數(shù)控技術 第7章 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)

1、返回主頁返回主頁退出退出數(shù)數(shù)控控機機床床的的伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)第第 七七 章章返回主頁返回主頁退出退出7.1.1 伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類1. 按照調(diào)節(jié)理論分類按照調(diào)節(jié)理論分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)）開環(huán)伺服系統(tǒng)（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)）閉環(huán)伺服系統(tǒng)（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)7.1 概概 述述返回主頁返回主頁退出退出數(shù)控數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)指令指令脈沖脈沖驅(qū)動驅(qū)動線路線路步進步進電機電機齒輪副和齒輪副和絲杠螺母絲杠螺母副副工作工作臺臺脈沖的頻率決定了步進電脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速機的轉(zhuǎn)速數(shù)量決定了步進電機轉(zhuǎn)數(shù)量決定了步進電機轉(zhuǎn)動的角度動的角度決定了工作臺的移決定了工作臺的移動速度動速度決定了工

2、作臺的位決定了工作臺的位移大小。移大小。開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)返回主頁返回主頁退出退出2. 按使用的驅(qū)動元件分類按使用的驅(qū)動元件分類（1）電液伺服系統(tǒng)）電液伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件：電液脈沖馬達或電液伺服馬達。執(zhí)行元件：電液脈沖馬達或電液伺服馬達。驅(qū)動元件：液動機或液壓缸。驅(qū)動元件：液動機或液壓缸。優(yōu)點：低速高輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小，反應快，速度平優(yōu)點：低速高輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小，反應快，速度平穩(wěn)。穩(wěn)。缺點：需要供油系統(tǒng)，體積大，產(chǎn)生噪聲和漏油等問題。缺點：需要供油系統(tǒng)，體積大，產(chǎn)生噪聲和漏油等問題。（2）電氣伺服系統(tǒng)）電氣伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件：伺服電機（步進電機、交流或直流伺服電機）。執(zhí)

3、行元件：伺服電機（步進電機、交流或直流伺服電機）。驅(qū)動元件：電力電子器件。驅(qū)動元件：電力電子器件。現(xiàn)代數(shù)控機床均采用電氣伺服系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)控機床均采用電氣伺服系統(tǒng)。返回主頁返回主頁退出退出3. 按被控對象分類按被控對象分類（1）進給伺服系統(tǒng)）進給伺服系統(tǒng) 控制機床各坐標軸的切削進給運動，提供切削所控制機床各坐標軸的切削進給運動，提供切削所需的轉(zhuǎn)矩。需的轉(zhuǎn)矩。包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。（2）主軸伺服系統(tǒng)）主軸伺服系統(tǒng) 控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，提供所需的驅(qū)動功率控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，提供所需的驅(qū)動功率和切削力。和切削力。一般的主軸控制只有一個速度控制系統(tǒng)，具有一般的主

4、軸控制只有一個速度控制系統(tǒng)，具有C軸控制軸控制的主軸伺服系統(tǒng)與進給伺服系統(tǒng)相同，是一般概念的的主軸伺服系統(tǒng)與進給伺服系統(tǒng)相同，是一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。位置伺服控制系統(tǒng)。刀庫的位置控制是簡單的位置伺服控制。刀庫的位置控制是簡單的位置伺服控制。返回主頁返回主頁退出退出4. 按反饋比較控制方式分類按反饋比較控制方式分類（1）數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)）數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號與檢測裝置將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號與檢測裝置測量的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的反饋信號直接進測量的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的反饋信號直接進行比較，產(chǎn)生位置差值，形成閉環(huán)和半閉環(huán)控制。

