《數(shù)控機床伺服系統(tǒng)》課件

1、數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)及位置檢測1精選ppt數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)及位置檢測1精選ppt4.1 概 述數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是以機床運動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱位置隨動系統(tǒng)，簡稱伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)主要有兩種:一種是進給伺服系統(tǒng)，它控制機床各坐標軸的切削進給運動，以直線運動為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運動，以旋轉(zhuǎn)運動為主。 2精選ppt4.1 概 述數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是以機床運動部件的位數(shù)控機床的精度、穩(wěn)定性、可靠性及加工效率等技術(shù)指標在很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能。伺服系統(tǒng)的作用是接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給位移和速度指令信號，由伺服驅(qū)動電路作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺

2、服驅(qū)動裝置(直流或交流伺服電機、直線電機、功率步進電機等)和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺等執(zhí)行部件進行運動。 3精選ppt數(shù)控機床的精度、穩(wěn)定性、可靠性及加工效率等技術(shù)指標在很大程度數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差異，它能根據(jù)指令信號自動精確地控制執(zhí)行部件運動的位移、方向和速度，以及數(shù)個執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運動以合成一定的運動軌跡。4精選ppt數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差異，它1. 數(shù)控伺服系統(tǒng)的組成1) 開環(huán)伺服系統(tǒng)由驅(qū)動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。通常,執(zhí)行元件選用步進電動機。2）閉環(huán)及半閉環(huán)伺服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動控制單元、機床以及反饋

3、檢測元件、比較環(huán)節(jié)組成。 5精選ppt1. 數(shù)控伺服系統(tǒng)的組成1) 開環(huán)伺服系統(tǒng)由驅(qū)動控制單元6精選ppt6精選ppt2. 伺服系統(tǒng)的分類 1) 按照控制方式的不同可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制；2) 按所用執(zhí)行元件可分為步進伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)三類；3) 按伺服系統(tǒng)的用途和功能可將伺服系統(tǒng)分為進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)；4)按驅(qū)動方式分類，將伺服系統(tǒng)分為液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)、電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)和氣壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)；5)按控制信號分類,將伺服系統(tǒng)分為數(shù)字伺服系統(tǒng)、模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字模擬混合伺服系統(tǒng)等。7精選ppt2. 伺服系統(tǒng)的分類 1) 按照控制方式的不同可分為開環(huán)、3. 伺服系統(tǒng)的要

4、求 1) 足夠高的精度2)好的快速響應(yīng)性 3)較寬的調(diào)速范圍 4)可靠的系統(tǒng)穩(wěn)定性8精選ppt3. 伺服系統(tǒng)的要求 1) 足夠高的精度8精選ppt4.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件1.步進電機步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的電磁機械裝置。步進電機的角位移與電脈沖信號數(shù)成正比，轉(zhuǎn)數(shù)與脈沖頻率成正比，轉(zhuǎn)向與通電相序有關(guān)。9精選ppt4.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件1.步進電機9精選ppt1) 步進電機結(jié)構(gòu)與工作原理步距角：每發(fā)一個脈沖，步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。脈沖當量：每發(fā)一個脈沖，工作臺移動的位移量。10精選ppt1) 步進電機結(jié)構(gòu)與工作原理步距角：每發(fā)一個脈沖，步進電機(1)三項三拍控制 所謂“

5、三相”,是指步進電動機有三相定子繞組。“單”是指每次只有一相繞組通電，而“雙”是指每次有二相繞組通電，“三拍”是指，每三次轉(zhuǎn)換為一個循環(huán)，第四次則重復(fù)第一次的通電情況。其他相數(shù)的步進電動機依此類推。三相三拍控制方式一種為雙三拍，這種方式同時有兩相繞組通電，通電順序為ABBCCAAB(逆時針旋轉(zhuǎn))或ACCBBAAC(順時針旋轉(zhuǎn))。雙三拍控制方式的步距角仍為30。 11精選ppt(1)三項三拍控制11精選ppt(2) 三項六拍采用三相六拍控制方式，步進電動機的繞組通電順序為AABBBCCCA A.每切換一次，步進電動機將逆時針旋轉(zhuǎn)15。 如通電順序改為AACCC BBBAA，則步進電動機以步距角1

