第六章-数控机床的伺服驱动与监测

CNC 插补指令
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配 变换
A相、B相 功率 放大
C相、…
机械执行部件
电机
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❖ 如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角的变 化,则系统变成了半闭环系统。这样，与开环系统相比，半闭 环系统，提高了精度，但它检测的反馈信号来自于系统中某 一个非最终输出的环节，使得系统无法对这一环节到最终控 制目标之间的误差自动进行补偿。
位置控制单元
速度控制单元
CNC
+
插补
指令
位置控制调节器 -
+
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
电机
❖ 伺服驱动系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。 数控机床的最高移动速度，跟踪速度，定位精度等重要的指 标都取决于伺服系统的动态和静态特性。它一直是数控机床 研究的重要课题之一。
❖ CNC装置是数控机床发布命令的“大脑”，而伺服驱动 则为数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它能 夠准确的执行来自CNC装置的运动指令。驱动装置由驱 动部件和速度控制单元组成。驱动部件由交流或直流电 动机、位置监测元件及相关的机械传动和运动部件组成。
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❖ 伺服系统的控制方法主要分为开环、闭环和半闭环三种控制方法。它实 际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式。
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
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
机械执行部件 电机
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❖ 在前向控制通道的基础上在加上直接检测最终输出的反馈控
制通道就形成了闭环控制的伺服系统。检测元件通常为直线 感应同步器和光栅等直线行位检元件,安装在最终的移动目标 工作台上。
数控机床的伺服驱动与监测
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第一节 概述
一、伺服系统的概念
❖ 数控机床伺服系统是以机械位移为直节控制目标的自动 控制系统,也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。数 控机床伺服系统主要有两种:一种是进给伺服系统，它控 制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主;另一 种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运 动为主。本章只介绍第一种伺服系统。
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❖ 二、步进电动机的主要性能指标 ❖ 1、步距角及步距精度 ❖ 同一相数的步进电动机通常有两种步距角,如
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4.高性能的伺服电动机 伺服电动机是伺服系统的 重要驱动元件。为满足上述要求,对伺服电动机的 要求应该是:从最低速度到最高速度能平滑运转， 具有大的、较长时间的过载能力、响应快，还要 求能承受平凡的启动、制动和反转。 ❖ 进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机，直 流和交流调速电动机。交流调速电动机是机床进 给驱动的一个方向。自80年代中期开始，交流进 给驱动得到了迅速的发展。今天，一些先进的国 家几乎全部采用交流进给驱动。交流调速电动机 是以异步电动机和永磁同步电动机为基础的交流 电动机，而所采用的异步电动机多为批量生产的 普通结构形式的异步电动机，可以预见，交流调 速电动机将是最有发展前途的进给驱动装置。
2.调速范围宽 调速范围Rn为
Rn=nmax/nmin
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单式位中为nmra/mx 、in。nmin ——额定负载时的最高、最低转速, ❖ 对一般的数控机床而言，进给伺服系统的调速范
围 速R范n围为内1:2速4度00能0就够足均够衡了、，稳即定在、1无~2爬40行0地0m工m作/m。in较调 为先进的机床可以获得更大的调速范围。 3.快速响应 为了保证轮廓切削形状精度和表面粗糙 度，除了保证较高的定位精度外，还要求跟踪指令 信号响应快，一般在200ms以内，甚至小于几十ms。 4.低速大转矩 切削加工的特点一般是在低速时进行 重切削。为适应加工要求对伺服系统要求低速大转 矩。系统具有这一特性，可以简化传动链，使传动 装置机械结构得道简化系统刚性加强，使传动装置 的动态质量和传动精度得到提高。
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第二节 步进电动机的驱动与应用
❖ 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械 角位移的驱动元件。给一个电脉冲信号,步进 电动机就回转一个固定的角度，称为一步， 所以称为步进电动机。有由于它输入的是脉 冲电流，也称为脉冲电动机。
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❖ 步进电动机具有精度高,惯性小的特点，对各种干扰 因素不敏感，误差不会长期积累，转过360°以后 其积累误差为“0”。它主要用于开环控制系统，使 系统的结构简单、运行可靠，也可用于闭环控制系 统。按励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、 永磁式、感应式和混合式等。混合式步进电动机的 结构和原理具有反应式和永磁式两种电动机的特点， 在同样的励磁电流下，它可以产生更大的转矩。目 前这种电动机以在数控机床等领域得到了广泛的应 用。反应式步进电动机应用普遍，结构也简单，是 我们分析的重点对向。
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二、进给伺服系统的要求
❖ 数控机床完成各种不同的加工任务,对进给 伺服系统的要求也不尽相同，可概括为以下 几点要求。
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。直接影响机的定位精度 和重复定位精度，因而对零件的加工精度影 响很大。精密加工的数控机床要求定位和轮 廓切削精度都比较高，一般允许偏差在 0.01~0.001mm之间，甚至到0.1um。
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一、步进电动机的工作原理 ❖ 图6-2所示为反应式步进电动机的结构原理图。它
的定子和转子铁心通常由硅钢片叠成。定子上有A、 B、C三对磁极,在相对应的磁极上绕有A、B、C三 向控制绕组。假设转子上有四个齿，齿宽与定子的 极靴宽相等，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角。
齿距角Ot为 Ot=360/Zr 式中Zr——转子齿数。 在图6-2所示的三相(A、B、C)步进电动机中， Zr=4,齿距角Ot=90。
❖ 开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道控制, 而没有测量实际位置输出的反馈通道。由步进电动机直接驱动滚珠丝杆 副的结构就是开环控制系统的实例。它的结构简单、调整维护方便、工 作可靠、成本低，但每一指令脉冲的进给误差、传动链的误差间隙、导 轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终都反映到实际位移中去， 使得定位精度较低。此外，它的速度低，低速平稳性差，效率也较低。