5、行比較，產(chǎn)生位置差值，形成閉環(huán)和半閉環(huán)控制。（2）相位比較伺服系統(tǒng)）相位比較伺服系統(tǒng)采用相位工作方式，指令信號與反饋信號均以相位形式采用相位工作方式，指令信號與反饋信號均以相位形式表示并進行比較。表示并進行比較。（3）幅值比較伺服系統(tǒng)）幅值比較伺服系統(tǒng)以位置檢測信號的幅值大小來反映機床位移量的大小，以位置檢測信號的幅值大小來反映機床位移量的大小，并與指令信號進行比較。并與指令信號進行比較。（4）全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)）全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)由位置、速度和電流組成的三環(huán)反饋控制全部數(shù)字化。由位置、速度和電流組成的三環(huán)反饋控制全部數(shù)字化。返回主頁返回主頁退出退出7.1.2 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成控制

6、器控制器功率驅(qū)功率驅(qū)動裝置動裝置位置檢位置檢測裝置測裝置伺服電伺服電機機控制器最多構成三閉環(huán)控制：外環(huán)為位置環(huán)，中控制器最多構成三閉環(huán)控制：外環(huán)為位置環(huán)，中環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器等組成。功能：由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器等組成。功能：按控制量大小將電網(wǎng)中的電能作用到電機上，調(diào)按控制量大小將電網(wǎng)中的電能作用到電機上，調(diào)節(jié)電機力矩的大??；按電機要求將恒壓恒頻的電節(jié)電機力矩的大??；按電機要求將恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電機所需直流電或交流電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電機所需直流電或交流電閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測裝置，其安裝閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置

7、檢測裝置，其安裝位置不同；開環(huán)伺服系統(tǒng)無位置檢測裝置。位置不同；開環(huán)伺服系統(tǒng)無位置檢測裝置。閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用交流或直流伺服電機；閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用交流或直流伺服電機；開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進電機。開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進電機。返回主頁返回主頁退出退出伺服系統(tǒng)結構伺服系統(tǒng)結構返回主頁返回主頁退出退出7.1.3 數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求1. 數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求（1）調(diào)速范圍大，低速轉(zhuǎn)矩大。）調(diào)速范圍大，低速轉(zhuǎn)矩大。（2）精度高。）精度高。（3）快速響應無超調(diào)。）快速響應無超調(diào)。（4）穩(wěn)定性好，可靠性高。）穩(wěn)定性好，可靠性高。（5）

8、足夠的傳動剛性，較強的過載能力，電機）足夠的傳動剛性，較強的過載能力，電機的慣量與移動部件的慣量相匹配，伺服電機能的慣量與移動部件的慣量相匹配，伺服電機能夠頻繁啟停和可逆運行。夠頻繁啟停和可逆運行。返回主頁返回主頁退出退出2. 數(shù)控機床對主軸伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機床對主軸伺服系統(tǒng)的要求（1）足夠的輸出功率。）足夠的輸出功率。 主軸轉(zhuǎn)速高，輸出轉(zhuǎn)矩??；主軸轉(zhuǎn)速低，輸出轉(zhuǎn)矩大。主軸轉(zhuǎn)速高，輸出轉(zhuǎn)矩??；主軸轉(zhuǎn)速低，輸出轉(zhuǎn)矩大。要求主軸驅(qū)動裝置具有恒功率性質(zhì)。要求主軸驅(qū)動裝置具有恒功率性質(zhì)。（2）調(diào)速范圍寬。）調(diào)速范圍寬。 數(shù)控機床的變速依照指令自動執(zhí)行，要求能夠在較寬數(shù)控機床的變速依照指令自動執(zhí)行，要

9、求能夠在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行無級調(diào)速，較少中間傳遞環(huán)節(jié)，簡化的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行無級調(diào)速，較少中間傳遞環(huán)節(jié)，簡化主軸箱。主軸箱。（3）定位準停功能。）定位準停功能。 為使得數(shù)控車床具有螺紋切削等功能，要求主軸能與為使得數(shù)控車床具有螺紋切削等功能，要求主軸能與進給驅(qū)動實行同步控制。進給驅(qū)動實行同步控制。在加工中為自動換刀，要求主軸具有高精度的準停功能。在加工中為自動換刀，要求主軸具有高精度的準停功能。返回主頁返回主頁退出退出7.2 步進電機伺服系統(tǒng)步進電機伺服系統(tǒng) 步進電機步進電機：一種將電脈沖信號變換成相應的角位移：一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件?；蛑本€位移的機電執(zhí)行元

