數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

1、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200 ms以內(nèi)。 3） 穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性直接

2、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),從控制的角度來說，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）具有較大較長時(shí)間的過載能力 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)

3、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)。,6-2 步進(jìn)電機(jī)及開環(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)拍與通電

4、方式 在一個(gè)完整的通斷電循環(huán)中，繞組通電狀態(tài)的不同組合數(shù)稱為運(yùn)行拍數(shù)。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。通電方式： ABCA；ABBCCAAB；AABBBCCCAA 3 徑向分相式與軸向分相式 4 步距角 s =360/mPN P 運(yùn)行節(jié)拍與相數(shù)的比例， N轉(zhuǎn)子齒數(shù) m相數(shù) 。,三 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制,1 轉(zhuǎn)向控制 2 速度大小控制 控制步進(jìn)電機(jī)相鄰兩種勵(lì)磁狀態(tài)之間的時(shí)間，就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度控制。V=60f 式中f 輸入到步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率Hz，脈沖當(dāng)量mm/脈沖，V 單位 mm/min 3 自動(dòng)升降速控制,當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升；同樣，從最高工作頻率或高干

5、突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降。,四 步進(jìn)電機(jī)特性與選用,1 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 2 主要技術(shù)特性 （1）步距角及其誤差（不大于10） s =360/mPN P 運(yùn)行節(jié)拍與相數(shù)的比例， N轉(zhuǎn)子齒數(shù) m相數(shù),（2）矩角特性與最大靜轉(zhuǎn)矩,（3）啟動(dòng)頻率,（4）連續(xù)運(yùn)行頻率（5）矩頻特性,3.選用,（1）選定類型 （2）確定脈沖當(dāng)量 （3）計(jì)算齒輪傳動(dòng)比 （L為絲杠螺距、m一轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)） （4）確定高速運(yùn)行的輸出扭矩（大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并留余量） （5）確定電機(jī)啟動(dòng)頻率,計(jì)算機(jī)三相六拍環(huán)形分配表（查表法）,6-2 直流、交流伺服驅(qū)動(dòng) （閉環(huán)控制系統(tǒng)）,閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件為直流、交流伺

6、服電機(jī)。 一 直流伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，在以往的數(shù)控機(jī)床上得到廣泛使用。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷兩種基本類型。有刷直流伺服電機(jī)通常采用永久磁鐵做定子。而無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，定子為電樞。,1. 直流伺服電機(jī)的工作原理 直流伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理與一般的直流電機(jī)相同，所不同的是為了滿足快速響應(yīng)的要求，從結(jié)構(gòu)上做得細(xì)長一些。,直流伺服電機(jī)工作原理圖,2. 直流電機(jī)的輸出特性,直流電機(jī)的電樞電路： R+E=U E=Ken T-Tf=Jdn/dt 當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) T=Tf T=KT = KT(U E)/R= KT(U Ken)/ R,M,Ua,Ea,Ia,機(jī)械特性和調(diào)速特

7、性,二 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,1 可控硅調(diào)速電路(SCR) 采用三相全控橋式整流電路 ，通過對(duì)12個(gè)晶閘管觸發(fā)角的控制，達(dá)到控制電機(jī)電樞電壓的目的。,2 脈寬調(diào)制PWM 調(diào)速電路,UAB=USt1-(T-t1) US/T=(2t1/T -1) US=(2 -1) US = 0.5 UAB=0 電機(jī)不轉(zhuǎn) 0.5 UAB0 電機(jī)正轉(zhuǎn) 0.5 UAB0 電機(jī)反轉(zhuǎn),3直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),速度調(diào)節(jié),電流調(diào)節(jié),功率放大,M,TG,電流反饋,速度反饋,三. 交流伺服電動(dòng)機(jī),直流伺服電機(jī)存在機(jī)械整流子、電刷維護(hù)困難，造價(jià)高，壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制的缺點(diǎn)。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐用可靠，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)調(diào)速技術(shù)日益成熟。 用三相交流電驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)叫AC伺服電機(jī)。AC伺服電機(jī)按工作原理劃分為：永磁同步型；異步感應(yīng)型。,1. 永磁同步型AC伺服電機(jī),永磁同步型AC伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，定子裝有三相對(duì)稱繞組，通入三相對(duì)稱、相位相差120的交流電，可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,多極永磁同步型AC伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n=n1=60f/p p磁極對(duì)數(shù)，f電源頻率。,2 AC伺服電機(jī)SPWM調(diào)速,永磁同步型AC伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率存在嚴(yán)格的關(guān)系。因