機床數(shù)控技術(第七章)

1、|數(shù)控機床伺服系統(tǒng)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的主要功能是：的主要功能是：接受接受來自數(shù)控裝來自數(shù)控裝置的置的指令，控制指令，控制電動機驅動機床的電動機驅動機床的各運動部件，準各運動部件，準確地控制它們的速度和位置，確地控制它們的速度和位置，達到加工出所需零件達到加工出所需零件的目標；的目標；|伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，接受是數(shù)控裝置和機床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，接受CNCCNC裝置插補器發(fā)出的脈沖指令，經(jīng)過變換和放大由裝置插補器發(fā)出的脈沖指令，經(jīng)過變換和放大由伺服電機帶動傳動機構，轉化為機床的直線或轉動伺服電機帶動傳動機構，轉化為機床的直線或轉動位移；位移；|進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控

2、系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說數(shù)數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦大腦”，是發(fā)布是發(fā)布“命令命令”的的“指揮所指揮所”，那么，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢四肢”，是一種，是一種“執(zhí)行機構執(zhí)行機構”。它忠實地執(zhí)行由它忠實地執(zhí)行由CNCCNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。方向，進給速度與位移量。|概述概述|步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機控制系統(tǒng)|交流伺服電動機控制系統(tǒng)交流伺服電動機控制系統(tǒng)|直流伺服電動機控制系統(tǒng)直流伺服電動機控制系統(tǒng)|按伺服系統(tǒng)調節(jié)理論，

3、伺服系統(tǒng)可分為按伺服系統(tǒng)調節(jié)理論，伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)、閉環(huán)開環(huán)、閉環(huán)和和半閉環(huán)半閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)。|開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)采用步進電動機驅動；采用步進電動機驅動；|無檢測元件，也無反饋回路，結構與控制方式簡單，無檢測元件，也無反饋回路，結構與控制方式簡單，由于精度難以保證，低速不平穩(wěn)，切削力矩小等原因，由于精度難以保證，低速不平穩(wěn)，切削力矩小等原因，應用受到限制；應用受到限制；|沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置進進給系統(tǒng)），故給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，|具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修

4、簡單、價格低廉等優(yōu)點，格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到應用，大的場合得到應用，一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。|閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)采用直流，交流伺服電動機驅動；采用直流，交流伺服電動機驅動；|裝有各種速度、位置檢測元件，裝有各種速度、位置檢測元件，使用不同的反饋方式，使用不同的反饋方式，測出各坐標軸的實時位移量和實際所處位置測出各坐標軸的實時位移量和實際所處位置，與指令比，與指令比較后由較后由CNCCNC控制機床向著消除誤差的方向運動；控制機床向著消除誤差的方向運動；|精度高，環(huán)內(nèi)各種機電誤差都可以得到校正和補償；精度高，

5、環(huán)內(nèi)各種機電誤差都可以得到校正和補償；|缺點是缺點是環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。主要用于精度要主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等?？貦C床等。|半閉環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)的特點是的特點是采用直流，交流伺服電動機驅動；采用直流，交流伺服電動機驅動；從電動機軸上進行位置檢測；從電動機軸上進行位置檢測；|優(yōu)點

6、是環(huán)路短、剛度好、間隙小，即優(yōu)點是環(huán)路短、剛度好、間隙小，即機械系統(tǒng)的非線機械系統(tǒng)的非線性因素對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較小，性因素對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較小，因此穩(wěn)定性好，快因此穩(wěn)定性好，快速性好，動態(tài)精度高；速性好，動態(tài)精度高；|由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除，需采取措施對這類誤差進行補償；消除，需采取措施對這類誤差進行補償；|數(shù)控系統(tǒng)結構簡單、調試方便、精度也較高，數(shù)控系統(tǒng)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在因而在現(xiàn)代現(xiàn)代CNCCNC機床中得到了廣泛應用。機床中得到了廣泛應用。|對伺服系統(tǒng)的基本要求對伺服系統(tǒng)的基本要求 z精度高，精

7、度高，伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度，包括定位精度（一般允許的誤差為量的精確程度，包括定位精度（一般允許的誤差為0.010.001mm）和輪廓加工精度；）和輪廓加工精度；z穩(wěn)定性好，穩(wěn)定性好，穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者作用下，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)，它直接影響數(shù)控加工的精恢復到原來的平衡狀態(tài)，它直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度；度和表面粗糙度；z快速響應，快速響應，快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標