10、件。 數(shù)控裝置輸出的進給脈沖數(shù)量、頻率和方向經(jīng)過驅(qū)數(shù)控裝置輸出的進給脈沖數(shù)量、頻率和方向經(jīng)過驅(qū)動控制電路達到步進電機后，可以轉(zhuǎn)換為工作臺的位動控制電路達到步進電機后，可以轉(zhuǎn)換為工作臺的位移量、進給速度和方向。移量、進給速度和方向。7.2.1 步進電機步進電機驅(qū)動控制線路驅(qū)動控制線路步進電機步進電機工作臺工作臺指令脈沖指令脈沖絲杠絲杠開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)組成框圖開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)組成框圖返回主頁返回主頁退出退出1. 步進電機的類型步進電機的類型返回主頁返回主頁退出退出2. 步進電機的結構步進電機的結構定子繞組定子繞組轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)子鐵芯A相相磁通磁通定子定子鐵芯鐵芯反應式步進電機反應式步進電機返回主頁

11、返回主頁退出退出 定子定子的每個磁極正對轉(zhuǎn)的每個磁極正對轉(zhuǎn)子的圓弧面上均都均勻子的圓弧面上均都均勻分布著分布著5個小齒，呈梳個小齒，呈梳狀排列，齒槽等寬，齒狀排列，齒槽等寬，齒間夾角為間夾角為9。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有上沒有繞組，只有均勻分布的均勻分布的40個小齒，個小齒，其大小和間距與定子上其大小和間距與定子上的完全相同。的完全相同。 三相定子磁極上的小齒三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開在空間位置上依次錯開1/3齒距。齒距。返回主頁返回主頁退出退出 當當A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊時，相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊時，B相磁相磁極上的齒剛好超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒極上的齒剛好

12、超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒1/3齒距角，即齒距角，即3；C相磁極齒超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒相磁極齒超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒2/3齒距角。齒距角。 步距角：步進電機每走一步所轉(zhuǎn)過的角度，其大小等于步距角：步進電機每走一步所轉(zhuǎn)過的角度，其大小等于錯齒的角度。錯齒的角度。（2）永磁式步進電機）永磁式步進電機 定子和轉(zhuǎn)子中的某一方永永久磁鋼，另一方由軟磁材定子和轉(zhuǎn)子中的某一方永永久磁鋼，另一方由軟磁材料制成，其上由勵磁繞組。繞組通電，建立的磁場與永料制成，其上由勵磁繞組。繞組通電，建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。久磁鋼的恒定磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。（3）永磁感應式步進電機）永磁感應式步進電機 轉(zhuǎn)子由環(huán)

13、行磁鋼及兩段鐵芯構成。轉(zhuǎn)子由環(huán)行磁鋼及兩段鐵芯構成。返回主頁返回主頁退出退出3. 反應式步進電機工作原理反應式步進電機工作原理 步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，即送給步進步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，即送給步進電機一個電流脈沖，其轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即電機一個電流脈沖，其轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步距角步距角；脈沖數(shù)增加，角位移也增加；無脈沖時，電；脈沖數(shù)增加，角位移也增加；無脈沖時，電機停止。機停止。 改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向改變。改變。 步進電機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋步進電機定子繞組

