數(shù)控技術(shù)數(shù)控伺服系統(tǒng)

第3章數(shù)控伺服系統(tǒng)

主要內(nèi)容主要內(nèi)容

概述

伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件

步進式伺服系統(tǒng)

鑒相式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)

脈沖比較式伺服系統(tǒng)CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)1數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件(如工作臺、主軸和刀具等)的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅(qū)動機床運動部件實現(xiàn)運動，并保證動作的快速性和準(zhǔn)確性。數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。3.1概述21.輸出位置精度要高

靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)定位誤差要小。(尺寸精度)

動態(tài)：跟隨精度，動態(tài)性能指標(biāo)，用跟隨誤差表示。(輪廓精度)

靈敏度要高，有足夠高的分辯率。3.1.1對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1概述32.響應(yīng)速度快且無超調(diào)對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，即在無超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立時間tp

應(yīng)盡可能短。要求從0→Fmax（Fmax→0），時間應(yīng)盡可能小，且不能有超調(diào)，否則對機械部件不利，有害于加工質(zhì)量。tFtp3.1.1對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1概述43.1.1對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調(diào)速范圍內(nèi))

調(diào)速范圍：一般要求：

穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。3.1概述54.系統(tǒng)的可靠性高

綜上所述：

對伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面；對高精度的數(shù)控機床，對其動態(tài)性能的要求更

嚴(yán)。3.1.1對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1概述6按有無反饋檢測元件分為開環(huán)和閉環(huán)(含半閉環(huán))兩種類型

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。

閉環(huán)(半閉環(huán))伺服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動控制單元、機床以及反饋檢測元件、比較環(huán)節(jié)組成。

3.1.2數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成3.1概述73.1.3數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類按反饋比較控制方式分類數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)鑒相式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)按伺服系統(tǒng)的用途和功能分類進給驅(qū)動系統(tǒng)主軸驅(qū)動系統(tǒng)按執(zhí)行元件的類別分類直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)3.1概述8伺服驅(qū)動元件又稱為執(zhí)行電動機數(shù)控伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，是根據(jù)輸入的控制信號產(chǎn)生角位移或角速度，帶動被控對象運動。數(shù)控伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動元件有：步進電動機直流伺服電動機交流伺服電動機3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件93.2.1步進電動機

