数控技术数控伺服系统

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1、CNC第第3 3章章 数控伺服系统数控伺服系统 主要内容主要内容主要内容 概述概述 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件 步进式伺服系统步进式伺服系统 鉴相式伺服系统鉴相式伺服系统鉴幅式伺服系统鉴幅式伺服系统 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统CNC数字伺服系统数字伺服系统1CNC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

2、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。3.1 3.1 概述概述2CNC1.输出位置精度要高 静态：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：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。3.1.1 对数控伺服系统的要求对数控伺服系统的要求3.1 3.1 概述概述3CNC2.响应速度快且无超调 对伺服系统动态性能的要求，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 0Fmax（Fmax0），时间应尽可能小，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。t F tp

3、3.1.1 对数控伺服系统的要求对数控伺服系统的要求3.1 3.1 概述概述4CNC3.1.1 对数控伺服系统的要求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)调速范围调速范围：一般要求：稳定性稳定性：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。3.1 3.1 概述概述5CNC4.系统的可靠性高 综上所述：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。3.1.1 对数控伺服系统的要求对数控伺服系统的要求3.1 3.1 概述概述6CNC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

4、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。3.1.2 数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成3.1 3.1 概述概述7CNC3.1.3 数控伺服系统的分类数控伺服系统的分类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3.1 3.1 概述概述8CNC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

5、件有：步进电动机直流伺服电动机交流伺服电动机 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件9CNC3.2.1 步进电动机步进电动机 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。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。3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件10CNC步进电动机步进电

6、动机的种类的种类运动方式：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；按相数：单相、两相、三相及多相。3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件11CNC三相三拍反应式的工作原理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）。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。3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件12CN

7、C步进电动机的主要特性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 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件13CNC3.2.2 直流伺服电动机直流伺服电动机 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。大惯量宽调速直流伺服

8、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。3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件14CNC直流伺服电动机的结构特点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 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件15CNC宽调速直流电动机性能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。体化闭环伺服系统中

9、应用较多的控制电动机。3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件16CNC直流伺服电动机调速方式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)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 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件17CNC3.2.3 交流伺服电动机交流伺服电动机 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

10、。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。3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件18CNC交流伺服电动机的结构特点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。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 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件19CNC交流伺服电动机的工作交流伺服电动机的工作原理

11、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 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：脉冲幅值调制脉冲幅值调制(PAM)(PAM)方法方法 脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)方法方法 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件20CNC3.2.4 直线电动机直线电动机 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。3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统

12、的驱动元件21CNC直线电动机的优点直线电动机的优点 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 3.2 3.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件22CNC 开环开环步进步进伺服系统伺服系统(Open-Loop System)q不带位置测量反馈装置的系统；不带位置测量反馈装置的系统；q驱动电机只能用步进电机；驱动电机只能用步进电机；q主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造3.3 3.3 步进式伺服系统步进式伺服系统23CNC3.3.1 步进式伺服系统的工作原理步进式

13、伺服系统的工作原理 步进电动机的驱动控制线路驱动控制线路和步进电动机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 位移量位移量：步进电动机转过的角位移量，由进 给脉冲数决定 方向方向：通电顺序不同 进给速度进给速度：由进给脉冲频率决定3.3 3.3 步进式伺服系统步进式伺服系统24CNC3.3.2 步进电动机的驱动控制线路步进电动机的驱动控制线路 驱动控制线路的功能：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进给脉冲转换成控制步进电动机各相定子绕组通断电

14、的电平信号电平信号。驱动控制线路组成：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 3.3 3.3 步进式伺服系统步进式伺服系统25CNC3.3 3.3 步进式伺服系统步进式伺服系统脉冲混合电路脉冲混合电路 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。CNC加减速电路加减速电路 加减脉

15、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 3.3 3.3 步进式伺服系统步进式伺服系统27CNC环形分配器环形分配器 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。有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式 3.3 3.3 步进式伺服系统步进式伺服系统28CNC功率放大器功率放大器 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

16、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(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 3.3 3.3 步进式伺服系统步进式伺服系统29CNC3.3.3 提高步进式伺服系统精度的措施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：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：3.3 3.3

17、 步进式伺服系统步进式伺服系统30CNC 传动间隙补偿传动间隙补偿 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。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、软件补偿硬件补偿、软件补偿。细分线