14、通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度越快，即脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高；但脈沖轉(zhuǎn)速度越快，即脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高；但脈沖頻率不能過高，否則產(chǎn)生失步或超步。頻率不能過高，否則產(chǎn)生失步或超步。 步進電機：基于電磁力的吸引和排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。步進電機：基于電磁力的吸引和排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 定子繞組所加電源要求是脈沖電流形式，也稱定子繞組所加電源要求是脈沖電流形式，也稱 為脈沖電機。為脈沖電機。返回主頁返回主頁退出退出4. 反應式步進電機主要特征反應式步進電機主要特征（1）步距角和靜態(tài)步距誤差）步距角和靜態(tài)步距誤差 步進電機步距角步進電機步距角與定子繞組的相數(shù)與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)

15、z、通電方式通電方式k有關，即有：有關，即有：360/(mzk)。 其中：其中：m相相m拍時，拍時，k1；m相相2m拍時，拍時，k2，依，依此類推。例如，三相三拍，此類推。例如，三相三拍，z40時，時，360/(3401)3。 靜態(tài)步距誤差：在空載情況下，理論的步距角與實靜態(tài)步距誤差：在空載情況下，理論的步距角與實際的步距角之差，以分表示，一般在際的步距角之差，以分表示，一般在10之內(nèi)。之內(nèi)。 步距誤差主要由步進電機步距制造誤差，定子和轉(zhuǎn)子步距誤差主要由步進電機步距制造誤差，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成。間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成。返回主頁返回主頁退

16、出退出（2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩：當步進電機某相通電時，轉(zhuǎn)子處于不靜態(tài)轉(zhuǎn)矩：當步進電機某相通電時，轉(zhuǎn)子處于不動動狀狀態(tài)，此時在電機軸上加一個負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就按一定方態(tài)，此時在電機軸上加一個負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就按一定方向轉(zhuǎn)過一個角度向轉(zhuǎn)過一個角度，此時轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩，此時轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩M即為靜即為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。態(tài)轉(zhuǎn)矩。 矩角特性：靜態(tài)轉(zhuǎn)矩矩角特性：靜態(tài)轉(zhuǎn)矩M與與的關系。的關系。返回主頁返回主頁退出退出（3）啟動頻率）啟動頻率 啟動頻率：空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然啟動，并進入不丟啟動頻率：空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然啟動，并進入不丟步的正常運行的最高頻率。步的正常

17、運行的最高頻率。 步進電機帶負載下的啟動頻率要比空載啟動頻率低，并隨負載增步進電機帶負載下的啟動頻率要比空載啟動頻率低，并隨負載增加而進一步降低。加而進一步降低。（4）連續(xù)運行的最高工作頻率）連續(xù)運行的最高工作頻率 最高工作頻率：步進電機啟動后，保證連續(xù)不丟步運行的最高工最高工作頻率：步進電機啟動后，保證連續(xù)不丟步運行的最高工作頻率。作頻率。 決定了定子繞組通電狀態(tài)下最高變化的頻率，即決定了步進電機決定了定子繞組通電狀態(tài)下最高變化的頻率，即決定了步進電機的最高轉(zhuǎn)速。的最高轉(zhuǎn)速。（5）加減速特性）加減速特性 加減速特性：步進電機由靜止加減速特性：步進電機由靜止到到工作頻率和由工作頻率到靜止的工作

18、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。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。返回主頁返回主頁退出退出（6）矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩）矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性：描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩矩頻特性：描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩M與連續(xù)運行與連續(xù)運行頻率頻率f之間的關系。之間的關系。 動態(tài)轉(zhuǎn)矩：矩頻特性曲線上每個頻率對應的轉(zhuǎn)矩。動態(tài)轉(zhuǎn)矩：矩頻特性曲線上每個頻率對應的轉(zhuǎn)矩。 步進電機正常運行時，動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降。步進電機正常運行時，動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降。返回主頁返回主頁退出退出7.2.2 步進電機的驅(qū)動