6、5，順時針旋轉(zhuǎn)。 2).步距角 步距角：每發(fā)一個脈沖，步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。12精選ppt(2) 三項六拍采用三相六拍控制方式，步進電動機的繞組通電順2.直流伺服電動機 1)直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)及工作原理直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性， 可方便地在很寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無極調(diào)速，故多采用對伺服電動機的調(diào)速性能要求較高的數(shù)控機床中 。組成：定子、轉(zhuǎn)子、電刷與換相片直流電動機都存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護。換向器換向時會產(chǎn)生火花，使電動機的最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。 13精選ppt2

7、.直流伺服電動機 1)直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)及工作原理13精14精選ppt14精選ppt3。交流伺服電動機 交流伺服電動機有異步型和同步型交流伺服電動機兩種。異步型交流伺服電動機指的是交流感應(yīng)電動機,它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式。應(yīng)用較多的是同步型交流伺服電動機。它的定子與感應(yīng)電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。數(shù)控機床中多用永磁式同步電動機。與電磁式相比，永磁式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。15精選ppt3。交流伺服電動機 交流伺服電動機有異步型

8、和同步型交流伺服電4。直線電動機 直線電動機是一種能將電信號直接轉(zhuǎn)換成直線位移的電動機。由于它無需轉(zhuǎn)換機構(gòu)即可直接獲得直線運動，所以直線電動機沒有傳動機械的磨損，并且噪音低，結(jié)構(gòu)簡單，操作維護方便。主要應(yīng)用機型：直流直線電動機、交流直線電動機以及直線步進電動機等，在實際中應(yīng)用較多的是交流直線電動機。16精選ppt4。直線電動機 直線電動機是一種能將電信號直接轉(zhuǎn)換成直線位移17精選ppt17精選ppt18精選ppt18精選ppt19精選ppt19精選ppt4.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)采用功率步進電動機作為執(zhí)行元件，實現(xiàn)進給控制。與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，它沒有位置和速度反饋回路，無需位置和速度

9、測量裝置及復(fù)雜的控制調(diào)節(jié)電路，因此這種系統(tǒng)成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，容易與機床連接，控制使用比較方便。在對速度、精度要求不太高的中、小型數(shù)控機床上得到廣泛的應(yīng)用。20精選ppt4.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)采用功率步進電動機作為21精選ppt21精選ppt4.4 直流和交流伺服系統(tǒng)1。直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)采用直流伺服電動機作為執(zhí)行元件，并由直流電源供電。 直流電動機常用的調(diào)速方法有磁場控制方式(即改變電動機的勵磁磁通來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速)和電壓控制方式(即勵磁磁通恒定,改變電樞電壓調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速）及兩種混合調(diào)速。 22精選ppt4.4 直流和交流伺服系統(tǒng)1。直流伺服系統(tǒng)22精選p

10、pt永磁式寬調(diào)速直流電動機為永磁式電動機，其磁場磁通是恒定的，只能通過改變電樞的電壓進行調(diào)速。常用的電壓調(diào)速有兩種方法:晶閘管調(diào)速(SCR)和晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速(PWM)。 23精選ppt永磁式寬調(diào)速直流電動機為永磁式電動機，其磁場磁通是恒定的，只晶體管脈寬調(diào)速(PWM)的主要特點 PWM調(diào)速具有如下特點:(1)晶體管的頻率遠比轉(zhuǎn)子能跟隨的頻率高得多,避開了機械共振。(2)電樞電流的脈動小,電動機在低速時工作也十分平滑、穩(wěn)定。(3)調(diào)速比可以很大。(4)電流波形系數(shù)較小,熱變形小。(5功率損耗小。(6)頻帶寬動態(tài)硬度好,響應(yīng)很快。24精選ppt晶體管脈寬調(diào)速(PWM)的主要特點 PWM調(diào)速具有

