第05章数控机床的伺服驱动系统.ppt

5.1 伺服驱动系统概述 5.2 开环步进式伺服驱动系统 5.3 闭环伺服驱动系统 习 题 5.1.1 数控机床对伺服系统的性能要求 进给速度范围要大，能满足低速切削和高速切削的需要。 例如：低速进给要求5mm/min，高速进给要求24m/min。 位移精度要高。包括定位精度和轮廓加工精度。 位移精度：指令脉冲要求工作台进给的位移量与工作台的实际位移量之间的符合程度（误差）。 脉冲当量越小，位移精度越高！ 跟随误差要小。即响应速度要快，跟踪精度高。 工作稳定性要好。具有抗干扰能力，运行平稳，加工精度较高。 5.1.2 伺服系统的基本组成 （1）开环控制系统：只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道控制，而没有测量实际位置输出的反馈通道。 （2）半闭环控制系统：如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角的变化，则系统变成了半闭环系统。这样，与开环系统相比，半闭环系统，提高了精度，但它检测的反馈信号来自于系统中某一个非最终输出的环节，使得系统无法对这一环节到最终控制目标之间的误差自动进行补偿。 （3）闭环控制系统：在前向控制通道的基础上在加上直接检测最终输出的反馈控制通道就形成了闭环控制的伺服系统。检测元件通常为直线感应同步器和光栅等直线行位检元件，安装在最终的移动目标工作台上。 这几种类型的控制系统的基本组成不完全相同，但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。 驱动控制单元接收进给指令，并转化为驱动执行元件所需的信号形式，执行元件则将接收到的信号转化为相应的机械位移。 开环系统的组成：驱动控制单元、执行元件（步进电机）、机床。 闭环系统的组成：驱动控制单元、执行元件（交直流伺服电机、步进电机）、检测反馈元件、比较控制环节、机床。 参见教材P183图5-1 5.1.3 伺服系统的分类 （1）按功能用途分：进给驱动和主轴驱动 （2）按伺服控制方式分：开环、闭环和半闭环 （3）按执行元件分：电液伺服驱动和电气伺服驱动（直流伺服和交流伺服） 5.2 开环步进式伺服驱动系统 开环伺服系统不设位置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程。其典型代表是步进电动机开环进给伺服系统，如下图所示。 上图中，执行元件是步进电机。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角度，称为一步，所以称为步进电机。由于它输入的是脉冲电流，也称为脉冲电机。 步进电动机具有精度高，惯性小的特点，对各种干扰因素不敏感，误差不会长期积累，转过360°以后其积累误差为0。它主要用于开环控制系统。 在开环数控系统中，数控装置发出指令脉冲通过环形分配器和功率放大器驱动步进电动机，每发出一个指令脉冲，步进电动机就转过一个角度，此角度叫做步进电动机的步距角。步进电动机通过齿轮箱、滚珠丝杠驱动工作台运动，其运动的位移量与指令脉冲数成正比，运动速度与脉冲的频率成正比。 5.2.1 步进电机的种类和结构 （1）步进电机的种类 步进电机的分类方式很多，例如按照力矩产生的原理、输出力矩的大小、定子和转子的数量、绕组的分布形式等（参见教材P184）。 按励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式、感应式和混合式等。混合式步进电动机的结构和原理具有反应式和永磁式两种电动机的特点，在同样的励磁电流下，它可以产生更大的转矩。目前这种电动机以在数控机床等领域得到了广泛的应用。反应式步进电动机应用普遍，结构也简单，是我们分析的重点对象。 （2）步进电机的特点 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电执行元件。它具有如下优点： 转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制，有脉冲就走，无脉冲则停，旋转方向由通电顺序决定。 体积小，重量轻，价格低。 驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。 精度高，惯性小，容易调试。 步进电动机的主要缺点是： 使用不当时，会引起 ； 运转时有振动和噪音； 额定转速较低，最高频率一般不超过1 kHz。 （3）反应式步进电机的结构 单段式：定子和转子在径向上，定子的磁极数一般是相数的两倍，即2p＝2m，例如三相步进电机的磁极数为6，参见教材P185图5-2。 多段式：定子和转子铁心均沿电机轴向按相数分段，参见教材