步進電機流行于70年代，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控；打印機、繪圖機等計算機的外部設(shè)備。步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的機電元件。每輸入一個脈沖，步進電動機轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定角度。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件10步進電動機機的種類運動方式：：旋轉(zhuǎn)運動動的、直線線運動的和和平面運動動；結(jié)構(gòu)上：反反應(yīng)式、勵勵磁式；按定子數(shù)目目：單段定定子式、多多段定子式式；按相數(shù)：單單相、兩相相、三相及及多相。3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件11三相三拍反反應(yīng)式的工工作原理三相是指步步進電機有有三相定子子繞組，三三拍是指每每三次轉(zhuǎn)換換為一個循循環(huán)三相步進電電機，定子子有六個磁磁極，分為為三對，每每個磁極上上裝有控制制繞組。一一對磁極通通電后，對對應(yīng)產(chǎn)生N/S極磁場；轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子為帶齒齒的鐵心（（反應(yīng)式））或磁鋼（（混合式））。當(dāng)定子三相相依次通電電時，三對對磁極依次次產(chǎn)生氣隙隙磁場，吸吸引轉(zhuǎn)子一一步步轉(zhuǎn)動動。3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件12步進電動機機的主要特特性步距角:步進電動機機繞組的通通電狀態(tài)每每改變一次次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過的角度度起動頻率:空載時，步步進電動機機由靜止?fàn)顮顟B(tài)突然起起動，進入入不丟步的的正常運行行的最高頻頻率連續(xù)運行頻頻率:步進電動機機起動以后后．其運行行速度能跟跟蹤指令脈脈沖頻率連連續(xù)上升而而不丟步的的最高工作作頻率加減速特性性:描述步進電電動機由靜靜止到工作作頻率和由由工作頻率率到靜止的的加減速過過程中，定定子繞組通通電狀態(tài)的的變化頻率率與時間的的關(guān)系3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件133.2.2直流伺服電電動機小慣量直流流電動機:轉(zhuǎn)動慣量小小，反應(yīng)靈靈敏，動態(tài)態(tài)特性好，，適用于高高速與負(fù)載載慣量較小小的場合。。大慣量寬調(diào)調(diào)速直流伺伺服電動機機:既具有一般般直流電動動機的各項項優(yōu)點，又又具有小慣慣量直流電電動機的快快速響應(yīng)性性能，易與與較大的負(fù)負(fù)載慣量匹匹配，能較較好地滿足足伺服驅(qū)動動的要求。。3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件14直流伺服電電動機的結(jié)結(jié)構(gòu)特點按磁極的種種類，寬調(diào)調(diào)速直流電電動機分為為電勵磁和和永久磁鐵鐵兩種3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件15寬調(diào)速直流流電動機性性能輸出力矩大大過載能力強強動態(tài)響應(yīng)性性能好低速運轉(zhuǎn)平平穩(wěn)易于調(diào)試因此，寬調(diào)調(diào)速直流伺伺服電動機機是目前機機電一體化化閉環(huán)伺服服系統(tǒng)中應(yīng)應(yīng)用較多的的控制電動動機。3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件16直流伺服電電動機調(diào)速速方式晶閘管直流流調(diào)速（SCR）脈寬調(diào)制直直流調(diào)速(PWM)頻帶寬電動機脈動動小電源的功率率因數(shù)高動態(tài)硬度好好，系統(tǒng)具具有良好的的線性3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件173.2.3交流伺服電電動機由于直流伺伺服電機具具有優(yōu)良的的調(diào)速性能能，80年代初至90年代中，在在要求調(diào)速速性能較高高的場合，，直流伺服服電機調(diào)速速系統(tǒng)的應(yīng)應(yīng)用一直占占據(jù)主導(dǎo)地地位。但其其卻存在一一些固有的的缺點，即即：電刷和換向向器易磨損損，維護麻麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，，制造困難難，成本高高而交流伺服服電機則沒沒有上述缺缺點。特別別是在同樣樣體積下，，交流伺服服電機的輸輸出功率比比直流電機機提高10%～70%，且可達到到的轉(zhuǎn)速比比直流電機機高。因此此，人們一一直在尋求求交流電機機調(diào)速方案案來取代直直流電機調(diào)調(diào)速的方案案。