8、，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度，一般在指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度，一般在200ms以以內(nèi)，甚至小于幾十內(nèi)，甚至小于幾十ms；z調速范圍寬，調速范圍寬，調速范圍是指機械產(chǎn)品要求電機能調速范圍是指機械產(chǎn)品要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比，一般進給伺服系提供的最高轉速和最低轉速之比，一般進給伺服系統(tǒng)要求統(tǒng)要求024m/min；z低速大轉矩，低速大轉矩，進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉矩；主軸坐制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉矩；主軸坐標的伺服控制標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，在低速時為恒轉矩控制，能提供較大能提供較大轉矩。轉矩。在

9、高速時為恒功率控制，在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出具有足夠大的輸出功率。功率。|步進電動機步進電動機是將電脈沖信號轉換為角位移的電磁機械。是將電脈沖信號轉換為角位移的電磁機械。其轉子的轉角與輸入電脈沖數(shù)成正比，其速度與單位其轉子的轉角與輸入電脈沖數(shù)成正比，其速度與單位時間內(nèi)輸入的的脈沖數(shù)成正比，可以時間內(nèi)輸入的的脈沖數(shù)成正比，可以通過對脈沖的頻通過對脈沖的頻率和數(shù)量的控制，實現(xiàn)對機械運動速度和位置的控制；率和數(shù)量的控制，實現(xiàn)對機械運動速度和位置的控制；|給一個電脈沖信號，步進電動機就回轉一個固定的角給一個電脈沖信號，步進電動機就回轉一個固定的角度，稱為步進電動機，一定要與控制脈沖聯(lián)系起

10、來才度，稱為步進電動機，一定要與控制脈沖聯(lián)系起來才能運行，否則無法工作；能運行，否則無法工作；|控制輸入脈沖的控制輸入脈沖的數(shù)量數(shù)量 控制電動機的控制電動機的轉角或位移轉角或位移量量；控制輸入脈沖的；控制輸入脈沖的頻率頻率控制電動機的控制電動機的速度速度；控；控制各繞組制各繞組接通電源的次序接通電源的次序 控制控制電動機的運動方電動機的運動方向；向；|步進電動機在使用時，無需通過位移傳感器的反饋信步進電動機在使用時，無需通過位移傳感器的反饋信號來控制其運動位置，具有精度高，慣性小的特點，號來控制其運動位置，具有精度高，慣性小的特點，對各種干擾因素不敏感，誤差不會長期積累，轉過對各種干擾因素不敏

11、感，誤差不會長期積累，轉過360以后其積累誤差為以后其積累誤差為“0”，適合于開環(huán)控制的場適合于開環(huán)控制的場合。合。|步進電動機工作原理步進電動機工作原理|步進電動機的主要性能指標步進電動機的主要性能指標|步進電動機步進電動機的種類很多，按工作原理、分為的種類很多，按工作原理、分為反應式、反應式、電磁式、永磁式電磁式、永磁式等類型。按使用場合分為功率步進電等類型。按使用場合分為功率步進電動機和控制步進電動機。按相數(shù)分為三相、四相、五動機和控制步進電動機。按相數(shù)分為三相、四相、五相。按頻率分為高頻和低頻。相。按頻率分為高頻和低頻。z步進電機由轉子和定子兩部分組成：步進電機由轉子和定子兩部分組成：

12、z定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒，圖為三定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒，圖為三相定子：相定子：AA,BB,CCAA,BB,CC，A A、B B、C C三相每相兩極，每三相每相兩極，每極上五個齒。極上五個齒。 定子上線圈的繞法定子上線圈的繞法 轉子上有均勻分布的齒，沒有繞組轉子上有均勻分布的齒，沒有繞組 以四十齒為例，轉子齒間夾角為以四十齒為例，轉子齒間夾角為9o|反應式步進電動機應用普遍，結構也簡單，反應式步進電動機應用普遍，結構也簡單，是我們分析的是我們分析的重點對象；重點對象；|反應式步進電動機的工作原理主要是反應式步進電動機的工作原理主要是基于電磁力的吸引和基于電磁力

