第七章數控機床的伺服系統(tǒng)

1、第七章第七章 數控機床的伺服系統(tǒng)數控機床的伺服系統(tǒng) 機床伺服系統(tǒng)機床伺服系統(tǒng)是指以是指以機械位置或角度機械位置或角度作為被控參數作為被控參數的自的自 動控制系統(tǒng)，有時也稱為隨動系統(tǒng)或伺服機構。在數控機床動控制系統(tǒng)，有時也稱為隨動系統(tǒng)或伺服機構。在數控機床 中，伺服系統(tǒng)接受來自插補器的進給脈沖，經變換放大后轉中，伺服系統(tǒng)接受來自插補器的進給脈沖，經變換放大后轉 化為機床工作臺的位移?；癁闄C床工作臺的位移。 機床伺服系統(tǒng)機床伺服系統(tǒng)若按有無檢測裝置可分為兩大類；若按有無檢測裝置可分為兩大類；開環(huán)伺開環(huán)伺 服系統(tǒng)服系統(tǒng)和和閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 開環(huán)開環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)

2、 步進式伺服系統(tǒng) 在步進式伺服系統(tǒng)中，在步進式伺服系統(tǒng)中，步進電機步進電機作為作為執(zhí)行元件執(zhí)行元件，受驅，受驅 動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號直接變換動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號直接變換 為具有一定方向、大小和速度的機械角位移，并通過齒輪為具有一定方向、大小和速度的機械角位移，并通過齒輪 和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)， 它的精度較差，速度也受到步進電機性能的限制，但它的它的精度較差，速度也受到步進電機性能的限制，但它的 結構簡單，容易調整，故在結構簡單，容易調整，故在速度和精度要求不太高的場合速度和

3、精度要求不太高的場合， 具有一定的使用價值。具有一定的使用價值。 步步 進進 電電 機機 工工 作作 原原 理理 步進電機是將步進電機是將 電脈沖信號電脈沖信號變換變換成成 角位移或線位移角位移或線位移的的 一種一種機電式數模轉機電式數模轉 換器換器，它是根據同，它是根據同 步電機原理制成的。步電機原理制成的。 下面以三相反應式下面以三相反應式 步進電機為例，說步進電機為例，說 明步進電機的基本明步進電機的基本 工作原理工作原理 3 6 定子定子 轉子轉子 定子定子 轉子轉子 定子定子 轉子轉子 A相 B相 C相 A相通電 CR f R n Rn RRn n n 1 1 , ,1 2 1 時時

4、當存數為當存數為 時時當存數當存數 (1)步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉子便轉步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉子便轉 過一個確定的角度，即為步進電機的過一個確定的角度，即為步進電機的步距角步距角 ； (2)改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向將隨改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向將隨 之改變；之改變； (3)步進電機定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉子的轉速步進電機定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉子的轉速 越高；越高； (4)步進電機的步進電機的步距角步距角 與定子繞組的相數與定子繞組的相數m、轉子的齒數、轉子的齒數z、 通電方式通電方式K有關

5、，可用下式表示：有關，可用下式表示： 式中，三相三拍時式中，三相三拍時K=1；三相六拍時；三相六拍時K=2。 例 題 Kzm 360 如前圖所示的步進電機，若轉子齒數如前圖所示的步進電機，若轉子齒數z40， 以三相三拍通電時，以三相三拍通電時，步距角步距角為為 若以三相六拍通電方式工作時，若以三相六拍通電方式工作時，步距角步距角為為 3 1403 360360 Kzm 5 . 1 2403 360360 Kzm 步進電機的類型及結構步進電機的類型及結構 步進電機的結構形式很多，其分類方式也很多。常見步進電機的結構形式很多，其分類方式也很多。常見 的分類方式是按的分類方式是按產生力矩的原理產生力

6、矩的原理、輸出力矩的大小輸出力矩的大小以及以及定定 子和轉子的數量子和轉子的數量等方面來分類等方面來分類 目前，我國使用的步進電機多為反應式步進電機，如圖所目前，我國使用的步進電機多為反應式步進電機，如圖所 示。這是一臺典型的單定子徑向分相的三相反應式步進電機的示。這是一臺典型的單定子徑向分相的三相反應式步進電機的 結構原理圖結構原理圖 單定子徑向分相式三相單定子徑向分相式三相 步進電機結構原理圖步進電機結構原理圖 多定子軸向分相式五相步進電機結構原理圖多定子軸向分相式五相步進電機結構原理圖 步進電機的主要特性步進電機的主要特性 步距角步距角步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電步進電機