18、路细分线路：是把步进电动机的一步再分得细一些。3.3 3.3 步进式伺服系统步进式伺服系统31CNC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3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 32CNC脉冲比较式伺服系统的组成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。转换器：转换

19、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 3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 33CNC3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 34脉冲比较式伺服系统工作原理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=PcPf=0，则伺服电机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。CNC3.6 3

20、.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 35脉冲比较式伺服系统工作原理脉冲比较式伺服系统工作原理 随着指令脉冲的输入，Pc0，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲Pf仍为零。经比较器比较，得偏差e=PcPf0，若指令脉冲为正向进给脉冲，则e0，由速度控制单元驱动电机带动工作台正向进给。随着电机运转，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲Pf送入比较器，与指令脉冲Pc进行比较，若e=PcPf0，工作台继续运动，不断反馈，直到e=PcPf=0，即反馈脉冲数等于指令脉冲数，工作台停在指令规定的位置上。当指令脉冲为反向运动脉冲时，控制过程与Pc为正时基本上类似。只是e0，工作台作反向进给，直至e=0，工作台停在指

21、令所规定的反向某个位置上。CNC主要工作部件主要工作部件 数字脉冲数字脉冲数码转换器数码转换器 数字脉冲转换为数码数字脉冲转换为数码 对对于于数数字字脉脉冲冲转转化化为为数数码码，其其最最简简单单的的实实现现方方法法就就是是采采用用一一个个可可逆逆计计数数器器，它它将将输输入入的的脉脉冲冲进进行行计计数数，以以数数码码值值输输出出。图图所所示示是是由由两两个个二二十十进进制制计计数数器器组组成成的的数数字字脉脉冲冲数数码码转转换器。换器。3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 CNC主要工作部件主要工作部件 数字脉冲数字脉冲数码转换器数码转换器 数码转换为数字脉冲数码转换为数字脉

22、冲 对对于于数数码码转转化化为为数数字字脉脉冲冲，常常用用的的有有两两种种方方法法。第第一一种种方方法法是是采采用用减减法法计计数数器器组组成成的的线线路路，如图所示，如图所示，3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 CNC主要工作部件主要工作部件 数字脉冲数字脉冲数码转换器数码转换器 数码转换为数字脉冲数码转换为数字脉冲 第第二二种种方方法法是是用用一一个个脉脉冲冲乘乘法法器器，数数字字脉脉冲冲乘乘法法器器实实质质上上就就是是将将输输入入的的二二进进制制数数码码转转化化为为等值的脉冲数输出，其示意图如图等值的脉冲数输出，其示意图如图3.373.37所示。所示。3.6 3.6 脉

23、冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 CNC主要工作部件主要工作部件2.2.比较器比较器 在脉冲比较系统中，使用的比较器有多种在脉冲比较系统中，使用的比较器有多种结构，根据其功能可分为两种：一种是结构，根据其功能可分为两种：一种是数码比较数码比较器器，另一种是，另一种是数字脉冲比较器数字脉冲比较器。数字脉冲比较器中常采用带有可逆回路的数字脉冲比较器中常采用带有可逆回路的可逆计数器进行工作。下面介绍一种具有脉冲分可逆计数器进行工作。下面介绍一种具有脉冲分离功能的数字脉冲比较器。比较器的构成原理图离功能的数字脉冲比较器。比较器的构成原理图如图所示。如图所示。3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较

24、式伺服系统 CNC3.6 3.6 脉冲比较式伺服系统脉冲比较式伺服系统 CNC用于高精度CNC机床，用软件代替了大量的硬件，使得硬件线路与其它伺服系统相比要简单些 优点:可用计算机对伺服系统进行最优控制、自适应控制、前瞻控制等，可将整个系统的性能和效益显著提高，具有精度高、稳定性好等。组成软件部分：软件部分主要完成跟随误差的计算，即指令信号和反馈信号的比较计算；硬件部分：主要由位置检测组件和位置控制输出组件组成。类型以鉴幅方式工作的旋转变压器、感应同步器为测量元件的伺服系统 以光栅、编码盘为测量元件的伺服系统以光栅、编码盘为测量元件的伺服系统 3.6 CNC3.6 CNC数字伺服系统数字伺服系统 41CNC3.6 CNC3.6 CNC数字伺服系统数字伺服系统 42