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数控机床的伺服系统教学课件PPT汇总
第5章 数控机床的伺服系统 §5-1 概 述 伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置或部件,是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统。 在CNC机床中,伺服系统接收数控装置发出的速度控制量和进给位移量,经转换和放大,驱动工作台以指定的速度移动到指定位置。 一、伺服系统的分类 1.按控制对象和使用目的分类 (1)进给驱动 控制机床各坐标轴的切削进给运动。包括速度控制和位置控制。 (2)主轴驱动 主要控制机床主轴在切削过程中的速度。对于有C轴功能的机床主轴,也需要位置控制。 (3)辅助驱动 控制刀库、料库等辅助系统,多采用简易的位置控制。 2.按伺服系统的结构分类 (1)开环伺服系统 无位置反馈的系统,驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达。特点是结构简单,易于控制,但精度差,低速不平稳,高速扭矩小。 (2)闭环伺服系统 由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件、工作台、检测装置组成。特点是反馈测量装置精度高,所以各种误差都可以得到补偿,提高了跟随精度和定位精度。 (3)半闭环伺服系统 检测装置安装在驱动元件或中间传动部件的轴上,因此是间接测量。目前数控设备大多数使用半闭环伺服系统。 二、对伺服系统的要求 1.对机床进给伺服系统的要求 (1)高精度 (2)稳定性好 (3)快速响应 (4)电机调速范围宽 (5)低速大转矩 (6)可靠性高 2.对主轴伺服系统的要求 主轴伺服系统一般为速度控制系统,除前面的一般要求外,还具有下面的控制功能。 (1)主轴与进给驱动的同步控制 (2)准停控制 (3)角度分度控制 另外,对伺服系统的执行元件—伺服电机也相应提出高精度、快反应、宽调速和大转矩等要求。 三、伺服系统的发展过程 第一阶段:20世纪70年代以前,以电液伺服系统和步进伺服系统为主。 第二阶段:20世纪70~80年代中期,直流伺服逐渐占据主导地位。 第三阶段:80年代以后,由于交流伺服电机的结构、控制理论及控制方法均有突破性的进展。交流伺服系统得到迅速发展。 §5-2 步进电机伺服系统 一、步进电机工作原理及种类 1.步进电动机的工作原理 步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。即当某相定子激磁后,它吸引转子,使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。 当A相绕组通直流电时→AA相产生磁场→吸引转子使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐→A断电→B通电→转子的齿与BB磁极上的齿对齐→B断电→C通电……… 此方式称为三相三拍,步距角为60°。 步距角:步进电机绕组的通电状态每改变一次,其转子转过的角度。 定子不变,转子变为四个磁极。 则: 当三相三拍时,步距角为30° 当三相六拍时,步距角为15° 实际步进电机定子和转子齿数很多,齿数越多步距角越小。但定子各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1/m(m为电机相数)。 可以得到如下结论: (1)步进电机的步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关,可用下式表示: 式中,m相m拍时,k=1; m相2m拍时,k=2; α一般为0.75°~3°。 (2)改变步进电机定子绕组的通电顺序,转子的旋转方向也随之改变。 (3)通电状态的变化频率越高,转子的转速越高。 2.步进电机的分类 根据磁场建立方式,可分为以下三种: (1)反应式步进电动机 定子、转子铁芯都用软磁材料制造,定位精度可以做得很高、步矩角可以较小。工作时完全靠磁阻的变化产生工作转矩。此类步进电机一旦断电就完全失去工作力矩。 (2)永磁式步进电动机 定子、转子铁芯的其中之一以永磁材料制造(大多数是转子),另一件用软磁材料。 (3)混合式步进电动机 是反应式与永磁式步进电动机的混合,它可以实现断电以后获得一定数量的剩余转矩,还可以使步距角很小。 二、步进电动机的主要特性 1.静态矩角特性和最大静转矩 当步进电动机在某相通电时,在电机轴上施加一个负载转矩,转子会转过一个角度θ,转子受一个电磁转矩T作用与负载平衡,该电磁转矩T称为静态转矩,该角度θ称为失调角。 静态转矩随失调角的变化曲线称为矩角特性,曲线上电磁转矩最大值称为最大静转矩。 2.最高空载起动频率 在空载条件下,步进电动机能够正常起动可以施加的最高脉冲频率。起动时指令脉冲频率应小于起动频率,否则将产生失步。步进电动机在带负载下的起动频率比空载要低。 3.最高空载运行频率 在空载条件下,步进电动机进入正常工作状态后,能够维持不丢步运行的最高频率。它通常是最高起动频率的4~10倍。 4.运行矩频特性 是描述步进电动机在连续运行时,输出转矩与连续运行频率之间的关系。它是衡量步进电机运转时承载能力的动态指标。 三、步进电动机的基本工作状态 步进电动机的基本工作状态可分为静态、稳态、过渡状态三种。 1.静态 是指步进电动机某相通
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