3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件18交流伺服電電動機的結(jié)結(jié)構(gòu)特點交流伺服電電動機采用用全封閉無無刷構(gòu)造，，不需定期期檢查和維維修。定子省去了了鑄件殼體體，結(jié)構(gòu)緊緊湊，外形形小，重量量輕它的轉(zhuǎn)子采采用具有精精密磁極形形狀的永久久磁鐵，常常做成鼠籠籠式，為了了使伺服電電動機反應(yīng)應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子做得較較細(xì)長。空心杯形轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，杯壁壁很薄3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件19交流伺服電電動機的工工作原理與單相異步步電動機相相似交流伺服電電動機調(diào)速速交流伺服電電動機調(diào)速速通常由調(diào)調(diào)頻調(diào)速的的方法實現(xiàn)現(xiàn)。實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)調(diào)壓方法：：脈沖幅值調(diào)調(diào)制(PAM)方法脈寬調(diào)制(PWM)方法3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件203.2.4直線電動機機直線電動機機是一種能能將電信號號直接轉(zhuǎn)換換成為直線線位移的電電動機。直直線電動機機沒有傳動動機械的磨磨損，并且且噪音低、、結(jié)構(gòu)簡單單、操作維維護方便。。直線電動機機主要應(yīng)用用的機型有有直流直線線電動機、、交流直線線電動機以以及直線步步進電動機機等，在實實際中應(yīng)用用較多的是是交流直線線電動機。。3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件21直線電動機機的優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單應(yīng)用范圍廣廣、適應(yīng)性性強反應(yīng)速度快快，靈敏度度高，隨動動性好額定值高、、冷卻條件件好有精密定位位和自鎖能能力工作穩(wěn)定可可靠，壽命命長3.2伺服系統(tǒng)的的驅(qū)動元件件22開環(huán)步進伺服系統(tǒng)(Open-LoopSystem)不帶位置測測量反饋裝裝置的系統(tǒng)統(tǒng)；驅(qū)動電機只只能用步進進電機；主要用于經(jīng)經(jīng)濟型數(shù)控控或普通機機床的數(shù)控控化改造3.3步進式伺服服系統(tǒng)233.3.1步進式伺服服系統(tǒng)的工工作原理步進電動機機的驅(qū)動控制線線路和步進電動機機兩部分組成成步進式伺服服系統(tǒng)受驅(qū)驅(qū)動控制線線路的控制制，將代表進給脈脈沖的電平平信號通過步進電電動機轉(zhuǎn)變變?yōu)榫哂幸灰欢ù笮『秃头较虻臋C機械角位移，通過齒輪輪和絲杠帶帶動工作臺臺移動。控制位移量：步進電動動機轉(zhuǎn)過的的角位移量量，由進給脈沖數(shù)決決定方向：通電順序序不同進給速度：由進給脈脈沖頻率決決定3.3步進式伺服服系統(tǒng)243.3.2步進電動機機的驅(qū)動控控制線路驅(qū)動控制線線路的功能能：將具有一定定頻率f、一定數(shù)量量和方向的的進給脈沖轉(zhuǎn)換成控制制步進電動動機各相定定子繞組通通斷電的電平信號。驅(qū)動控制線線路組成：：脈沖混合電電路、加減減脈沖分配配電路、加加減速電路路、環(huán)形分分配器和功功率放大器器3.3步進式伺服服系統(tǒng)253.3步進式伺服服系統(tǒng)脈沖混合電電路將插補信號號或者手動動信號等轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為使工工作臺正向向進給的““正向進給給”信號或或使工作臺臺反向進給給的“反向向進給”信信號。加減脈沖分分配電路當(dāng)機床在進進給脈沖的的控制下正正在沿著某某一方向進進給時，由由于各種誤誤差補償脈脈沖的存在在，可能會會有個別的的方向進給給脈沖，通通過加減脈脈沖分配電電路從正在在進給方向向的進給脈脈沖指令中中抵消相同同數(shù)量的方方向補償脈脈沖。加減速電路路加減脈沖分分配電路來來的進給脈脈沖頻率的的變化是有有躍變的作用：使之之變成符合合步進電動動機加減速速特性的脈脈沖頻率，，然后再送送入步進電電動機的定定于繞組3.3步進式伺服服系統(tǒng)27環(huán)形分配器器環(huán)形分配器器的作用：把來自于于加減速電電路的一系系列進給脈脈沖指令，，轉(zhuǎn)換成控控制步進電電動機定于于繞組通電電、斷電的的電平信號號，電平信信號狀態(tài)的的改變次數(shù)數(shù)及順序與與進給脈沖沖的數(shù)量及及方向?qū)?yīng)應(yīng)。有硬件環(huán)形分分配器和軟件環(huán)形分分配器兩種形式3.3步進式伺服服系統(tǒng)28功率放大器器從環(huán)形分配配器來的進進給控制信信號的電流流只有幾毫毫安，而步步進電動機機的定子繞繞組需要幾幾安培電流流。