7、的步距角是反映步進電機定子繞組的通電 狀態(tài)每改變一次，轉子轉過的角度。狀態(tài)每改變一次，轉子轉過的角度。它是決定步進伺服系它是決定步進伺服系 統(tǒng)脈沖當量的重要參數。數控機床中常見的反應式步進電統(tǒng)脈沖當量的重要參數。數控機床中常見的反應式步進電 機的步距角一般為機的步距角一般為0.5o3o度。通常，步進角越小，加工精度。通常，步進角越小，加工精 度越高。度越高。 (1) 啟動頻率啟動頻率 步進電機在空載的條件下由靜止突然啟動，并進步進電機在空載的條件下由靜止突然啟動，并進 入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或 突跳頻率。突跳頻率。若啟

8、動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能 正常啟動。因此，空載啟動時，步進電機定子繞組通電狀正常啟動。因此，空載啟動時，步進電機定子繞組通電狀 態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率當步進電機加負載后，態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率當步進電機加負載后， 其啟動頻率隨負載轉動慣量增加而減小。其啟動頻率隨負載轉動慣量增加而減小。 (3) 連續(xù)運行的最高工作頻率連續(xù)運行的最高工作頻率fmax 步進電機連續(xù)運行時保證不步進電機連續(xù)運行時保證不 丟步的極限頻率丟步的極限頻率fmax稱為最高工作頻率。稱為最高工作頻率。 (4) 加減速特性加減速特性步進電機的加減速特性是描述步進

9、電機由靜止步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止 到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通 電狀態(tài)的變化頻率與時間的關系。電狀態(tài)的變化頻率與時間的關系。 加減速特性曲線加減速特性曲線 步進系統(tǒng)原理框圖步進系統(tǒng)原理框圖 步進式伺服系統(tǒng)的工作原理步進式伺服系統(tǒng)的工作原理 1工作臺位移量的控制工作臺位移量的控制 進給脈沖數進給脈沖數N定子繞組通電狀態(tài)變化次數定子繞組通電狀態(tài)變化次數N 步進電機轉子的轉角步進電機轉子的轉角工作臺位移量工作臺位移量L 2工作臺進給速度的控制工作臺進給速度的控制 進給脈沖的頻率進給脈沖的頻率f定子繞組通

10、電狀態(tài)的變化頻定子繞組通電狀態(tài)的變化頻 率率f步進電機轉子的轉速步進電機轉子的轉速工作臺進給速度工作臺進給速度v 3工作臺運動方向的控制工作臺運動方向的控制 步進電機定子繞組的通電順序步進電機定子繞組的通電順序步進電機正轉步進電機正轉 或反轉或反轉工作臺的進給方向工作臺的進給方向 步進電機的驅動控制線路步進電機的驅動控制線路 1脈沖混合電路脈沖混合電路 無論是數控裝置送來的插補進給信號、齒補信號，還是手無論是數控裝置送來的插補進給信號、齒補信號，還是手 動進給、手動回原點信號等動進給、手動回原點信號等等，這些信號的目的無非是要使工等，這些信號的目的無非是要使工 作臺正向進給和反向進給，因此首先

11、應將這些信號混合為使工作臺正向進給和反向進給，因此首先應將這些信號混合為使工 作臺正向運行的作臺正向運行的“正向進給正向進給”信號或使之反向運行的信號或使之反向運行的“反向進反向進 給給”信號。這就是脈沖混合電路的作用。信號。這就是脈沖混合電路的作用。 2加減脈沖分配電路加減脈沖分配電路 加減脈沖分配電路的作用，是將正反向進給脈沖，根據步加減脈沖分配電路的作用，是將正反向進給脈沖，根據步 進電機的原轉向和可逆計數器的存數狀態(tài)，決定脈沖進入可逆進電機的原轉向和可逆計數器的存數狀態(tài)，決定脈沖進入可逆 計數器時，應作加法計數還是減法計數。若步進電機正轉，輸計數器時，應作加法計數還是減法計數。若步進電

