第六章 数控机床伺服驱动系统.ppt

第六章 数控机床的伺服驱动与监测 第一节 概述 一、伺服系统的概念 数控机床伺服系统是以机械位移为直节控制目标的自动控制系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。数控机床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，它控制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。本章只介绍第一种伺服系统。 CNC装置是数控机床发布命令的“大脑”，而伺服驱动则为数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它能夠准确的执行来自CNC装置的运动指令。驱动装置由驱动部件和速度控制单元组成。驱动部件由交流或直流电动机、位置监测元件及相关的机械传动和运动部件组成。 伺服系统的控制方法主要分为开环、闭环和半闭环三种控制方法。它实际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式。 开环控制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。由步进电动机直接驱动滚珠丝杆副的结构就是开环控制系统的实例。它的结构简单、调整维护方便、工作可靠、成本低，但每一指令脉冲的进给误差、传动链的误差间隙、导轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终都反映到实际位移中去，使得定位精度较低。此外，它的速度低，低速平稳性差，效率也较低。 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。 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。 伺服驱动系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。数控机床的最高移动速度，跟踪速度，定位精度等重要的指标都取决于伺服系统的动态和静态特性。它一直是数控机床研究的重要课题之一。 二、进给伺服系统的要求 数控机床完成各种不同的加工任务，对进给伺服系统的要求也不尽相同，可概括为以下几点要求。 1.精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。直接影响机的定位精度和重复定位精度，因而对零件的加工精度影响很大。精密加工的数控机床要求定位和轮廓切削精度都比较高，一般允许偏差在0.01~0.001mm之间，甚至到0.1um。 2.调速范围宽 调速范围Rn为 Rn=nmax/nmin 式中nmax 、nmin ——额定负载时的最高、最低转速，单位为r/min。 对一般的数控机床而言，进给伺服系统的调速范围Rn为1:24000就足够了，即在1~24000mm/min调速范围内速度能够均衡、稳定、无爬行地工作。较为先进的机床可以获得更大的调速范围。 3.快速响应 为了保证轮廓切削形状精度和表面粗糙度，除了保证较高的定位精度外，还要求跟踪指令信号响应快，一般在200ms以内，甚至小于几十ms。 4.低速大转矩 切削加工的特点一般是在低速时进行重切削。为适应加工要求对伺服系统要求低速大转矩。系统具有这一特性，可以简化传动链，使传动装置机械结构得道简化系统刚性加强，使传动装置的动态质量和传动精度得到提高。 4.高性能的伺服电动机 伺服电动机是伺服系统的重要驱动元件。为满足上述要求，对伺服电动机的要求应该是：从最低速度到最高速度能平滑运转，具有大的、较长时间的过载能力、响应快，还要求能承受平凡的启动、制动和反转。 进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机，直流和交流调速电动机。交流调速电动机是机床进给驱动的一个方向。自80年代中期开始，交流进给驱动得到了迅速的发展。今天，一些先进的国家几乎全部采用交流进给驱动。交流调速电动机是以异步电动机和永磁同步电动机为基础的交流电动机，而所采用的异步电动机多为批量生产的普通结构形式的异步电动机，可以预见，交流调速电动机将是最有发展前途的进给驱动装置。 第二节 步进电动机的驱动与应用 步进电动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，所以称为步进电动机。有由于它输入的是脉冲电流，也称为脉冲电动机。 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，使系统的结构简单、运行可靠，也可用于闭环控制系统。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