13、的吸引和排斥產(chǎn)生轉矩排斥產(chǎn)生轉矩的現(xiàn)象，磁力線總是力圖走磁阻最小的路徑，的現(xiàn)象，磁力線總是力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應力矩。從而產(chǎn)生反應力矩。圖圖7-27-2|三相步進電動機工作原理三相步進電動機工作原理圖圖7-37-3A A相相B B相相C C相相a) 穩(wěn)定的平衡位置；穩(wěn)定的平衡位置；b) 不平衡位置，磁力線要沿鐵心方向走，力圖不平衡位置，磁力線要沿鐵心方向走，力圖使轉子恢復使轉子恢復到磁阻最小的位置，到磁阻最小的位置，給轉子作用一個轉矩；給轉子作用一個轉矩；c) 不穩(wěn)定的平衡位置。不穩(wěn)定的平衡位置。z 定子上分布有六個磁極，每兩個磁極有一相勵磁繞組，定子上分布有六個磁極，每兩個磁極有

14、一相勵磁繞組，構成構成A、B、C三相繞組；三相繞組；z A相通電（相通電（B、C斷電）斷電），電磁力使轉子齒與定子齒對齊，電磁力使轉子齒與定子齒對齊，使磁阻最小，磁力線走最短路線；使磁阻最小，磁力線走最短路線； z B相通電相通電，轉子順時針轉，轉子順時針轉60度，使轉子與度，使轉子與B相定子對齊；相定子對齊；z C相通電相通電，轉子順時針再轉，轉子順時針再轉60度，繞組的通電順序為度，繞組的通電順序為A-B-C-A-，步進電機順時針轉；若通電順序為，步進電機順時針轉；若通電順序為A-C-B-A-，步進電機則逆時針轉；步進電機則逆時針轉；z 60 為步進電機的步距角。為步進電機的步距角。z 實

15、際應用中，要求步進電機的步距角小，一般為實際應用中，要求步進電機的步距角小，一般為0.75 、1.5 或或3 ；z 定子鐵心定子鐵心上有上有6個均勻分布的磁極，構成三相勵磁繞組，每個均勻分布的磁極，構成三相勵磁繞組，每個定子上均勻分布個定子上均勻分布5個齒，齒距角為個齒，齒距角為9 ； z 轉子鐵心轉子鐵心上無繞組，上面均勻分布上無繞組，上面均勻分布40個齒，與定子齒寬相等，個齒，與定子齒寬相等，齒距角齒距角360 /40=9 ；z 三相定子磁極的齒依次錯開三相定子磁極的齒依次錯開1/3齒距為齒距為3 ，結構上保證步進電結構上保證步進電機能轉動起來；機能轉動起來；z 當通電狀態(tài)由當通電狀態(tài)由A

16、相變?yōu)橄嘧優(yōu)锽相時，轉子順時針方向轉過相時，轉子順時針方向轉過3 ，C相相通電再轉通電再轉3 。a) A相通電，相通電，B相與相與C相定、轉子錯相定、轉子錯齒齒3 和和66；b) B相通電，相通電，電磁反應力矩使轉子電磁反應力矩使轉子順時針轉順時針轉3 與定子對齊，與定子對齊， A相與相與C相定、轉子錯齒；相定、轉子錯齒；c) A、B相同時通電，相同時通電，轉子齒與轉子齒與A、B相都沒有對齊，使轉子順時針轉相都沒有對齊，使轉子順時針轉1.5，這時，這時， A、B相定子合成磁場相定子合成磁場是最強方向。是最強方向。|A-B-C-A-A-B-C-A-通電方式稱為通電方式稱為“三相單三拍三相單三拍”

17、，由于每拍，由于每拍只有一相繞組通電，在只有一相繞組通電，在通電切換相序時的瞬間電動機通電切換相序時的瞬間電動機失電，失電，將使用于重力型負載的電動機失步，因此將使用于重力型負載的電動機失步，因此易在易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運行不可靠，平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運行不可靠，實際應用中很實際應用中很少采用這種運行方式；少采用這種運行方式；|一般常用的通電方式為：一般常用的通電方式為：“三相雙三拍三相雙三拍”及及“三相六三相六拍拍”，在，在狀態(tài)切換時，始終有一相繞組通電，狀態(tài)切換時，始終有一相繞組通電，保證了保證了狀態(tài)切換過程中狀態(tài)切換過程中電動機運行的穩(wěn)定和可靠。電動機運行的穩(wěn)定和可靠。|“三相雙

