《機床數(shù)控技術 第2版》課件 第5章數(shù)控機床伺服系統(tǒng)

第5章

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，它的高性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的高效率、高精度。為此，數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的伺服電動機、檢測裝置、位置控制、速度控制等方面都有很高的要求。學習和研究高性能的數(shù)控機床伺服系統(tǒng)一直是掌握現(xiàn)代數(shù)控技術的關鍵之一。5.1

概

述

伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)通常是指各坐標軸的進給伺服系統(tǒng)，它是數(shù)控裝置和機床機械傳動部件間的連接環(huán)節(jié)，它把數(shù)控系統(tǒng)插補運算生成的位置指令，精確地變換為機床移動部件的位移，直接反映了機床坐標軸跟蹤運動指令和實際定位的性能。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求有：1）高精度；2）穩(wěn)定性好；3）響應速度快，無超調；4）電機調速范圍寬；5）低速大轉矩；6）可靠性高5.2

驅動電動機

驅動電動機是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。用于驅動數(shù)控機床各坐標軸進給運動的稱為進給電動機；用于驅動機床主運動的稱為主軸電動機。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要采用步進電動機。伺服電動機通常用于閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。伺服電動機又分直流伺服電動機和交流伺服電動機，直流伺服電動機在上世紀70~80年代中期在數(shù)控機床上的應用較多。5.2.1

步進電動機

步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移或線位移的電磁裝置。對步進電動機施加一個電脈沖信號時，它就旋轉一個固定的角度，通常把它稱為一步，每一步所轉過的角度叫做步距角。步距角的計算公式為

式中

——步距角；

——轉子齒數(shù)；

m——定子的相數(shù)；

k——拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。如三相三拍時，k=1；三相六拍時，k=2。1.步進電動機工作原理步進電動機是采用定子與轉子間電磁吸合原理工作，根據(jù)磁場建立方式，主要分為反應式和永磁反應式（也稱混合式）兩類。反應式步進電動機的轉子無繞組，由被勵磁的定子繞組產生反應力矩實現(xiàn)步進運行；混合式步進電動機的轉子用永久磁鋼，由勵磁和永磁產生的電磁力矩實現(xiàn)步進運行。按輸出力矩大小分為伺服式和功率式步進電動機。伺服式只能驅動較小的負載，功率式可以直接驅動較大的負載。2.步進電動機特點(1)步進電動機受脈沖的控制，其轉子的角位移和轉速與輸入脈沖的數(shù)量和頻率成正比，沒有累積誤差?？刂戚斎氲拿}沖數(shù)就能控制其位移量；改變通電頻率可改變其轉速。(2)當停止送入脈沖，只要維持控制繞組的電流不變，電動機便停在某一位置上不動，不需要機械制動。(3)改變通電順序可改變步進電動機的旋轉方向。(4)步進電動機的缺點是效率低，拖動負載的能力不大，脈沖當量(步距角)不能太小，調速范圍不大，最高輸入脈沖頻率一般不超過18kHz。3.步進電動機的主要特性(1)步矩誤差。一轉內各實際步距角與理論值之間誤差的最大值稱為步距誤差。(2)靜態(tài)矩角特性。當步進電動機不改變通電狀態(tài)時，轉子處于不動狀態(tài)。(3)啟動頻率?？蛰d時，步進電動機由靜止突然啟動不丟步地進入正常運行狀態(tài)所允許的最高啟動頻率稱為啟動頻率或突跳頻率。(4)連續(xù)運行頻率。步進電動機啟動以后其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率，在實際運用中，連續(xù)運行頻率比啟動頻率高得多。(5)矩頻特性。矩頻特性是描述步進電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出的最大轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系曲線，如圖5.5所示。(6)加減速特性。步進電動機的加減速特性用于描述步進電動機由靜止到工作頻率或由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的頻率變化與時間的關系，如圖5.6所示。圖5.5步進電機的矩頻特性圖5.6步進電機的加減速特性5.2.2