19、控制器步進電機的驅(qū)動控制器 功能：將具有一定頻率功能：將具有一定頻率f、一定數(shù)量、一定數(shù)量N和方向的進給脈沖和方向的進給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進電機各相定子繞組通電斷電的電平信號轉(zhuǎn)換成控制步進電機各相定子繞組通電斷電的電平信號變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序。變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序。 驅(qū)動控制器由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成。驅(qū)動控制器由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成。返回主頁返回主頁退出退出1. 環(huán)形脈沖分配器環(huán)形脈沖分配器 功能：將邏輯電平信號（弱電）變換為電機繞組所需功能：將邏輯電平信號（弱電）變換為電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號（強電）。即將數(shù)控的具有一定功率的電流脈沖信號

20、（強電）。即將數(shù)控裝置的插補脈沖，按步進電機所要求的規(guī)律分配給步裝置的插補脈沖，按步進電機所要求的規(guī)律分配給步進電機的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通、斷電。進電機的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通、斷電。 分類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。分類：硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。 硬件環(huán)形分配器：步進電機驅(qū)動裝置本身帶有環(huán)形分硬件環(huán)形分配器：步進電機驅(qū)動裝置本身帶有環(huán)形分配器。配器。 軟件環(huán)形分配器：驅(qū)動裝置本身無環(huán)形分配器，環(huán)形軟件環(huán)形分配器：驅(qū)動裝置本身無環(huán)形分配器，環(huán)形分配需要軟件完成。分配需要軟件完成。返回主頁返回主頁退出退出硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器CLK為數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖信號，

21、每個脈沖信號的上升或為數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖信號，每個脈沖信號的上升或下降沿到來時，輸出改變一次繞組的通電狀態(tài)。下降沿到來時，輸出改變一次繞組的通電狀態(tài)。DIR為數(shù)控裝置發(fā)出的方向信號，其電平高低對應電機繞為數(shù)控裝置發(fā)出的方向信號，其電平高低對應電機繞組通電順序的改變，即步進電機的正、反轉(zhuǎn)。組通電順序的改變，即步進電機的正、反轉(zhuǎn)。FULL/HALF控制電機的整步或半步。控制電機的整步或半步。返回主頁返回主頁退出退出三相六拍環(huán)形脈沖分配器原理圖三相六拍環(huán)形脈沖分配器原理圖返回主頁返回主頁退出退出軟件環(huán)形脈沖分配器軟件環(huán)形脈沖分配器 如圖所示，如圖所示，8031單片機的單片機的P1口的三個引腳口的三個

22、引腳經(jīng)過光電隔離、功率放大后分別與電機的經(jīng)過光電隔離、功率放大后分別與電機的A、B、C連接。連接。返回主頁返回主頁退出退出2. 功率放大器功率放大器（1）單電壓功率放大器）單電壓功率放大器返回主頁返回主頁退出退出（2）高低電壓功率放大器）高低電壓功率放大器返回主頁返回主頁退出退出（3）斬波恒流功率放大器）斬波恒流功率放大器返回主頁返回主頁退出退出（4）調(diào)頻調(diào)壓功率放大器）調(diào)頻調(diào)壓功率放大器返回主頁返回主頁退出退出7.2.3 提高步進伺服系統(tǒng)精度的措施提高步進伺服系統(tǒng)精度的措施1. 傳動間隙補償傳動間隙補償 提高機床傳動元件的制造裝配精度并采取消除傳提高機床傳動元件的制造裝配精度并采取消除傳動間

23、隙的措施，只能減少不能完全消除傳動間隙。動間隙的措施，只能減少不能完全消除傳動間隙。 機械傳動鏈在改變運動或旋轉(zhuǎn)方向時，最初若干機械傳動鏈在改變運動或旋轉(zhuǎn)方向時，最初若干個指令脈沖只能起到消除間隙的作用，造成步進電個指令脈沖只能起到消除間隙的作用，造成步進電機的空走，而工作臺無實際移動，從而產(chǎn)生傳動誤機的空走，而工作臺無實際移動，從而產(chǎn)生傳動誤差。差。 補償方法：先測出并存儲間隙大小，接收反向位補償方法：先測出并存儲間隙大小，接收反向位移指令時，先不向步進電機輸出反向位移脈沖，而移指令時，先不向步進電機輸出反向位移脈沖，而將間隙值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)將間隙值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)N，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，越過，驅(qū)動