12、機正轉，輸 入正向進給脈沖：步進電機反轉，輸入反向進給脈沖，此時不入正向進給脈沖：步進電機反轉，輸入反向進給脈沖，此時不 管可逆計數器是否全為零，均作加法計數。而當可逆計數器非管可逆計數器是否全為零，均作加法計數。而當可逆計數器非 全零時，步進電機正轉，輸入反向進給脈沖；步進電機反轉，全零時，步進電機正轉，輸入反向進給脈沖；步進電機反轉， 輸入正向進給脈沖，均作減法計數。輸入正向進給脈沖，均作減法計數。 3加減速電路加減速電路(自動升降速電路自動升降速電路) 步進電機的加減速特性要求是，進入步進電機繞組的脈沖電步進電機的加減速特性要求是，進入步進電機繞組的脈沖電 流的頻率變化要平滑，而且應有一

13、定的時間常數，但各進給脈沖流的頻率變化要平滑，而且應有一定的時間常數，但各進給脈沖 頻率間的變化可能是躍變的。因此應該將此躍變頻率經加減速電頻率間的變化可能是躍變的。因此應該將此躍變頻率經加減速電 路緩沖后，再進入步進電機繞組，使步進電機工作正?？煽俊＿@路緩沖后，再進入步進電機繞組，使步進電機工作正?？煽?。這 就是加減速電路的作用。就是加減速電路的作用。 4環(huán)形分配器環(huán)形分配器 環(huán)形分配器的作用是把來自加減速的一串進給脈沖按一定環(huán)形分配器的作用是把來自加減速的一串進給脈沖按一定 規(guī)律分成若干路電平信號去控制步進電機的幾個定子繞組，使規(guī)律分成若干路電平信號去控制步進電機的幾個定子繞組，使 其正向

14、運轉或反相運轉。其正向運轉或反相運轉。 簡單移相寄存器簡單移相寄存器 1 0 0 0 1 0 0 0 1 5.功率放大器功率放大器 從環(huán)形分配器來的脈沖電流只有幾毫安，而步進電機從環(huán)形分配器來的脈沖電流只有幾毫安，而步進電機 的定子繞組需要幾安培的電流，因此需要功率放大。功率的定子繞組需要幾安培的電流，因此需要功率放大。功率 放大器由前置放大器和大功率驅動兩部分組成。前置放大放大器由前置放大器和大功率驅動兩部分組成。前置放大 器是為了放大環(huán)形分配器送來的脈沖信號并推動大功率驅器是為了放大環(huán)形分配器送來的脈沖信號并推動大功率驅 動部分而設置的，一般可根據要求選擇一個適當的集成元動部分而設置的，一

15、般可根據要求選擇一個適當的集成元 件；大功率驅動部分進一步將前置放大器送來的脈沖電流件；大功率驅動部分進一步將前置放大器送來的脈沖電流 信號放大，得到步進電機各相繞組所需的脈沖電流。它既信號放大，得到步進電機各相繞組所需的脈沖電流。它既 要控制步進電機各相繞組的通斷電，又要起功率放大的作要控制步進電機各相繞組的通斷電，又要起功率放大的作 用，因而它是步進電機驅動線路中很重要的一部分。通常用，因而它是步進電機驅動線路中很重要的一部分。通常 采用大功率晶體管、快速可控硅或可關斷可控硅。采用大功率晶體管、快速可控硅或可關斷可控硅。 提高步進系統(tǒng)精度的措施提高步進系統(tǒng)精度的措施 1細分線路細分線路 所