伺服電動機

伺服電動機具有服從控制信號要求而動作的性能，在信號來到之前，轉子靜止不動；信號來到之后，轉子立即轉動；當信號消失，轉子立即停轉。因此有“伺服”性而得名。伺服電動機分直流伺服電動機和交流伺服電動機，直流伺服電動機又分小慣量直流伺服電動機和大慣量寬調速直流伺服電動機，由于小慣量直流電機最大限度地減小電樞的轉動慣量，所以能獲得最快的響應速度，在早期的數(shù)控機床上應用得較多。1.永磁直流伺服電動機大慣量寬調速直流伺服電動機分電勵磁和永久磁鐵勵磁兩種，但占主導地位的是永久磁鐵勵磁(永磁)直流伺服電動機。（1）永磁直流伺服電動機的基本結構永磁直流伺服電動機的結構與普通直流電動機基本相同，主要由定子、轉子、電刷與換向片與檢測元件等組成，如圖所示。圖5.7永磁直流伺服電動機結構示意圖和外觀圖1—檢測元件2—軸承3—電刷4—換向片5—定子6—轉子7—線圈（2）永磁直流伺服電動機的工作原理如圖所示，當電樞繞組通以直流電時，在定子磁場作用下產生電動機的電磁轉矩，電刷與換向片保證電動機所產生的電磁轉矩方向恒定，從而使轉子沿固定方向均勻地帶動負載連續(xù)旋轉。只要電樞繞組斷電，電動機立即停轉，不會出現(xiàn)“自轉”現(xiàn)象。2.永磁交流伺服電動機永磁交流伺服電動機屬于同步交流伺服電動機，具有響應快、控制簡單的特點，因而被廣泛應用于數(shù)控機床。（1）永磁交流伺服電動機的結構如圖5.11和圖5.12所示，永磁交流伺服電動機主要由三部分組成：定子、轉子和檢測元件。圖5.11永磁交流伺服電動機橫剖面1—定子2—永久磁鐵3—軸向通風孔

4—轉軸圖5.12永磁交流伺服電動機縱剖面1—定子2—轉子3—壓板4—定子三相繞組5—脈沖編碼器

6—出線盒

轉子由多塊永久磁鐵和轉子鐵心組成。此結構氣隙磁密度較高，極數(shù)較多，同一種鐵心和相同的磁鐵塊數(shù)可以裝成不同的極數(shù)，如圖所示。1—鐵心2—永久磁鐵3—非磁性套筒

轉子結構上，還有一類稱有極靴星形轉子，如圖5.15所示，這種轉子可采用矩形磁鐵或整體星形磁鐵構成。圖5.15有極靴星形轉子1—極靴2—籠條3—永久磁鐵4—轉子軛5—轉軸2)工作原理如圖所示，以一個二極永磁轉子為例，電樞繞組為三相對稱繞組，當通以三相對稱電流時，定子的合成磁場為一旋轉磁場，圖中用一對旋轉磁極表示，該旋轉磁極以同步轉速ns旋轉。由于磁極同性相斥，異性相吸，定子旋轉磁極與轉子的永磁磁極互相吸引，帶動轉子一起旋轉，因此轉子也將以同步轉速ns與旋轉磁場一起旋轉。當轉子加上負載轉矩之后，轉子磁極軸線將落后定子磁場軸線一個θ角，隨著負載增加，θ角也隨之增大，負載減小時，θ角也減小，只要負載不超過一定限度，轉子始終跟著定子的旋轉磁場以恒定的同步轉速ns旋轉。轉子速度n為式中

f——交流供電電源頻率（定子供電頻率）（Hz）；p——定子和轉子的磁極對數(shù)。

交流伺服電動機的機械特性曲線如圖5.17所示。在連續(xù)工作區(qū)，轉速和轉矩的任何組合都可連續(xù)工作；在斷續(xù)工作區(qū)，電動機可間斷運行。圖5.17永磁交流伺服電動機機械特性5.2.3

直線電動機

1.直線電動機的結構和原理直線電動機的類別不一樣，工作原理也不盡相同。交流異步原理是直線電動機的基本形式。直線電動機的結構如圖5.18所示，在一個有槽的矩形初級部件中鑲嵌三相繞組(相當于異步電動機的定子)，在板狀次級部件中鑲嵌短路棒(相當于異步電動機的籠型轉子)。圖5.18直線電動機的結構示意圖和外觀圖1—直線位移檢測裝置2—測量部件3—初級繞組4—次級繞組2.直線電動機的特性(1)直線電動機所產生的力直接作用于移動部件，因此省去了滾珠絲杠和螺母等機械傳動環(huán)節(jié)，可以減小傳動系統(tǒng)的慣性，提高系統(tǒng)的運動速度、加速度和精度，避免振動的產生。(2)由于動態(tài)性能好，可以獲得較高的運動精度。(3)如果采用拼裝的次級部件，還可以實現(xiàn)很長的直線運動距離。(4)運動功率的傳遞是非接觸的，沒有機械磨損。5.3數(shù)控機床常用檢測裝置