24、步進電機轉(zhuǎn)動，越過傳動間隙，然后按照指令脈沖動作。傳動間隙，然后按照指令脈沖動作。返回主頁返回主頁退出退出傳動間隙補償示意圖傳動間隙補償示意圖返回主頁返回主頁退出退出2. 螺距誤差補償螺距誤差補償傳動鏈中滾珠絲杠螺距的制傳動鏈中滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機床工作造誤差直接影響機床工作臺的位移精度。臺的位移精度。補償方法：設置若干個補償補償方法：設置若干個補償點，在每個補償點測量并點，在每個補償點測量并記錄工作臺位移誤差，確記錄工作臺位移誤差，確定補償值并作為控制參數(shù)定補償值并作為控制參數(shù)輸送給數(shù)控裝置。輸送給數(shù)控裝置。設備運行時，工作臺每經(jīng)過設備運行時，工作臺每經(jīng)過一個補償點，一個補償點，

25、CNC系統(tǒng)就系統(tǒng)就加入補償量，補償螺距誤加入補償量，補償螺距誤差。差。返回主頁返回主頁退出退出3. 細分線路細分線路細分驅(qū)動：將一個步距角細分為若干步的驅(qū)動方法。細分驅(qū)動：將一個步距角細分為若干步的驅(qū)動方法。返回主頁返回主頁退出退出7.3 直流伺服電機與速度控制直流伺服電機與速度控制7.3.1 直流伺服電機直流伺服電機1. 直流伺服電機的類型直流伺服電機的類型按電樞的結構和形狀分：平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞按電樞的結構和形狀分：平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等。型等。按定子磁場產(chǎn)生方式分：永磁式和他勵式。按定子磁場產(chǎn)生方式分：永磁式和他勵式。按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大小分：大慣量、中慣量和小慣

26、量伺服電機。按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大小分：大慣量、中慣量和小慣量伺服電機。2. 直流伺服電機的結構直流伺服電機的結構（1）定子：產(chǎn)生定子磁極磁場。）定子：產(chǎn)生定子磁極磁場。（2）轉(zhuǎn)子：表面嵌有線圈，通直流電時，在定子磁場作用下）轉(zhuǎn)子：表面嵌有線圈，通直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。產(chǎn)生帶負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3）電刷與換向片：為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定的方向，）電刷與換向片：為使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定的方向，保證轉(zhuǎn)子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將電刷與外加保證轉(zhuǎn)子能沿著固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將電刷與外加直流電源連接，換向片與電樞線圈連接。直流電源連接，換向片與電樞線圈連接。返回

27、主頁返回主頁退出退出返回主頁返回主頁退出退出7.3.2 直流進給速度控制單元直流進給速度控制單元直流電機地機械特性公式直流電機地機械特性公式 式中，式中，n為電機轉(zhuǎn)速，為電機轉(zhuǎn)速，Ua為電樞外加電壓，為電樞外加電壓，Ce為反電動勢常數(shù)，為反電動勢常數(shù)，為電機磁通量，為電機磁通量，Ra為電樞電為電樞電阻，阻，Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，M為電磁轉(zhuǎn)矩。為電磁轉(zhuǎn)矩。MCCRCUnmeaea2 返回主頁返回主頁退出退出直流電機的三種調(diào)速方法。直流電機的三種調(diào)速方法。l改變電樞外加電壓改變電樞外加電壓Ua。該方法可以得到調(diào)。該方法可以得到調(diào)速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特性，機械特性好，速范圍較寬的恒轉(zhuǎn)矩特性，機械