11、如下特點:缺點: 如不能承受高的峰值電流。一般都是將峰值電流限制到二倍有效電流。另外，還有大功率晶體管性能不夠穩(wěn)定，價格較貴等缺點。2。交流伺服系統(tǒng) 電機轉(zhuǎn)速可采用以下兩種方法:(1)改變磁極對數(shù)P，這是一種有效的調(diào)速方法,它是通過對定子繞組接線的切換改變磁極對數(shù)調(diào)速的。(2)變頻調(diào)速。變頻調(diào)速是平滑改變定子供電電壓頻率f，而使轉(zhuǎn)速平滑變化的調(diào)速方法，多數(shù)交流伺服電動機都采用這種調(diào)速方法。25精選ppt缺點: 如不能承受高的峰值電流。一般都是將峰值電流限制到二倍4.5 位置檢測裝置4.5.1 概 述 位置檢測裝置通常安裝在機床的工作臺或絲杠上，不斷地將工作臺的位移量或絲杠的轉(zhuǎn)角檢測出來并反饋給

12、控制系統(tǒng)。它由傳感器和檢測電路兩部分組成，起著測量和反饋兩個作用。 26精選ppt4.5 位置檢測裝置4.5.1 概 述 26精選ppt在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測裝置的主要作用是檢測位移量，并使發(fā)出的反饋信號與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運動，直至偏差等于零為止。它發(fā)出的信號傳送給數(shù)控裝置或?qū)Ｓ每刂破?，?gòu)成閉環(huán)控制。傳感器能分辨出的最小測量值稱為分辨率。分辨率不僅取決于傳感器本身，也取決于測量線路。 27精選ppt在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測裝置的主要作用是檢測位移量，并使發(fā)出的反饋1.對檢測裝置的要求 (1)在機床工作臺移動范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求

13、。(2)在機床的工作環(huán)境下，能可靠地工作，即受溫度影響小，抗干擾能力強，并能長期保持精度。(3）易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量和處理，易于實現(xiàn)自動化。(4)使用、維護簡單方便，成本低。28精選ppt1.對檢測裝置的要求 (1)在機床工作臺移動范圍內(nèi)，能滿足精2.檢測裝置的分類(1)按安裝位置和耦合方式可分為直接測量和間接測量。(2)按測量裝置的編碼方式可分為絕對式測量和增量式測量 。(3)按檢測信號的類型可分為模擬式測量和數(shù)字式測量 。(4)按運動形式可分為旋轉(zhuǎn)型和直線型檢測裝置 。(5)按信號的轉(zhuǎn)換原理可分為光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等類型的檢測裝置 29精選pp

14、t2.檢測裝置的分類(1)按安裝位置和耦合方式可分為直接測量和4.5.2 光 柵1. 光柵的種類光柵是一種利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測元件，是最常見的位置測量裝置，具有精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點。光柵按形狀可分為圓光柵和長光柵。圓光柵用于角位移的檢測，長光柵用于直線位移的檢測。材料有玻璃光柵和金屬光柵之分。光柵主要由光柵尺(包括標尺光柵和指示光柵)和光柵讀數(shù)頭兩部分組成, 30精選ppt4.5.2 光 柵1. 光柵的種類30精選ppt31精選ppt31精選ppt32精選ppt32精選ppt33精選ppt33精選ppt34精選ppt34精選ppt35精選ppt35精選ppt36精選ppt3

15、6精選ppt通常,標尺光柵安裝在機床的運動部件(如工作臺或絲杠)上，光柵讀數(shù)頭安裝在機床的固定部件(如機床底座)上，兩者隨著工作臺的移動而相對移動。 37精選ppt通常,標尺光柵安裝在機床的運動部件(如工作臺或絲杠)上，光柵 光柵尺是用真空鍍膜的方法刻上均勻密集線紋的透明玻璃片或長條形金屬鏡面。 對于長光柵，這些線紋相互平行，各線紋之間的距離相等，稱此距離為柵距。 對于圓光柵，這些線紋是等柵距角的向心條紋。柵距和柵距角是決定光柵光學性質(zhì)的基本參數(shù)。 柵距和柵距角是決定光柵光學性質(zhì)的基本參數(shù)。38精選ppt 光柵尺是用真空鍍膜的方法刻上均勻密集線紋的透(1)玻璃透射光柵 玻璃透射光柵是在透明的光

