC 率f和脉 f、n 插补指令 冲个数n
换算
脉冲 环形 A相、B相
分配 C相、… 变换
功
步
率 A’相、B’相 进
放 C’相、… 电
大
机
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1. 步进电机开环系统设计
n 要解决的主要问题：
①动力计算 ②传动计算 ③驱动电路设计或选择
目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量 和进给速度F的要求。
F
度应基本不变，即△F尽
可能小；
△t
▢ 当负载突变时，要求速
△F
度的恢复时间短且无振荡，
即△t尽可能短；
▢ 应有足够的过载能力。 即，要求伺服系统有良
好的静态与动态刚度。
t
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⒋响应速度快且无超调
这是对伺服系统动态
性能的要求，即在无超调
F
的前提下，执行部件的运
动速度的建立时间 t p 应尽 可能短。
√“一拍”——从一相通电换接到另一相通电称为一拍
。
√“三拍”——每一拍转子转过一个步距角，这样“三
拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。 ➢三相六拍通电方式 ——即按A AB B BC C CA
相序通电。（见下图）
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B相通电 B吸2、4两齿
B吸2、4两齿
BC相通电C吸1、3
第五章数控机床的进给 伺服系统
2020/12/11
第五章数控机床的进给伺服系统
进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如 果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布 “命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则 是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。 它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精 确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移 量。
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2. 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，这是动态性能指标，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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⒊ 负载特性要硬
▢ 当负载变化时，输出速
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α—步距角， －－脉冲当量， t－－丝杠导程。
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例1： = 0.01mm, t = 6 mm, α= 0.75°
Z2
f，
t
步进电机
Z 第五章数控1机床的进给伺服系统
n 进给速度F：
一般步进电机：
若：δ=0.01 mm 则： 若 δ=0.001mm 则：
因此，当 一定时， 与δ成正比，故我 们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应
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第二节 进给伺服驱动系统
一、概述
1. 进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动 电机及其控制和驱动装置组成。
2. 驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行 部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电 机有：
步进电机
直流伺服电机
交流伺服电机
直线电机
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C相通电
C吸1、3
1 42
3
AB相通电 A吸1、3两齿 B吸2、4两齿
A相通电 A吸1、3两齿
CA相通电
C吸1、3 A吸2、4
工作原理： 当A相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A 、B两相同时通电，因A极吸引1、3齿，B极吸引2、4 齿，转子逆时针旋转150。随着A相断电，只有B相通电
第五章数控机床的进给伺服系统
第五章数控机床的进给伺服系统
第一节 概述
一、进给伺服系统的定义及组成 1. 定义
进给伺服系统(Feed Servo System)— —以移动部件的位置和速度作为控制量的 自动控制系统。
第五章数控机床的进给伺服系统
⒉ 组成： 位置控制单元；速度控制单元；驱动
元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。
通常要求从 0→F max （F max→0），其时间应小 于200ms，且不能有超调， 否则对机械部件不利，有
害于加工质量。
tp
t
第五章数控机床的进给伺服系统
5. 能可逆运行和频繁灵活启停。 6. 系统的可靠性高，维护使用方便，成本 低。
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。
指明是在多大的脉冲当量δ下的,否则是没有意义
的。
第五章数控机床的进给伺服系统
2. 提高步进电机开环伺服系统传动 精度的措施
▢ 概述 ➢ 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。
√当B相通电时，C相和A相断电，电机铁心的BB轴方 向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向 旋转300，2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与C、A两 磁极相对错开300
√当C相通电时，A相和B相断电，电机铁心的CC轴方 向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向 旋转300，1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两 磁极相对错开300
3. 速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通 常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的， 其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得 高性能的系统指标。
4. 速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的 速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是 稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压 等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电 量，使驱动电机按要求运行。
Z2
Байду номын сангаасf，
t
步进电机
Z 第五章数控机床的进给伺服系统
1
解： （1）由计算脉冲当量：
= L0
360
已知， L0=5mm， =150求脉冲当量=？ =5/360 1.5=0.02083(mm)
(2)计算脉冲数n，由 n =L(工作台最大行程）
所以，脉冲数为： n =L/ =400/0.02083=19200步
▢ 步进电机的分类
➢按运动方式分： 旋转运动、直线运动式步进电机
➢按工作原理分：
反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；
➢按结构分：
单段式（径向式）、多段式（轴向式）
➢按使用场合分： 功率步进电机和控制步进电机；
➢按相数分： 三相、四相、五相、六相、八相等
➢按使用频率分： 高频率和低频步进电机
不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完