5.3.1概述在閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，位置控制是指將數(shù)控系統(tǒng)插補計算的理論值與實際值的檢測值相比較，用二者的差值去控制進給伺服電動機，使工作臺或刀架運動到指令位置。實際值的采集，則需要位置檢測裝置來完成。1.直接測量和間接測量2.增量式測量和絕對式測量3.數(shù)字式測量和模擬式測量5.3.2

旋轉編碼器

旋轉編碼器通常有增量式和絕對式兩種類型。它通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉動，將被測軸的角位移轉換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。1.增量式旋轉編碼器常用的增量式旋轉編碼器為增量式光電編碼器，如圖5.19所示。光電編碼器由帶聚光鏡的發(fā)光二極管(LED)、光欄板、光電碼盤、光敏元件及信號處理電路組成。圖5.19增量式光電編碼器結構示意圖及外觀圖1—轉軸2—發(fā)光二極管3—光欄板4—零標志5—光敏元件6—光電碼盤7—印制電路板8—電源及信號連接座2.絕對式旋轉編碼器下面以接觸式碼盤和絕對式光電碼盤分別介紹絕對式旋轉編碼器測量原理。(1)接觸式碼盤。圖5.21所示為接觸式碼盤示意圖。圖5.21(b)為4位BCD（Binary-CodedDecimal?）碼盤。它是在一個不導電基體上做出許多金屬區(qū)使其導電，其中涂黑部分為導電區(qū)，用“1”表示，其它部分為絕緣區(qū)，用“0”表示。這樣，在每一個徑向上，都有由“1”、“0”組成的二進制代碼。圖5.21接觸式碼盤(2)絕對式光電碼盤。絕對式光電碼盤與接觸式碼盤結構相似，只是其中的黑白區(qū)域不表示導電區(qū)和絕緣區(qū)，而是表示透光區(qū)和不透光區(qū)。圖5.22為8碼道光電碼盤示意圖。圖5.22絕對式光電碼盤3.編碼器在數(shù)控機床中的應用(1)位移測量。在數(shù)控機床中編碼器和伺服電動機同軸連接或連接在滾珠絲杠末端用于工作臺和刀架的直線位移測量。(2)主軸控制。當數(shù)控車床主軸安裝編碼器后，則該主軸具有C軸插補功能，可實現(xiàn)主軸旋轉與z坐標軸進給的同步控制；恒線速切削控制，即隨著刀具的徑向進給及切削直徑的逐漸減小或增大，通過提高或降低主軸轉速，保持切削線速度不變；主軸定向控制等。(3)測速。光電編碼器輸出脈沖的頻率與其轉速成正比，因此，光電編碼器可代替測速發(fā)電機的模擬測速而成為數(shù)字測速裝置。(4)編碼器應用于交流伺服電動機控制中，用于轉子位置和速度檢測，提供位置反饋和速度反饋信號。(5)零標志脈沖用于回參考點控制。數(shù)控機床采用增量式的位置檢測裝置時，在接通電源后要先作回參考點的操作。返回參考點是否正確與檢測裝置中的零標志有很大的關系。5.3.3

旋轉變壓器

旋轉變壓器是利用當變壓器的一次側外施以交流電壓勵磁時，其二次側的輸出電壓將與轉子轉角嚴格保持某種函數(shù)關系的一種模擬式角度測量元件，一般用于精度要求不高的機床上進行角度測量。1.工作原理實際應用的旋轉變壓器為正、余弦旋轉變壓器，其定子和轉子各有相互垂直的兩個繞組，如圖所示為正、余弦旋轉變壓器原理圖。2.旋轉變壓器結構從轉子感應電壓的輸出方式來看，旋轉變壓器分為有刷和無刷兩種類型。在有刷結構中，轉子繞組的端點通過電刷和滑環(huán)引出。目前數(shù)控機床常用的是無刷旋轉變壓器，其結構如圖所示。圖5.24無刷旋轉變壓器結構示意圖及外觀圖1—殼體2—轉子軸3—旋轉變壓器定子4—旋轉變壓器轉子5—變壓器定子6—變壓器轉子7—變壓器一次繞組8—變壓器二次繞組5.3.4感應同步器