28、特性好，適用于主軸驅(qū)動的低速段和進給驅(qū)動。適用于主軸驅(qū)動的低速段和進給驅(qū)動。l改變磁通量改變磁通量?？傻玫胶愎β侍匦裕m用于?？傻玫胶愎β侍匦?，適用于主軸驅(qū)動的高速段，不適合于進給驅(qū)動。主軸驅(qū)動的高速段，不適合于進給驅(qū)動。l改變電樞電路的電阻改變電樞電路的電阻Ra。該方法得到的機。該方法得到的機械特性較軟，不能實現(xiàn)無級調(diào)速，也不適械特性較軟，不能實現(xiàn)無級調(diào)速，也不適合于數(shù)控機床。合于數(shù)控機床。返回主頁返回主頁退出退出1. 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)三相全控橋式整流電路作為直流速度控制單元的主電路。三相全控橋式整流電路作為直流速度控制單元的主電路。兩組正負對接的晶閘管，一組用于提供正向

29、電壓，供電機兩組正負對接的晶閘管，一組用于提供正向電壓，供電機正轉(zhuǎn)。一組提供反向電壓，供電機反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)。一組提供反向電壓，供電機反轉(zhuǎn)。返回主頁返回主頁退出退出雙環(huán)調(diào)度系統(tǒng)雙環(huán)調(diào)度系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均是由線性集成放大器和阻容速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均是由線性集成放大器和阻容元件構成的元件構成的PI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。速度環(huán)起主導作用，電流環(huán)的作用是在啟動和堵轉(zhuǎn)時限速度環(huán)起主導作用，電流環(huán)的作用是在啟動和堵轉(zhuǎn)時限制最大電樞電流。制最大電樞電流。返回主頁返回主頁退出退出7.4 交流伺服電機與速度控制交流伺服電機與速度控制7.4.1 交流伺服電機交流伺服電機1. 交流伺服電機的類型交流伺服電機的類型

30、永磁式交流伺服電機和感應式交流伺服電機永磁式交流伺服電機和感應式交流伺服電機共同點：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使共同點：工作原理均由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使得轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場一起運轉(zhuǎn)。得轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場一起運轉(zhuǎn)。不同點：永磁式伺服電機的轉(zhuǎn)速與外加交流電源不同點：永磁式伺服電機的轉(zhuǎn)速與外加交流電源的頻率存在著嚴格的同步關系，即電機的轉(zhuǎn)速等的頻率存在著嚴格的同步關系，即電機的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速；而感應式伺服電機由于于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速；而感應式伺服電機由于需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此，電機的轉(zhuǎn)需要轉(zhuǎn)速差才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此，電機的轉(zhuǎn)速低于磁場同步轉(zhuǎn)速，負載越大，轉(zhuǎn)速差越大

31、。速低于磁場同步轉(zhuǎn)速，負載越大，轉(zhuǎn)速差越大。返回主頁返回主頁退出退出7.4.2 交流進給速度控制單元交流進給速度控制單元1. 交流伺服電機調(diào)速原理交流伺服電機調(diào)速原理電機調(diào)速的三種方法：電機調(diào)速的三種方法：（1）改變磁極對數(shù)）改變磁極對數(shù)P：有級調(diào)速方法，通過對定子：有級調(diào)速方法，通過對定子繞組接線的切換而改變磁極對數(shù)來實現(xiàn)。繞組接線的切換而改變磁極對數(shù)來實現(xiàn)。（2）改變轉(zhuǎn)差率）改變轉(zhuǎn)差率s：只適合于異步型交流電機的調(diào)速。：只適合于異步型交流電機的調(diào)速。（3）變頻調(diào)速：通過改變電機電源的頻率）變頻調(diào)速：通過改變電機電源的頻率f而改變電而改變電機的轉(zhuǎn)速。機的轉(zhuǎn)速。2. SPWM變頻調(diào)速變頻調(diào)速（

