第四章 数控机床伺服系统.ppt

第四章 数控机床的伺服系统第一节概 述 一、伺服系统及数控机床对其要求 １数控机床的伺服系统的现状 数控机床的伺服系统是数控机床的数控系统与机床本体的联系环节。它的主要功用是接受来自数控系统的指令信息，按其要求来驱动机床的移动部件运动，以加工出符合图纸要求的零件。伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件和末端执行件等组成。对于闭环和半闭环控制系统还包括检测反馈环节。常用驱动元件主要是各种伺服电机。目前，在小型和经济型数控机床上还使用步进电机，中高档数控机床大多采用直流伺服电机和交流伺服电机。高精度数控机床己采用交流数字伺服系统，伺服电机的位置、速度等都已实现了数字化，并采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服系统。 ２数控机床的伺服系统应满足的基本要求： 　伺服系统是数控机床的重要组成部分之一。其动态响应和伺服精度是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的主要因素。 　因此，数控机床的伺服系统应满足以下基本要求： （l）精度高　数控系统每发出一个进给指令脉冲，伺服系统就将其转化为相应的位移量，通常称为脉冲当量。脉冲当量越小，机床的精度越高。一般地脉冲当量为0.01mm～0.001mm。 （２）快速响应特性好 　快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。一般是在200ms以内，甚至小于几十毫秒。 （3）调速范围要大　调速范围一般大于1：10000。而且在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转矩。 （4）系统可靠性要好　系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间。 二、伺服系统的类型 数控机床的伺服系统，通常按其控制方式进行分类，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。 １开环伺服系统 2．闭环伺服系统 3．半闭环伺服系统 　　　　　　　　第二节　常用驱动元件 驱动元件是伺服系统的关键部件，对系统的特性有极大的影响，它的发展和进步是推动数控机床发展的重要因素。驱动元件的发展大致分为以下几个阶段： 50年代，采用步进电机。目前只应用于经济型数控机床。 60～70年代，采用步进电机和电液伺服电机。现已基本不用。 70～80年代，采用直流伺服电机，目前在我国广泛使用。 80年代以后，采用交流伺服电机，是比较理想的驱动元件。 一、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特殊电机。步进电机的转子上无绕组且制有若干个均匀分布的齿，在定子上有励磁绕阻。当有脉冲输入时，转子就转过一个固定的角度，其角位移量与输入脉冲个数严格地成正比，在时间上也与输入脉冲同步。当无脉冲时，在绕组电源的激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置不变而处于定位状态。 （一）步进电机的分类 １按其运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动式和滚切运动式。 ２按其励磁相数 可分为三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机等； ３按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机； ４按其工作原理分：有磁电式、反应式（磁阻式）、永磁感应式步进电机等； ５按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机； ６按结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）等。 （二）步进电机工作原理 　尽管步进电机种类很多，其基本原理实质都是一致的。现以三相反应式步进电机为例，说明其工作原理:在步进电机定子上有三对磁极，上面绕有励磁绕组，分别称为A相、B相和C相。转子上带有等距小齿（图中有四个齿）,如果先将A相加上电脉冲，则有： 如果将B相加上电脉冲，则有： 如果再将C相加上 电脉冲，则有： 　这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循环，称为三相单三拍通电方式。由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电机失去自锁力，容易造成失步。为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，其通电方式及通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…或者A→AC→C→CB→B→BA→A … 这种通电方式当由A相通电转为AB相共同通电时，转子磁极将同时受到A相与B相的吸引，它就停在AB两相磁极中间，这时它转过的角度是15　。这种通电方式在切换时，始终有一相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续运行频率等特性。 　显然，通入脉冲频率越高，电机的转速就越高，且电机每步转过的角度越小，所能达到的位置精度也越高。 （三）步进电机的主要特性参数 （１）步距角 步进电机每接受一个脉冲，转子所转过的角度，称为步距角。它是决定开环伺 服系统脉冲当量的重要参数。 　　　　　　　α＝360 ／mkz 式中α—— 步距角；