数控机床进给伺服驱动系统

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第一节 概述
• 数控机床的伺服包括：进给伺服驱动系统和主轴伺服系统 两部分。根据CNC发出的动作指令，伺服系统准确、快速 地完成各坐标轴的进给运动，与主轴驱动相配合，完成加 工件的高精度加工。
• 因此，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，其性能 的优劣直接影响零件的加工精度和生产效率，它的价格在 这个数控机床的成本构成中占有相当大的份额。
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fa 同步器 可逆计数器
数模转换
振荡器 fb
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第二节 步进伺服驱动控制
4. 环形分配器
将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机 定子绕组通断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及 顺序与进给脉冲的个数及方向对应。
常用电机有三、四、五相。 脉冲分配也可用软件实现。
5. 功率放大器
将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前置 放大器和功率放大器组成。
第五章 数控机床的进给伺服系统
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第一节 概述 一、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，又称位置随动系统、 驱动系统、伺服机构或伺服单元。
伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装 置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大 由伺服电机带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。
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第二节 步进伺服驱动控制 • 步进式伺服系统工作原理
• 系统由步进电机驱动线路+步进电机组成，对工作台位 移、速度和运动方向进行控制。
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第二节 步进伺服驱动控制
1. 工作台位移的控制
进给脉冲的个数N →定子绕组通电状态变化次数N →角 位移Φ= N →工作台位移L=Φ t/360°
2.工作台进给速度的控制
• 全数字伺服系统
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第二节 步进伺服驱动控制
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在数控机床中使用的伺服电动机有步进
电动机、直流伺服电动机、交流伺电动机和
直线电动机等。步进伺服驱动系统的执行元
件是步进电机。
步进电动机一般用于开环伺服系统中，没有 位置反馈环节，位置控制精度由步进电动机和进 给链来决定。
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第二节 步进伺服驱动控制
• 步进电机的种类
正常运行所允许的最高频率 • 矩角特性、最大静态转矩M j max和启动转矩 M q 。
矩角特性是步进电机的一个重要特性，它 是指步进电机产生的静态转矩 M j max 与失调角的 变化规律。
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第二节 步进伺服驱动控制 • 连续运行的最高工作频率
保证不丢步运行的极限频率
• 加减速特性
描述步进电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。
– 按电机的结构和材料分类
• 反应式：不用永久磁铁，靠定子和转子的软钢齿 之闭的电磁引力产生力矩，结构简单，步距角可 以做得很小，应用最广。
• 永磁式：转子有多条永久磁铁组成，定子和转子 间的引力和斥力都产生力矩，功率密度大，但步 距角不可能做的很小。
• 混合式：结合上述两种的优点，永久磁铁提高功 率密度，细密的极齿减小步距角，但加工困难， 成本高。
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第二节 步进伺服驱动控制
1.脉冲混合电路
将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为
正向或负向脉冲进给信号
2. 加减脉冲分配电路
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲。
3.加减速电路
将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的
脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数
(4) 步进电机步距角 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
3600 mzk
式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依 此类推。
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第二节 步进伺服驱动控制
• 步进电机的特性
• 步距角 0.5~3°，决定控制精度，是决定步进伺服系统脉 冲当量的重要参数。
• 启动频率 fq。 空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的
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第二节 步进伺服驱动控制
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的 机电执行元件。
步进电动机由转子和定子绕组组成。当某相定子绕组由 脉冲电流励磁后，便能吸引转子，使转子转一个角度，即步 距角，每一个步距角对应一个位移量，指令脉冲的频率就对 应工作台的移动速度。
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第二节 步进伺服驱动控制 • 步进电机的结构 • 步进电机的原理
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第二节 步进伺服驱动控制
• 步进电机的原理
• 结论
(1) 步进电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，即步进电机的步距角 ；
(2) 改变步进电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；
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第一节 概述
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第一节 概述
一．数控机床对伺服系统的要求 1.调速范围要宽 2.位移精度要高 3.跟随误差要小,响应要快 4.稳定性要好，可靠性要高。
二．伺服驱动系统的组成
令进
给 比较控制环节 驱动控制单元 执行元件
指
机
反馈检测单元
床
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第一节 概述
三．伺服驱动系统的分类
1. 按控制理论分类
2. 开环伺服系统 3. 闭环伺服系统 4. 半闭环伺服系统
2. 按驱动执行元件的动作原理分类
• 电液伺服系统 • 电气伺服系统
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第一节 概述
三．伺服驱动系统的分类
3. 按被控对象分类
• 进给伺服系统 • 主轴伺服系统
5. 按执行电动机类型分类
直流伺服系统 交流伺服系统
4. 按反馈比较控制方式分类
• 脉冲、数字比较伺服系统
• 相位比较伺服系统
• 幅值比较伺服系统
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第二节 步进伺服驱动控制
四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施 影响步进式伺服驱动系统精度的因素：
步进电机的质量 机械传动部分的结构和质量 控制线路 由于受工艺和结构的限制，常常从控制线路采取措施， 通常采用的措施有： 细分电路 齿隙补偿（反向间隙补偿） 螺距误差补偿
进给脉冲的频率f →定子绕组通电状态的变化频率 f → 步进电机的转速ω→工作台的进给速度v
3.工作台方向的控制
定子绕组通电顺序的改变--工作台运动方向改变
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第二节 步进伺服驱动控制 • 步进电机的驱动控制线路 • 功能：将一定频率f、数量N和方向的进给
脉冲转换为控制步进电机定子各相绕组通 断电状态变化的频率、次数和顺序的功率 信号。