第4章伺服驱动系统.ppt

第4章伺服驱动 系统 本章概述 本章首先介绍了伺服系统的组成、工作原理和分类，其次就检侧元件这一内容重点讲了几种常用的检侧装置，最后介绍了几种常用的伺服执行元件。 教学目标 1.掌握伺服系统的组成，理解其工作原理，掌握其分类 2.知道几种常用的检侧装置。 3.明确几种常用的伺服执行元件的分类和优缺点。 第4章 数控机床的机械结构 4.1伺服系统概述 4.2 检测元件 4.3 常用伺服执行元件 4.1伺服系统概述 在数控机床中，CNC系统经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令，被输入到伺服系统，并由伺服系统经变换和功率放大转化为机床机械部件的位移。伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。 4.1.1伺服系统的组成和工作原理 数控机床伺服系统的一般结构如图4-1所示。这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环是由速度控制单元、速度检测装置、速度反馈电路等组成。其中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器及功率驭动放大器等部分组成。位置环由数控装置中位置控制模块、速度控制单元、位置检测及位置反馈电路等部分组成。位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制，轴控制是 4.1伺服系统概述 要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合，才能保证加工效率、加工精度和表面粗糙度。 图4-1中速度环中的速度检测装置(测速发电机)和速度反馈电路组成反馈回路，可实现速度恒值控制。测速发电机和伺服电动机同步旋转，若因外负载增大而使伺服电动机的转速下降，则测速发电机的转速也随之下降，经速度反馈电路，把转速变化的信号转变为电信号，传送到速度控制单元，与输入信号进行比较，比较后的差值信号经放大后，产生较大的驭动电压，使伺服电动机转速上升，恢复到开始的调定转速，从而使伺服电动机排除负载变动的干扰，维持转速恒定不变。该原理图中，由速度反馈电路送出的转速信号在速度控制单元中进行比较，而由位置反馈电路送出的位置信号则是在位置控制模块中进行比较的。比较的形式也不相同，速度比较是通过硬件电路完成的，而位置比较是通过软件实现。 4.1伺服系统概述 4.1.2伺服系统的分类 1.按使用的驱动元件分类 (1)电液伺服系统电液伺服系统的执行元件为液压元件，其前一级为电气元件。驱动元件为液动机和液压缸，常用的有电液脉冲电动机和电液伺服电动机。数控机床发展初期，多采用电液伺服系统。电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出转矩，以及刚性好、时间常数小、反应快、速度平稳等优点。然而，液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大。此外，还有噪声、漏油等问题，故从20世纪70年代起逐渐被电气伺服系统代替。只在具有特殊要求时，才采用电液伺服系统。 4.1伺服系统概述 (2)电气伺服系统电气伺服系统全部采用电子器件，操作维护方便，可靠性高。电气伺服系统中的驭动元件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题，但反应速度和低速转矩不如液压系统高。随着科学技术的发展，电动机的驭动线路及电动机的结构得到了改善，性能也大大提高。目前，电气伺服系统已在大范围内取代了液压伺服系统。 2.按进给驱动和主轴驱动分类 (1)主轴伺服系统严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。 4.1伺服系统概述 (2)进给伺服系统进给伺服系统是使一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。 此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。 3.按控制方式分类 伺服系统按控制方式可分为开环、半闭环和闭环三种。开环控制不需要位置检测及反馈，半闭环、闭环控制需要位置反馈。 4.1伺服系统概述 （1）开环伺服系统开环伺服系统就是不具有任何反馈装置的伺服系统。这种系统通常用步进电动机作为执行机构。数控装置根据所要求的进给速度和进给位移，输出一定频率和数量的进给指令脉冲，经过驭动电路放大后，每一个进给脉冲驭动步进电动机旋转一个步距角，再经过传动系统转换成工作台的一个当量位移。由于步进电动机及驭动电路本身结构的缘故，