第六章数控机床的伺服系统优秀PPT.ppt

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1、第六章数控机床的伺服系统第一页，本课件共有48页第六章第六章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 开环步进伺服系统开环步进伺服系统第三节第三节 数控机床的检测装置数控机床的检测装置第四节第四节 闭环伺服系统闭环伺服系统第二页，本课件共有48页 数控伺服系统数控伺服系统是指以机床运动部件是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等如工作台、主轴和刀具等)的的位置和速度位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控伺服系统的作用数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经在于接受来自数控装置的进给脉冲

2、信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。动，并保证动作的快速性和准确性。伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。一。第一节 概述第三页，本课件共有48页伺服系统的主要功能伺服系统的主要功能

3、:从数控系统接收微小的电控信从数控系统接收微小的电控信号（号（5V5V左右，左右，mAmA级），放大成强电的驱动信号（几十、级），放大成强电的驱动信号（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行元件上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行元件伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加工出所需工件的外形动的速度控制和位置

4、控制，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。和尺寸的最终目标。第四页，本课件共有48页数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动第一节 概述C CN NC C装装置置伺伺服服驱驱动动器器伺伺服服电电机机数数控控机机床床第五页，本课件共有48页第一节 概述一、数控机床对数控伺服系统的要求一、数控机床对数控伺服系统的要求 1 1、精度高、精度高 由由于于伺伺服服系系统统控控制制数数控控机机床床的的速速度度和和位位移移输输出出，为为保保证证加加工工质质量量，要要求求它它有有足足够够高高的的定定位位精精度度和和重重复复定定位位精精度度。一一般般要要求求定定位位精精度度为为0.0010.001-0.01m

5、m-0.01mm，高高档档设设备备达达到到0.10.1mm以以上上。速速度度控控制制要要求求较较高高的的调调节节精精度度和和较较强强的的抗抗负负载载干干扰扰能能力力，以以保保证证动动、静静态精度较高。态精度较高。2 2、快速响应特性好、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，反映系统的跟踪精快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在2020msms以内，在短以内，在短时间内指

6、令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差小，反向死区时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差小，反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。小，能频繁启、停和正、反向运动。第六页，本课件共有48页第一节 概述3 3、调速范围宽、调速范围宽 由由于于工工件件材材料料、刀刀具具以以及及加加工工要要求求各各不不相相同同，要要保保证证数数控控机机床床在在任任何何情情况况下下都都能能得得到到最最佳佳切切削削条条件件，伺伺服服系系统统就就必必须须有有足足够够的的调调速速范范围围。既既满满足足高高速速加加工工要要求求，又又满满足足低低速速进进给给要要求求。在在低低速速切切削削时时，还要求伺服系统能输出较大的

7、转距。还要求伺服系统能输出较大的转距。4 4、系统可靠性好、系统可靠性好 数控机床的使用率很高，常常是数控机床的使用率很高，常常是2424h h连续工作不停机，因而要连续工作不停机，因而要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平求其工作可靠。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。这个时间越长，可靠性越好。均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠性越好。第七页，本课件共有48页第一节 概述 执执行行元元件件及及其其驱驱动动控控制制单单元元必必不不可可少少。驱驱动动控控制制单单元元将将进进给给指指令令转转化化为为执执行行元元件件所所需需

8、要要的的信信号号形形式式，执执行行元元件件则则将将该该信信号号转转化为相应的机械位移。化为相应的机械位移。开环伺服系统开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机。行元件选用步进电动机。闭环（半闭环）伺服系统闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反馈和位反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置

9、检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。驱动和控制执行元件带动工作台运动。二、数控机床伺服系统的基本组成二、数控机床伺服系统的基本组成 第八页，本课件共有48页第一节 概述数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成 第九页，本课件共有48页第一节 概述三、数控机床伺服驱动系统的分类三、数控机床伺服驱动系统的分类 按控制原理和有无位置反馈装置分为按控制原理和有无位置反馈装置分为开环