因此，，需要對從從環(huán)形分配配器來的信信號進行功功率放大，，以提供幅幅值足夠，，前后沿較較好的勵磁磁電流。常用的功放放電路有以以下兩種：：(1)單電壓供電電功放器(2)雙電壓供電電功放器：：雙電壓供供電功率放放大器又又稱高低電電壓供電功功放器3.3步進式伺服服系統(tǒng)293.3.3提高步進式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)精度的措措施影響步進電電機開環(huán)系系統(tǒng)傳動精精度的因素素：步進電機的的步距角精精度；機械傳動部部件的精度度；絲桿等機械械傳動部件件、支承的的傳動間隙隙；傳動件和支支承件的變變形。提高步進電電機開環(huán)系系統(tǒng)傳動精精度的措施施：適當(dāng)提高系系統(tǒng)組成環(huán)環(huán)節(jié)的精度度；采取各種精精度補償措措施：3.3步進式伺服服系統(tǒng)30傳動間隙補補償在整個行程程范圍內(nèi)測測量傳動機機構(gòu)傳動間間隙，取其其平均值存存放在數(shù)控控系統(tǒng)中的的間隙補償償單元，當(dāng)當(dāng)進給系統(tǒng)統(tǒng)反向運動動時，數(shù)控控系統(tǒng)自動動將補償值值加到進給給指令中，，從而達到到補償目的的。螺矩誤差補補償滾珠絲桿在在數(shù)控機床床應(yīng)用廣泛泛，雖然滾滾珠絲桿精精度較高，，但是總不不可做的絕絕對精確，，總是將其其精度控制制在一定的的范圍內(nèi)的的，也就是是它的螺距距總是存在在著一定的的誤差的，，利用計算算機的運算算處理能力力，可以補補償滾珠絲絲杠的螺矩矩累積誤差差，以提高高進給位移移精度。方法：首先先測量出進進給絲桿螺螺距誤差曲曲線(規(guī)律)，然后可采采用下列兩兩種方法實實現(xiàn)誤差補補償：硬件補償、、軟件補償償。細(xì)分線路：是把步進電電動機的一一步再分得得細(xì)一些。3.3步進式伺服服系統(tǒng)31優(yōu)點：是結(jié)構(gòu)比較較簡單用較較多的是以以光柵和光光電編碼器器作為位置置檢測裝置置的閉環(huán)控控制系統(tǒng)。。組成3.6脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)32脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)的組成指令信號：由數(shù)控裝置置提供，數(shù)數(shù)字脈沖信信號，也可可以是數(shù)碼碼信號反饋測量信信號：由測量裝置置提供的機機床速度、、位置反饋饋信號，可可以是脈沖沖信號，也也可以是數(shù)數(shù)碼信號常用的測量量裝置是光光柵和脈沖沖編碼器比較器作用：完成成指令信號號與測量反反饋信號比比較的環(huán)節(jié)節(jié)有三類：數(shù)數(shù)碼比較器器、數(shù)字脈脈沖比較器器和數(shù)碼與與數(shù)字脈沖沖比較器。。轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器是數(shù)數(shù)字脈沖信信號與數(shù)碼碼的相互轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換部件驅(qū)動執(zhí)行元元件：根據(jù)比較器器的輸出帶帶動工作臺臺移動3.6脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)333.6脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)34脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)工作原理理以采用光電電脈沖編碼碼器為測量量元件的系系統(tǒng)為例說明數(shù)字脈脈沖比較伺伺服系統(tǒng)的的工作原理理。光電編碼器器與伺服電電機的轉(zhuǎn)軸軸連接，隨隨著電機的的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生生脈沖序列列輸出，其其脈沖的頻頻率將隨著著轉(zhuǎn)速的快快慢而升降降。若工作作臺處于靜靜止?fàn)顟B(tài)，，指令脈沖Pc=0，這時反饋脈沖Pf亦為零，經(jīng)經(jīng)比較器可可得偏差e=Pc－Pf=0，則伺服電機的的速度給定定為零，工工作臺繼續(xù)續(xù)保持靜止止不動。3.6脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)35脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)工作原理理隨著指令脈脈沖的輸入入，Pc≠0，在工作臺臺尚未移動動之前，反反饋脈沖Pf仍為零。經(jīng)經(jīng)比較器比比較，得偏偏差e=Pc－Pf≠0，若指令脈脈沖為正向向進給脈沖沖，則e>0，由速度控控制單元驅(qū)驅(qū)動電機帶帶動工作臺臺正向進給給。隨著電機運運轉(zhuǎn)，光電電脈沖編碼碼器將輸出出反饋脈沖沖Pf送入比較器器，與指令令脈沖Pc進行比較，，若e=Pc—Pf≠0，工作臺繼繼續(xù)運動，，不斷反饋饋，直到e=Pc－Pf=0，即反饋脈沖沖數(shù)等于指指令脈沖數(shù)數(shù)，工作作臺臺停停在在指指令令規(guī)規(guī)定定的的位位置置上上。。