1.感應同步器的結構和原理感應同步器也是一種電磁式位置檢測傳感器，主要部件由定尺和滑尺組成，它廣泛應用于數(shù)控機床中。圖5.25所示為直線式感應同步器結構示意圖。圖5.25直線式感應同步器結構示意圖1—定部件（床身）2—運動部件（工作臺或刀架）3—定尺繞組引線4—定尺座5—防護罩6—滑尺7—滑尺座

8—滑尺繞組引線9—調整墊10—定尺11—正弦勵磁繞組12—余弦勵磁繞組2.感應同步器的特點1)精度高。因為定尺的節(jié)距誤差有平均補償作用，所以尺子本身的精度能做得較高。直線式感應同步器對機床位移的測量是直接測量，不經過任何機械傳動裝置，測量精度取決于尺子的精度。2)測量長度不受限制。當測量長度大于50mm時，可以采用多塊定尺接長的方法進行測量。3)對環(huán)境的適應性較強。因為感應同步器定尺和滑尺的繞組是在基板上用光學腐蝕方法制成的銅箔鋸齒形的印制電路繞組，銅箔與基板之間有一層極薄的絕緣層。4)維修簡單、壽命長。感應同步器的定尺和滑尺互不接觸，因此無任何摩擦、磨損，使用壽命長，不怕灰塵、油污及沖擊振動。5)工藝性好，成本較低，便于成批生產。5.3.5

光柵尺

光柵尺(又稱光柵)是一種高精度的直線位移傳感器，是數(shù)控機床閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的測量裝置。由光源、聚光鏡、標尺光柵(長光柵)、指示光柵(短光柵)和硅光電池等光敏元件組成。光柵尺外觀圖如所示。1—光柵尺2—掃描頭3—電纜

數(shù)控機床中用于直線位移檢測的光柵尺有透射光柵和反射光柵兩大類，如圖所示。在玻璃表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱透射光柵；在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱為反射光柵。1—光敏元件2、4—透鏡3—狹縫5—光源G1—標尺光柵G2—指示光柵

光柵尺上相鄰兩條光柵線紋間的距離稱為柵距或節(jié)距

，線密度是指每毫米長度上的線紋數(shù)，用k表示，則=1/k。安裝時，要求標尺光柵和指示光柵相互平行，它們之間有0.05mm～0.1mm的間隙，并且其線紋相互偏斜一個很小的角度θ，兩光柵線紋相交，形成透光和不透光的菱形條紋。在相交處出現(xiàn)的黑色條紋，稱為莫爾條紋。（a）莫爾條紋形成原理

（b）莫爾條紋放大原理

光柵尺輸出有兩種：一種是正弦波信號，一種是方波信號。正弦波輸出有電流型和電壓型，對正弦波輸出信號需經差動放大、整形后得到脈沖信號。下圖所示為HEIDENHAIN光柵電流型輸出信號經5倍頻處理后的信號波形。(a)正弦測量信號(b)整形后的測量信號(c)5倍頻處理后的測量信號5.3.6

磁柵

磁柵是一種計算磁波數(shù)目的位置檢測元件。它由磁性標尺、磁頭和檢測電路組成。按其結構分為直線形和圓形磁柵，分別用于直線位移和角位移的檢測。1.磁性標尺磁性標尺通常采用熱脹系數(shù)與普通鋼相同的不導磁材料做基體，在基體上鍍上一層10～30厚的高導磁性材料，形成均勻磁膜。如圖所示。2.拾磁磁頭拾磁磁頭是一種磁電轉換器，用來把磁性標尺上的磁化信號檢測出來變成電信號送給檢測電路。根據(jù)數(shù)控機床的要求，為了在低速運動和靜止時也能進行位置檢測，必須采用磁通響應型磁頭，如圖所示。5.4

位置控制和速度控制

位置控制和速度控制是數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。位置控制根據(jù)計算機插補運算得到的位置指令，與位置檢測裝置反饋來的機床坐標軸的實際位置相比較，形成位置偏差，經變換得到速度給定電壓。速度控制單元根據(jù)位置控制輸出的速度電壓信號和速度檢測裝置反饋的實際轉速對伺服電動機進行控制，以驅動機床傳動部件。5.4.1