18、三拍三相雙三拍”的通電方式為：的通電方式為：AB-BC-CA-AB-AB-BC-CA-AB-|“三相六拍三相六拍”的通電方式為：的通電方式為：A-AB-B-BC-C-CA-A A-AB-B-BC-C-CA-A AB-AB-|此外，還有四相步進電動機的工作方式，通電方此外，還有四相步進電動機的工作方式，通電方式為式為“四相雙四拍四相雙四拍”和和“四相八拍四相八拍”。|關系式：關系式：z步距角：步距角： = 360/mzkz轉速：轉速：n = 360/mzk*60fm：相數(shù)：相數(shù)z：轉子齒數(shù)：轉子齒數(shù)k：通電拍數(shù)：通電拍數(shù)f：指令脈沖頻率：指令脈沖頻率z由于由于 是確定的，所以是確定的，所以步進電

19、動機的轉速只決步進電動機的轉速只決定于輸入指令的脈沖頻率定于輸入指令的脈沖頻率f。|定子繞組通斷電順序定子繞組通斷電順序 轉子轉向；轉子轉向； |定子繞組通斷電轉換頻率定子繞組通斷電轉換頻率 轉子轉速；轉子轉速；|定子繞組通斷電次數(shù)定子繞組通斷電次數(shù) 轉子轉角。轉子轉角。 |矩矩角特性與最大靜轉矩角特性與最大靜轉矩 MjmaxMjmax|空載起動頻率空載起動頻率fzfz ( (步步/s)/s)|起動矩頻特性起動矩頻特性|空載運行頻率空載運行頻率fmaxfmax ( (步步/s)/s)|運行矩頻特性運行矩頻特性|矩角特性與最大靜轉矩矩角特性與最大靜轉矩Mjmaxz步進電機定子一相繞組通電后，若轉

20、子沒有負載，步進電機定子一相繞組通電后，若轉子沒有負載，轉子齒與定子齒對準，即步進電機處于初始平衡轉子齒與定子齒對準，即步進電機處于初始平衡位置；位置；z如果在轉子上作用外轉矩，轉子軸線偏離如果在轉子上作用外轉矩，轉子軸線偏離初始平初始平衡位置，直到步進電機本身的轉矩和外轉矩平衡衡位置，直到步進電機本身的轉矩和外轉矩平衡為止；為止；z步進電機產(chǎn)生的靜轉矩步進電機產(chǎn)生的靜轉矩M隨失調角（轉子偏離平隨失調角（轉子偏離平衡位置的電角度衡位置的電角度e）的變化規(guī)律，稱為）的變化規(guī)律，稱為步進電機步進電機的矩角特性，的矩角特性，（圖圖7-6），），形狀近似正弦曲線；形狀近似正弦曲線；（圖圖7-7）z矩角

21、特性的靜態(tài)轉矩最大值矩角特性的靜態(tài)轉矩最大值MjmaxMjmax則是則是最大靜轉最大靜轉距，它表示了步進電機承受負載的能力。距，它表示了步進電機承受負載的能力。 MjmaxMjmax越大，步進電機帶負載能力越強，運行的快速性越大，步進電機帶負載能力越強，運行的快速性及穩(wěn)定性也就越好。及穩(wěn)定性也就越好。a) 初始平衡位置，不產(chǎn)生轉矩，初始平衡位置，不產(chǎn)生轉矩，M=0；b) 失調角失調角0c 90，轉子受徑向磁拉力和切向，轉子受徑向磁拉力和切向磁拉力，產(chǎn)磁拉力，產(chǎn)生轉矩；生轉矩； c =90時，轉子受時，轉子受切向磁拉力最大，切向磁拉力最大，M=Mjmax；c) 失調角失調角90c 180，轉矩減??；，轉矩減小； c =180時，時， M=0；d) 失調角失調角-180c 0，轉子產(chǎn)生的轉矩與，轉子產(chǎn)生的轉矩與b) 方向相反。方向相反。|空載起動頻率空載起動頻率fqz電動機正常起動所能承受的最高控制頻率稱為電動機正常起動所能承受的最高控制頻率稱為起動頻率起動頻率fq ，它，它是衡量步進電機快速性能的重是衡量步進電機快速性能的重要技術指標。要技術指標。因為