參考數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

第六章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)重點(diǎn)：1伺服系統(tǒng)的要求、分類、組成2常用伺服電機(jī)工作原理及其驅(qū)動(dòng)裝置特點(diǎn)3常用位置檢測(cè)元件工作原理及特點(diǎn)§6-1概述

一伺服系統(tǒng)概念

1概念數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件位移和速度為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)包括進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置、位置檢測(cè)裝置等組成。2伺服系統(tǒng)的基本要求1）精度高伺服系統(tǒng)精度取決于機(jī)械傳動(dòng)精度和伺服系統(tǒng)最小分辨率精度。2）響應(yīng)快速響應(yīng)速度提高，可以減小跟隨誤差，一般在200ms以內(nèi)。3）穩(wěn)定性好穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度。4）調(diào)速范圍寬R=nmax/nmin進(jìn)給伺服與主軸范圍不一樣5）低速大轉(zhuǎn)矩3電氣控制伺服系統(tǒng)從控制的角度來(lái)說(shuō)，一般電氣伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為三閉環(huán)控制。位置PID速度PID電流PID伺服電機(jī)速度反饋位置反饋給定二對(duì)伺服電機(jī)的要求1）在調(diào)速范圍內(nèi)，具有平穩(wěn)的運(yùn)行速度2）具有較大較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力3）具有較大的啟動(dòng)加速度4）能夠承受頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)三伺服系統(tǒng)的分類1按控制方式劃分：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)；半閉控制環(huán)系統(tǒng)；閉環(huán)控制系統(tǒng)。2按系統(tǒng)中執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)的類型劃分（1）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)—執(zhí)行元件為步進(jìn)電機(jī)（2）直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)—執(zhí)行元件為直流伺服電機(jī)。

（3）交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)—執(zhí)行元件為交流伺服電機(jī)?！?-2步進(jìn)電機(jī)及開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)一步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及種類步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)—它的輸入既不是交流電，也不是直流電，而是電脈沖。其主要特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。分類：根據(jù)其結(jié)構(gòu)和材料大體分為可變磁阻式（反應(yīng)式）、永磁式和混合式（永磁感應(yīng)式）三種基本類型。按輸出扭矩分：伺服式（功率較小)，功率式(功率較大）。二步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理1.結(jié)構(gòu)與原理左圖為徑向分相式三相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)定子齒距分布

步進(jìn)電機(jī)工作原理工作原理：以三相反應(yīng)式為例2運(yùn)行節(jié)節(jié)拍與與通電電方式式在一個(gè)個(gè)完整整的通通斷電電循環(huán)環(huán)中，，繞組組通電電狀態(tài)態(tài)的不不同組組合數(shù)數(shù)稱為為運(yùn)行行拍數(shù)數(shù)。每拍拍轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)過(guò)過(guò)一個(gè)個(gè)步距距角。。通電電方式式：A—B—C—A；AB——BC—CA——AB；A—AB——B——BC—C—CA——A3徑向分分相式式與軸軸向分分相式式4步距角角θs=360/mPNP——運(yùn)行節(jié)拍與與相數(shù)數(shù)的比比例，，N—轉(zhuǎn)子齒齒數(shù)m—相數(shù)。。三步步進(jìn)電電機(jī)進(jìn)進(jìn)給控控制1轉(zhuǎn)向控控制2速度大大小控控制控控制步步進(jìn)電電機(jī)相相鄰兩兩種勵(lì)勵(lì)磁狀狀態(tài)之之間的的時(shí)間間，就就可以以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)步進(jìn)進(jìn)電機(jī)機(jī)速度度控制制。V=60δf式中f——輸入到到步進(jìn)進(jìn)電機(jī)機(jī)的脈脈沖頻頻率Hz，δ—脈沖當(dāng)當(dāng)量mm/脈沖，，V單位mm/min3自動(dòng)升升降速速控制制當(dāng)要求求步進(jìn)進(jìn)電機(jī)機(jī)啟動(dòng)動(dòng)到大大于突突跳頻頻率的的工作作頻率率時(shí)，，變化化速度度必須須逐漸漸上升升；同同樣，，從最最高工工作頻頻率或或高干干突跳跳頻率率的工工作頻頻率停停止時(shí)時(shí)，變變化速速度必必須逐逐漸下下降。。四步進(jìn)進(jìn)電機(jī)特特性與選選用1步進(jìn)電機(jī)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)2主要技術(shù)術(shù)特性（1）步距角角及其誤誤差（不不大于10′）θs=360/mPNP—運(yùn)行節(jié)拍與相相數(shù)的比比例，N—轉(zhuǎn)子齒數(shù)數(shù)m—相數(shù)（2）矩角特特性與最最大靜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（3）啟動(dòng)頻頻率（4）連續(xù)運(yùn)運(yùn)行頻率率（5）矩頻特特性3.選用（1）選定類類型（2）確定脈脈沖當(dāng)量量δ（3）計(jì)算齒齒輪傳動(dòng)動(dòng)比（L為絲杠螺螺距、m一轉(zhuǎn)的脈脈沖數(shù)））（4）確定高高速運(yùn)行行的輸出出扭矩（（大于負(fù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩矩，并留留余量））（5）確定電電機(jī)啟動(dòng)動(dòng)頻率計(jì)算機(jī)三三相六拍拍環(huán)形分分配表（（查表表法）步序