10、和闭环伺服开环和闭环伺服系统系统；按用途和功能分为；按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统进给驱动系统和主轴驱动系统；按驱动执行元件的动作原理分为按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。第十页，本课件共有48页第一节 概述驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲1.1.开环和闭环控制开环和闭环控制(1)(1)开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组

11、成，无位置检测装置。开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装置。数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进电机。数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。丝杠螺母副带动机床工作台移动。指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的移动速度；指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移大小。指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角

12、度，进而决定了工作台的位移大小。开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取决于步开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、中小型数控系统。中小型数控系统。第十一页，本课件共有48页第一节 概述(2)(2)闭环伺服系统闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的实际位移。实际位移。利用利用

13、CNCCNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行位置控制。行位置控制。精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误差无关。的误差无关。位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使系统的设都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使系统的设计、安装和调试都相当困难。计、安装和调试都相当困难。适用于大型或比较精密的数控设备。适用于大型或比较精密的数控设备。指令指令伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制

14、速度控制位置控制位置控制位置检测位置检测第十二页，本课件共有48页伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令第一节 概述(3)(3)半闭环伺服系统半闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移，间接获得工作台的位移。角位移，间接获得工作台的位移。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。进行补偿，因而

15、仍可获得满意的精度。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。开环系统，但比闭环要好。适用于中小型数控机床。适用于中小型数控机床。第十三页，本课件共有48页第一节 概述进给伺服系统进给伺服系统用于数控机床工作台或刀架坐标的用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩，包括速度控制环和位置控提供切削过程所需转矩，包括速度控制环和位置控制环。制环

16、。主轴伺服系统主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。需的切削力，且保证任意转速的调节。2.2.进给驱动与主轴驱动进给驱动与主轴驱动第十四页，本课件共有48页第一节 概述2.2.直流伺服驱动与交流伺服驱动直流伺服驱动与交流伺服驱动直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于强，而且由于电动机惯性与机床传动部

17、件的惯量相当，构成闭环后易于调整；直流中小惯量伺服电动机，比较适应数控机床对频繁启动、制动，调整；直流中小惯量伺服电动机，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。以及快速定位、切削的要求。直流电动机具有电刷和机械换向器，限直流电动机具有电刷和机械换向器，限制了它向大容量、高电压、高速度方向发展。制了它向大容量、高电压、高速度方向发展。在电动机控制领域交流电动机调速技术的突破，交流伺服系统迅在电动机控制领域交流电动机调速技术的突破，交流伺服系统迅速进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统的最大优点是速进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统的最大优点是交流电动机容易维

18、修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。采用交流电动机比直流电动机将更合理。第十五页，本课件共有48页第一节 概述伺服驱动系统的发展概况伺服驱动系统的发展概况 在在5050年年代代，数数控控机机床床主主要要采采用用液液压压驱驱动动，称称为为液液压压伺伺服服系系统统，这这种种系系统的优点是刚性好，时间常数小。统的优点是刚性好，时间常数小

19、。6060年年代代初初，日日本本推推出出步步进进电电机机开开环环伺伺服服驱驱动动系系统统，这这种种系系统统结结构构简简单，价格低廉，使用维修方便，在数控设备中被广泛采用。单，价格低廉，使用维修方便，在数控设备中被广泛采用。7070年年代代，直直流流电电机机伺伺服服系系统统采采用用闭闭环环或或半半闭闭环环控控制制，精精度度提提高高一一个个数数量量级级，调调速速范范围围可可达达1 1：1000010000，运运行行速速度度提提高高到到15-24m/min15-24m/min。直直流电机伺服系统的缺点是结构复杂，价格昂贵。流电机伺服系统的缺点是结构复杂，价格昂贵。在在8080年年代代以以后后，微微机

20、机和和微微电电子子技技术术的的迅迅速速发发展展，为为交交流流电电机机伺伺服服系系统统的的调调速速控控制制提提供供了了条条件件，伺伺服服系系统统发发展展的的趋趋势势是是交交流流伺伺服服驱驱动动系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。第十六页，本课件共有48页 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统。步进电机受驱动线步进电机伺服系统是典型的开环控制系统。步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉

21、冲的频率进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定进电机的各相通电顺序来决定。但由于该系统没有反馈检测环节，精。但由于该系统没有反馈检测环节，精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理 第二节 开环步进式伺服系统步步进进电电机机驱驱动动模模块块步步进进电电机机第十七页，本课件共有48页第二节 开环步进式伺服系统二、步进电机二、步进电机单定子反应式步进电机利用单定子反应式步进电机利

22、用电磁电磁铁原理铁原理，由定子和转子组成，定子，由定子和转子组成，定子分定子铁芯和定子励磁绕组。定子铁分定子铁芯和定子励磁绕组。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕芯由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯上的线圈，在直径方向置在定子铁芯上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组，构成构成一相控制绕组，构成A A、B B、C C三三相控制绕组，任一相绕组通电形成一相控制绕组，任一相绕组通电形成一组定子磁极。组定子磁极。转子无绕组，有周向转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。工作。AB定子

23、转子IAIBICC第十八页，本课件共有48页第十九页，本课件共有48页第二节 开环步进式伺服系统1.1.三相单三拍工作方式：三相单三拍工作方式：假设转子上有四个齿，当假设转子上有四个齿，当A A相通电时，转相通电时，转子子1 1、3 3齿被磁极齿被磁极A A产生的电磁引力吸引过产生的电磁引力吸引过去，使去，使1 1、3 3齿与齿与A A相磁极对齐。接着相磁极对齐。接着B B相通相通电，电，A A相断电，磁极相断电，磁极B B又把距它最近的一对又把距它最近的一对齿齿2 2、4 4吸引过来，使转子按逆时针方向转动吸引过来，使转子按逆时针方向转动3030度。然后度。然后C C相通电，相通电，B B相

24、断电，转子又逆相断电，转子又逆时针旋转时针旋转3030度，依次类推，定子按度，依次类推，定子按ABCAABCA顺序通电，转子就一步步地按逆顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转时针方向转动，每步转3030度。度。若改变通电顺序，按若改变通电顺序，按ACBAACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转每步转3030度。这种控制方式叫三相单三拍方式，度。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单单”是指每次只有一相绕组通电，是指每次只有一相绕组通电，“三拍三拍”是指每三次换接为一个循环。是指每三次换接为一个循环。第二十页，本课件共

25、有48页第二节 开环步进式伺服系统定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着5 5个小齿，个小齿，呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为99。转子上没有绕组，只有均匀分布的转子上没有绕组，只有均匀分布的4040个小齿，其大小和间距与个小齿，其大小和间距与定子上的完全相同。定子上的完全相同。三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/31/3齿距。齿距。第二十一页，本课件共有48页第二节 开环步进式伺服系统（1 1）步距角和静态步距误差）步距角和静态步距误差步进电机步距角步进电机步

26、距角与定子绕组的相数与定子绕组的相数m m、转子的齿数、转子的齿数z z、通电方式、通电方式k k有关，有关，即有：即有：360/(360/(mzkmzk)。其中：其中：m m相相m m拍时，拍时，k k1 1；m m相相2 2m m拍时，拍时，k k2 2，依此类推。例如，三相三，依此类推。例如，三相三拍，拍，z z4040时，时，360/(3401)360/(3401)33。一般较小一般较小，如：，如：331.5,1.51.5,1.50.75,0.720.75,0.720.360.36等。等。静态步距误差：静态步距误差：在空载情况下，理论的步距角与实际的步距角之差，一在空载情况下，理论的步

27、距角与实际的步距角之差，一般在般在1010之内。步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子间气之内。步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。2.2.步进电机主要特征步进电机主要特征第二十二页，本课件共有48页(2)(2)启动频率启动频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步

28、进电机在带负令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。随着负载加大载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。（在允许范围内），启动频率会进一步降低。(3)(3)连续运行频率连续运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电动频率，它也随着电机所带负载的性质和