16、謂細分線路，就是把步進電機的一步所謂細分線路，就是把步進電機的一步 再分得細一些，來減小步距角。再分得細一些，來減小步距角。 2齒距誤差和反向間隙補償齒距誤差和反向間隙補償 3混合伺服系統(tǒng)混合伺服系統(tǒng) 兩種控制線路刀具軌跡比較兩種控制線路刀具軌跡比較 間隙補償原理間隙補償原理 根據實際測得傳動間隙或齒距誤差的大小，每根據實際測得傳動間隙或齒距誤差的大小，每 當出現反向或移動到有齒距誤差的位置時，用補充當出現反向或移動到有齒距誤差的位置時，用補充 固定的脈沖來克服。固定的脈沖來克服。 混合伺服系統(tǒng) 鑒相式伺服系統(tǒng)組成鑒相式伺服系統(tǒng)組成 1基準信號發(fā)生器基準信號發(fā)生器 2脈沖調相器脈沖調相器 3測

17、量元件及信號處理線路測量元件及信號處理線路 4鑒相器鑒相器 5直流放大器直流放大器 6執(zhí)行元件執(zhí)行元件 鑒相式伺服系統(tǒng)框架鑒相式伺服系統(tǒng)框架 1脈沖調相器脈沖調相器 脈沖調相器是將脈沖調相器是將脈沖數量脈沖數量轉換成相應的轉換成相應的相位相位的裝置。的裝置。 頻率頻率 計數器容量計數器容量 脈沖發(fā)生器的頻率脈沖發(fā)生器的頻率 N F f 若時鐘脈沖是來自基準信號發(fā)生器的基準信號，則應適當選擇若時鐘脈沖是來自基準信號發(fā)生器的基準信號，則應適當選擇 計數器的容量計數器的容量N，使，使f 的大小等于旋轉變壓器或感應同步器的工的大小等于旋轉變壓器或感應同步器的工 作頻率，即等于它們勵磁信號的頻率。作頻率

18、，即等于它們勵磁信號的頻率。 它利用兩個容量相同的計數器，它利用兩個容量相同的計數器， 并由同一個脈沖信號發(fā)生器并由同一個脈沖信號發(fā)生器 不斷地輸入時鐘脈沖，結果就在兩個計數器的最后一級的輸出不斷地輸入時鐘脈沖，結果就在兩個計數器的最后一級的輸出 口得到了頻率大大降低的兩個同頻率信號。假設脈沖發(fā)生器的口得到了頻率大大降低的兩個同頻率信號。假設脈沖發(fā)生器的 頻率為頻率為F，計數器容量為，計數器容量為N，則計數器的輸出端的脈沖頻率，則計數器的輸出端的脈沖頻率 鑒相式伺服系統(tǒng)的控制線路鑒相式伺服系統(tǒng)的控制線路 輸輸 入入 前前 后后 的的 波波 形形 變變 化化 +x 相位角相位角 輸入輸入-x前后

19、的波形變化前后的波形變化 可逆回路可逆回路 可逆回路的波形可逆回路的波形 功能邏輯圖功能邏輯圖 2鑒相器鑒相器 作用：作用：將控制信號與反饋信號進行相位比較將控制信號與反饋信號進行相位比較 (1)二極管型鑒相器二極管型鑒相器 在普通的相位系統(tǒng)中需鑒相的信號為正弦波，在普通的相位系統(tǒng)中需鑒相的信號為正弦波， 常用二極管、變壓器等元件組成的鑒相器常用二極管、變壓器等元件組成的鑒相器 (2)門電路鑒相器門電路鑒相器 在數字脈沖相位系統(tǒng)中需鑒相的信號是方波，在數字脈沖相位系統(tǒng)中需鑒相的信號是方波， 常用由觸發(fā)器門電路組成的鑒相器常用由觸發(fā)器門電路組成的鑒相器 二極管型鑒相器二極管型鑒相器 輸出最大直流電壓為輸出最大直流電壓為: Rcosee4a Bx2 RIU 系統(tǒng)的平衡點系統(tǒng)的平衡點 (機床的瞬時零點機床的瞬時零點 ) 觸發(fā)器的減相原理觸發(fā)器的減相原理 半加器鑒相線路及波形器半加器鑒相線路及波形器 A B 信號信號NE是用來指示誤差的符號。當位置信號滯后于指令信號時，是用來指示誤差的符號。當位置信號滯后于指令信號時， NE置置“0”；反之，當位置信號超前于指令信號時，；反之，當位置信號超前于指令信號時，NE置置 “1”。 鑒相系統(tǒng)的性能鑒相系統(tǒng)的性能 鑒相式