16、學玻璃板上，刻制或腐蝕出平行且等距的密集線紋，利用光的透射現(xiàn)象形成光柵。透射光柵的特點是: 光源可以垂直人射，光電元件可直接接受光信號，因此信號的幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)比較簡單; 刻線密度較大，常用50線/mm，100線/ mm ， 250線/ mm，再經(jīng)過電路細分，可做到微米級的分辨率。39精選ppt(1)玻璃透射光柵 玻璃透射光柵是在透明的(2)金屬反射光柵 一般是在不透明的金屬材料(如不銹鋼板或鋁板)上刻制平行、等距的密集線紋，利用光的全反射或漫反射形成光柵。常用反射光柵的刻線密度為4線/mm， 10線/ mm，25線/mm，40線/ mm，50線/ mm 。金屬反射光柵的特點是: 標尺光柵

17、的線膨脹系數(shù)很容易與機床材料一致;易于接長或制成整根的長光柵;不易碰碎;分辨率比透射光柵低。40精選ppt(2)金屬反射光柵 一般是在不透明的金屬材料(如(3) 圓光柵 圓光柵是在玻璃圓盤的外環(huán)端面上，作成黑白間隔條紋，根據(jù)不同的要求，在圓周內(nèi)線紋數(shù)也不同，若直徑為70mM，則一周內(nèi)刻線為100768條;若直徑為110 mm，則一周內(nèi)刻線達6001024條,甚至更高。同一個光柵元件，其標尺光柵和指示光柵的線紋密度必須相同。41精選ppt(3) 圓光柵 圓光柵是在玻璃圓盤的外環(huán)端面上，作成黑白間隔2.光柵的組成及工作原理 光柵主要由光柵尺和光柵讀數(shù)頭組成，而光柵讀數(shù)頭由光源、透鏡、指示光柵、光敏

18、元件和驅(qū)動線路組成。讀數(shù)頭的光源一般采用白熾燈泡。白熾燈泡發(fā)出的輻射光線經(jīng)過透鏡后變成平行光束，照射在光柵尺上。光敏元件是一種將光強信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換元件，它接收透過光柵尺的光強信號，并將其轉(zhuǎn)換成與之成比例的電壓信號。42精選ppt2.光柵的組成及工作原理 光柵主要由光柵尺和光柵讀數(shù)頭組成，如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個很小的角度，使兩塊光柵的刻線相交，當平行光線垂直照射標尺光柵時，則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為莫爾條紋。兩個亮帶間的間距稱為莫爾條紋的紋距p。由于兩塊光柵的刻線密度相等，即柵距相等，使產(chǎn)生的莫爾條紋的方向與光柵刻線方向大致垂直。43精選ppt

19、如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個很小的角度，使兩塊光 當標尺光柵移動時，莫爾條紋就沿與光柵移動方向垂直的方向移動。當光柵移動一個柵距時，莫爾條紋就相應(yīng)準確地移動一個紋距p，兩者一一對應(yīng)。 只要讀出移過莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移過了多少個柵距。 44精選ppt 當標尺光柵移動時，莫爾條紋就沿與光柵移動方向垂45精選ppt45精選ppt4.5.3 直線感應(yīng)同步器1.直線感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及特點直線感應(yīng)同步器利用兩個平面形印刷繞組(其間保持均勻氣隙)的相對平行移動，根據(jù)交變磁場和互感原理進行工作，是一種電磁式的檢測傳感器。直線感應(yīng)同步器作為直接位置測量元件在數(shù)控機床上已廣泛采用。46精選ppt4.5.3 直線感應(yīng)同步器1.直線感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及特點47精選ppt47精選ppt48精選ppt48精選ppt49精選ppt49精選ppt直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成.尺上兩組勵磁繞組，一組叫正弦勵磁繞組，一組叫余弦勵磁繞組，定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同。直線感