29、大小而异，与驱动电源也有很大关系。源也有很大关系。第二节 开环步进式伺服系统第二十三页，本课件共有48页(4)(4)矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进之间的关系，该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的转矩将逐渐下降。在使用时，一定

30、要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。上升而下降的特点。M Mf f第二节 开环步进式伺服系统第二十四页，本课件共有48页第二节 开环步进式伺服系统三三.步进电机的驱动控制线路步进电机的驱动控制线路功能：功能：将具有一定频率将具有一定频率f f、一定数量、一定数量N N和方向的进给脉冲转换成和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通电、断电的电平信号变化频率、变控制步进电机各相定子绕组通电、断电的电平信号变化频率、变化次数和通断电顺序。化次数和通断电顺序。驱动控制器主要由驱动控制器主要由环形脉冲分配器和功率放大器环形脉冲分配器和功率放大器组成。组成。第二十五页，本课件共有48页

31、第二节 开环步进式伺服系统1.1.环形脉冲分配器环形脉冲分配器功能：功能：将进给脉冲指令转换成步进电机定子绕组通、断电的电平将进给脉冲指令转换成步进电机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数与方向信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数与方向对应。即将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配对应。即将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端，以控制励磁绕组的通、断电。给步进电机的各相输入端，以控制励磁绕组的通、断电。分类：分类：硬件环形分配器和软件环形分配器。硬件环形分配器和软件环形分配器。硬件环形分配器：步进电机驱

32、动装置本身带有环形分配器。硬件环形分配器：步进电机驱动装置本身带有环形分配器。软件环形分配器：驱动装置本身无环形分配器，环形分配需要软软件环形分配器：驱动装置本身无环形分配器，环形分配需要软件完成。件完成。2.2.功率放大器功率放大器功能：功能：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电机。电机。第二十六页，本课件共有48页第二节 开环步进式伺服系统四四.提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1.1.传动间隙补偿传动间隙补偿 传动元件的齿轮、丝杠制造装配误差使机械传动链在改变运动或旋转方传动元件的齿轮、丝杠制

33、造装配误差使机械传动链在改变运动或旋转方向时，最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，造成步进电机的空向时，最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，造成步进电机的空走，而工作台无实际移动，从而产生传动误差。走，而工作台无实际移动，从而产生传动误差。补偿方法：先测出并存储间隙大小，接收反向位移指令时，先不补偿方法：先测出并存储间隙大小，接收反向位移指令时，先不向步进电机输出反向位移脉冲，而将间隙值转换为脉冲数，驱动向步进电机输出反向位移脉冲，而将间隙值转换为脉冲数，驱动步进电机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉冲动作。步进电机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉冲动作。2.2.螺距误差补偿螺距

34、误差补偿 滚珠丝杠螺距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度。滚珠丝杠螺距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度。补偿方法：设置若干个补偿点，在每个补偿点测量并记录工作台补偿方法：设置若干个补偿点，在每个补偿点测量并记录工作台位移误差，确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置。设备运位移误差，确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置。设备运行时，工作台每经过一个补偿点，行时，工作台每经过一个补偿点，CNCCNC系统就加入补偿量，补偿系统就加入补偿量，补偿螺距误差。螺距误差。3.3.细分线路：细分线路：将一个步距角细分为若干步的驱动方法。将一个步距角细分为若干步的驱动方法。第二十七页，本课件共有48

35、页第三节 闭环伺服系统1 1 直流伺服电机直流伺服电机（1 1）直流伺服电机的结构）直流伺服电机的结构定子定子：产生定子磁极、磁场。：产生定子磁极、磁场。转子转子：表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负：表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。载旋转的电磁转矩。电刷与换向片电刷与换向片：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转子：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，换向片与电枢线圈连接。换向片与电枢线圈连接。数控机床的使用的直流伺服电机主