位置控制從理論上來說，位置控制的類型可以有很多，但目前在數(shù)控機床位置進給控制中，為了加工出光滑的零件表面，不允許出現(xiàn)位置超調，采用“比例型”和“比例加前饋型”的位置控制器，可以較容易地達到上述要求。就閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)而言，位置控制的實質是位置隨動控制，其控制原理如圖所示。1.脈沖比較法組成脈沖比較器由可加減的可逆計數(shù)器和脈沖分離器組成，如圖所示。它是將脈沖信號PC與反饋的脈沖信號Pf相比較，得到脈沖偏差信號Pe。2．脈沖比較法原理當數(shù)控系統(tǒng)要求工作臺向一個方向進給時，經插補運算得到一系列進給脈沖作為指令脈沖，其數(shù)量代表了工作臺的指令進給量，頻率代表了工作臺的進給速度，方向代表了工作臺的進給方向。以增量式光電編碼器為例，隨著伺服電動機的轉動，光電編碼器產生序列脈沖輸出，脈沖的頻率將隨著電動機轉速的快慢而升降。5.4.2

速度控制

速度控制也稱驅動裝置。數(shù)控機床中的驅動裝置又因驅動電動機的不同而不同。步進電動機的驅動裝置有高低壓切換、恒流斬波等。直流伺服電動機的驅動裝置有脈寬調制(PWM)、晶閘管(SCR)控制。交流伺服電動機的驅動裝置有他控變頻控制和自控變頻控制。1.步進電動機驅動裝置由前述可知，步進電動機采用的是脈沖控制方式。只要控制步進電動機指令脈沖的數(shù)量即可控制工作臺移動的位移量，控制其指令脈沖的頻率即可實現(xiàn)工作臺移動速度的控制。1)環(huán)形分配環(huán)形分配用于控制步進電動機的通電方式，其作用就是將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖按一定的順序和分配方式控制各相繞組的通、斷電。如圖所示。

實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種：一種是由包括在驅動裝置內部的環(huán)形分配器實現(xiàn)，稱為硬件環(huán)形分配。兩種環(huán)形分配驅動與數(shù)控裝置的連接如圖5.39和5.40所示。圖5.39硬件環(huán)形分配驅動與數(shù)控裝置的連接圖5.40軟件環(huán)形分配驅動與數(shù)控裝置的連接2)驅動電路驅動電路的主要作用是對控制脈沖進行功率放大，以使步進電動機獲得足夠大的功率驅動負載運行。步進電動機常采用高、低壓雙電壓驅動。恒流斬波驅動電源也稱電流驅動電源。圖5.41所示為恒流斬波驅動電源電路及波形圖。圖5.41恒流斬波電源電路及波形2.直流伺服電動機驅動裝置直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調速性能，可很方便地在較寬范圍內實現(xiàn)平滑無級調速，所以在調速性能要求較高的生產設備中常采用直流伺服驅動。PWM基本原理如圖5.42所示。（a）原理圖

（b）控制電壓、電樞電壓和電流的波形圖5.42PWM脈寬調制原理圖若脈沖的周期固定為T，在一個周期內高電平持續(xù)的時間（導通時間）為Ton，高電平持續(xù)的時間與脈沖周期的比值稱為占空比λ，則圖中直流電機電壓的平均值為：1）PWM系統(tǒng)的組成原理圖5.43為PWM系統(tǒng)組成原理圖。該系統(tǒng)由控制部分、功率晶體管放大器和全波整流器三部分組成?？刂撇糠职ㄋ俣日{節(jié)器、電流調節(jié)器、固定頻率振蕩器、三角波發(fā)生器、脈寬調制器和基極驅動電路。圖5.43PWM系統(tǒng)原理2）晶體管脈寬調制器脈寬調制器的作用是將電壓量轉換成可由控制信號調節(jié)的矩形脈沖，即為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調節(jié)且與之成比例的脈寬電壓。在PWM調速系統(tǒng)中，電壓量為電流調節(jié)器輸出的直流電壓量，該電壓量是由系統(tǒng)插補器輸出的速度指令轉化而來。經過脈寬調制器變?yōu)橹芷诠潭?、脈寬可變的脈沖信號，脈沖寬度的變化隨著速度指令而變化。由于脈沖周期不變，脈沖寬度的改變將使脈沖平均電壓改變。3.