當(dāng)指指令令脈脈沖沖為為反反向向運運動動脈脈沖沖時時，，控控制制過過程程與與Pc為正正時時基基本本上上類類似似。。只只是是e<0，工工作作臺臺作作反反向向進進給給，，直直至至e=0，工工作作臺臺停停在在指指令令所所規(guī)規(guī)定定的的反反向向某某個個位位置置上上。。主要要工工作作部部件件⒈數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖—數(shù)碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器⑴數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為數(shù)數(shù)碼碼對于于數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為數(shù)數(shù)碼碼，，其其最最簡簡單單的的實實現(xiàn)現(xiàn)方方法法就就是是采采用用一一個個可可逆逆計計數(shù)數(shù)器器，，它它將將輸輸入入的的脈脈沖沖進進行行計計數(shù)數(shù)，，以以數(shù)數(shù)碼碼值值輸輸出出。。圖所所示示是是由由兩兩個個二二—十進進制制計計數(shù)數(shù)器器組組成成的的數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖—數(shù)碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器。。3.6脈沖沖比比較較式式伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)主要要工工作作部部件件⒈數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖—數(shù)碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器⑵數(shù)數(shù)碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖對于于數(shù)數(shù)碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖，，常常用用的的有有兩兩種種方方法法。。第第一一種種方方法法是是采采用用減減法法計計數(shù)數(shù)器器組組成成的的線線路路，，如如圖圖所所示示，，3.6脈沖沖比比較較式式伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)主要要工工作作部部件件⒈數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖—數(shù)碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器⑵數(shù)數(shù)碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖第二二種種方方法法是是用用一一個個脈脈沖沖乘乘法法器器，，數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖乘乘法法器器實實質(zhì)質(zhì)上上就就是是將將輸輸入入的的二二進進制制數(shù)數(shù)碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為等等值值的的脈脈沖沖數(shù)數(shù)輸輸出出，，其其示示意意圖圖如如圖圖3.37所示示。。3.6脈沖沖比比較較式式伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)主要要工工作作部部件件2.比較較器器在脈脈沖沖比比較較系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，使使用用的的比比較較器器有有多多種種結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，根根據(jù)據(jù)其其功功能能可可分分為為兩兩種種：：一一種種是是數(shù)碼碼比比較較器器，另另一一種種是是數(shù)字字脈脈沖沖比比較較器器。數(shù)字字脈脈沖沖比比較較器器中中常常采采用用帶帶有有可可逆逆回回路路的的可可逆逆計計數(shù)數(shù)器器進進行行工工作作。。下下面面介介紹紹一一種種具具有有脈脈沖沖分分離離功功能能的的數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖比比較較器器。。比比較較器器的的構(gòu)構(gòu)成成原原理理圖圖如如圖圖所所示示。。3.6脈沖沖比比較較式式伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)3.6脈沖沖比比較較式式伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)用于于