導(dǎo)電相

工作狀態(tài)

數(shù)值（16進(jìn)制）

程序的數(shù)據(jù)表

正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)

CBAA00101HTAB0DB01HAB01103HTAB1DB03HB01002HTAB2DB02HBC11006HTAB3DB06HC10004HTAB4DB04HCA10105HTAB5DB05H§6-2直流、交交流伺服服驅(qū)動(dòng)（（閉環(huán)環(huán)控制系系統(tǒng)）閉環(huán)控制制的伺服服系統(tǒng)執(zhí)執(zhí)行元件件為直流流、交流流伺服電電機(jī)。一直流伺服服電機(jī)直流伺服服電機(jī)具具有良好好的調(diào)速速性能，，在以往往的數(shù)控控機(jī)床上上得到廣廣泛使用用。直流流伺服電電機(jī)分為為有刷和和無(wú)刷兩兩種基本本類型。。有刷直流流伺服電電機(jī)通常常采用永永久磁鐵鐵做定子子。而無(wú)刷刷電機(jī)轉(zhuǎn)子為永永久磁鐵鐵，定子為為電樞。。1.直流伺服服電機(jī)的的工作原原理直流伺服服電機(jī)基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)和工作原理理與一般般的直流流電機(jī)相相同，所不同同的是為為了滿足足快速響響應(yīng)的要要求，從從結(jié)構(gòu)上上做得細(xì)細(xì)長(zhǎng)一些些。直流伺服服電機(jī)工工作原理理圖2.直流電機(jī)機(jī)的輸出出特性直流電機(jī)機(jī)的電樞樞電路：：Ιа×Rа+Eа=UаEа=Ke×Ф×nT-Tf=J×dn/dt當(dāng)電機(jī)穩(wěn)穩(wěn)定運(yùn)行行時(shí)T=TfT=KT×Ф×Ιа=KT×Ф×(Uа–Eа)/Rа=KT×Ф×(Uа–Ke×Ф×n)/RаMUaEaIa機(jī)械特性性和調(diào)速速特性二直流流伺服電電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)裝置1可控硅調(diào)調(diào)速電路路(SCR)采用三相相全控橋橋式整流流電路，，通過(guò)過(guò)對(duì)12個(gè)晶閘管管觸發(fā)角角的控制制，達(dá)到到控制電電機(jī)電樞樞電壓的的目的。。2脈寬調(diào)制制PWM調(diào)速電路路UAB=[USt1-(T-t1)US]/T=(2t1/T-1)US=(2а-1)USа=0.5UAB=0電機(jī)不轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)а>0.5UAB>0電機(jī)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)а<0.5UAB<0電機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)3直流驅(qū)動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的雙閉環(huán)環(huán)控制系系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)節(jié)電流調(diào)節(jié)節(jié)功率放大大××MTG電流反饋饋速度反饋饋三.交流伺服服電動(dòng)機(jī)機(jī)直流伺服服電機(jī)存存在機(jī)械械整流子子、電刷刷維護(hù)困困難，造造價(jià)高，，壽命短短、應(yīng)用用環(huán)境受受限制的的缺點(diǎn)。。而交流流伺服電電機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)單，，耐用可可靠，動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)好，驅(qū)驅(qū)動(dòng)調(diào)速速技術(shù)日日益成熟熟。用三相交交流電驅(qū)驅(qū)動(dòng)的伺伺服電機(jī)機(jī)叫AC伺服電機(jī)機(jī)。AC伺服電機(jī)機(jī)按工作作原理劃劃分為：：永磁同同步型；；異步感感應(yīng)型。。1.永磁同步步型AC伺服電機(jī)機(jī)永磁同步步型AC伺服電機(jī)機(jī)，轉(zhuǎn)子子用永磁磁材料制制成，定定子裝有有三相對(duì)對(duì)稱繞組組，通入入三相對(duì)對(duì)稱、相相位相差差120o的交流電電，可產(chǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。。多極永磁磁同步型型AC伺服電機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)如如下圖示示

轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)速n=n1=60f/pp磁極對(duì)數(shù)數(shù)，f電源頻率率。2AC伺服電機(jī)機(jī)SPWM調(diào)速永磁同步步型AC伺服電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)速速與電源源頻率存存在嚴(yán)格格的關(guān)系系。因此，用用變頻調(diào)調(diào)速驅(qū)動(dòng)動(dòng)裝置，，非常適適宜。為為獲得寬寬的調(diào)速速范圍，，該驅(qū)動(dòng)動(dòng)電源不不僅要求求電壓和和電流可可調(diào)，而而且頻率率也必須須可以連連續(xù)可調(diào)調(diào)。因此調(diào)速速的關(guān)鍵鍵部件之之一就是是變頻器器，變頻頻器分為為：交—直—交型；交交