32、1）SPWM調(diào)制原理調(diào)制原理（2）SPWM變頻器的功率放大電路變頻器的功率放大電路返回主頁返回主頁退出退出7.5 直線電機伺服系統(tǒng)直線電機伺服系統(tǒng) 與傳統(tǒng)數(shù)控機床進給系統(tǒng)中的與傳統(tǒng)數(shù)控機床進給系統(tǒng)中的“旋轉(zhuǎn)伺服電機旋轉(zhuǎn)伺服電機滾珠絲杠滾珠絲杠”不同，直線電機直接驅(qū)動機床工作臺，取不同，直線電機直接驅(qū)動機床工作臺，取消驅(qū)動電機和工作臺之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)。消驅(qū)動電機和工作臺之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)。 7.5.1 直線電機直線電機 分為交流和直流兩種，交流直線電機又分為感應分為交流和直流兩種，交流直線電機又分為感應異步式和永磁同步式。異步式和永磁同步式。 直線電機相當于把旋轉(zhuǎn)電機沿過軸線的平面剖開

33、，直線電機相當于把旋轉(zhuǎn)電機沿過軸線的平面剖開，并將定子、轉(zhuǎn)子圓周展開為平面和進行一些演變形成。并將定子、轉(zhuǎn)子圓周展開為平面和進行一些演變形成。返回主頁返回主頁退出退出感應異步式直線電機演變過程感應異步式直線電機演變過程返回主頁返回主頁退出退出永磁同步式直線電機演變過程永磁同步式直線電機演變過程返回主頁返回主頁退出退出2. 直線電機的工作原理直線電機的工作原理基本原理：利用電磁作用將電能轉(zhuǎn)換為動能?；驹恚豪秒姶抛饔脤㈦娔苻D(zhuǎn)換為動能。（1）感應異步式直線電機的結構及工作原理）感應異步式直線電機的結構及工作原理（2）永磁同步式直線電機工作原理）永磁同步式直線電機工作原理3. 直線電機的特點直線

34、電機的特點調(diào)節(jié)速度方便。調(diào)節(jié)速度方便。加速度大，響應快。加速度大，響應快。定位精度和跟蹤精度高。定位精度和跟蹤精度高。行程不受限制。行程不受限制。返回主頁返回主頁退出退出7.7 主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng) 提供加工各類工件所需的切削功率，主要完成提供加工各類工件所需的切削功率，主要完成主軸調(diào)速和正反轉(zhuǎn)功能。主軸調(diào)速和正反轉(zhuǎn)功能。 7.7.1 直流主軸伺服系統(tǒng)直流主軸伺服系統(tǒng) 由速度環(huán)和電流環(huán)組成雙環(huán)調(diào)速，控制直流由速度環(huán)和電流環(huán)組成雙環(huán)調(diào)速，控制直流主軸電機的電樞電壓來進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。主軸電機的電樞電壓來進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。返回主頁返回主頁退出退出返回主頁返回主頁退出退出7.7.2 交流主軸伺服系統(tǒng)交流主軸伺服系統(tǒng) 交流主軸電機一般采用感應式交流伺服電機。交流主軸電機一般采用感應式交流伺服電機。 主軸驅(qū)動交流伺服化是數(shù)控機床主軸驅(qū)動控主軸驅(qū)動交流伺服化是數(shù)控機床主軸驅(qū)動控制的發(fā)展趨勢。制的發(fā)展趨勢。冷卻通冷卻通風孔風孔普通感應普通感應式電機式電機交流主交流主軸電機軸電機返回主頁返回主頁退出退出1. 新型主軸電機結構新型主軸電機結構（1）輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機）輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機l 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率。在任何刀具切削速度下提供恒定的功率。（2）液體冷卻主軸電機）液體冷卻主軸電機l 主軸電機輸出功率大