36、要是数控机床的使用的直流伺服电机主要是大功率直流伺服电机大功率直流伺服电机：小惯量直流伺服电机：小惯量直流伺服电机：最大限度地减小电枢的转动惯量，可以获得较快最大限度地减小电枢的转动惯量，可以获得较快的响应速度。的响应速度。宽调速直流伺服电机：宽调速直流伺服电机：转子直径较大，力矩大，转动惯量大，能转子直径较大，力矩大，转动惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作。在较大过载转矩时长时间工作。一、直流伺服电机与速度控制一、直流伺服电机与速度控制第二十八页，本课件共有48页其中：其中：n n为电机转速，为电机转速，UaUa为电枢外加电压，为电枢外加电压，CeCe为反电动势常数，为反电动势常数，为为电

37、机磁通量，电机磁通量，RaRa为电枢电阻，为电枢电阻，CmCm为转矩常数，为转矩常数，M M为电磁转矩。为电磁转矩。直流电机的三种调速方法：直流电机的三种调速方法：改变电枢外加电压改变电枢外加电压UaUa。该方法可以得到调速范围较宽的恒转矩特该方法可以得到调速范围较宽的恒转矩特性，机械特性好，性，机械特性好，适用于主轴驱动的低速段和进给驱动适用于主轴驱动的低速段和进给驱动。改变磁通量改变磁通量。改变励磁线圈电压使磁通量改变。改变励磁线圈电压使磁通量改变，适用于主轴驱动，适用于主轴驱动的高速段，不适合于进给驱动。的高速段，不适合于进给驱动。改变电枢电路的电阻改变电枢电路的电阻RaRa。该方法得到

38、的机械特性较软，不能实现无。该方法得到的机械特性较软，不能实现无级调速，也不适合于数控机床。级调速，也不适合于数控机床。目前应用最多的是目前应用最多的是晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统）调速系统：利用大功率：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压加到直流电机晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压加到直流电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，调节电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，调节电机的转速。的转速。2 2 直流伺服电机速度调节直流伺服电机速度调节直流电机机械特性公式：直流电机机械特性公

39、式：第三节 闭环伺服系统第二十九页，本课件共有48页二、交流伺服电机与速度控制二、交流伺服电机与速度控制直流电机缺点：直流电机缺点：电刷和换向器有磨损，有时会产生火花；电刷和换向器有磨损，有时会产生火花；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；电机最高速度受限制；电机最高速度受限制；结构复杂，成本较高。结构复杂，成本较高。交交流流伺伺服服电电动动机机没没有有直直流流伺伺服服电电动动机机上上述述的的缺缺点点，而而且且转转子子惯惯量量比比直直流流伺伺服服电电动动机机小小，动动态态响响应应好好。同同样样体体积积下下，交交流流伺伺服服电电动动机机的的输输出出功功率率可可

40、比比直直流流伺伺服服电电动动机机提提高高10102020。交交流流伺伺服服电电动动机机的的容容量量可可以以做做得得比比直直流流伺伺服服电电动动机机大大，达达到到更更高高的的转转速速。从从8080年年代代后后期期开开始始，交交流流伺伺服服电电动动机机逐逐渐渐替替代代直直流流伺伺服服电电动动机机占占据据主主要要位位置。置。第三节 闭环伺服系统第三十页，本课件共有48页1.1.交流伺服电机的类型交流伺服电机的类型交流伺服电动机在结构上为一两相感应电动机，其定子两相绕组在空间交流伺服电动机在结构上为一两相感应电动机，其定子两相绕组在空间相距相距9090电角度，电角度，一相作为励磁绕组一相作为励磁绕组，

41、运行时接到交流电源上，运行时接到交流电源上，另一相另一相作为控制绕组作为控制绕组，输入控制电压。，输入控制电压。主要有：主要有：永磁式交流伺服电机永磁式交流伺服电机和和感应式交流伺服电机感应式交流伺服电机共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定子旋转共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定子旋转磁场一起运转。磁场一起运转。不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即同步关系，即电机的转速等于旋转磁场的同步转速电机的转速等于旋转磁场的同步转速；而感应式伺服电；而感应式伺服电机由于机

42、由于需要转速差才能产生电磁转矩需要转速差才能产生电磁转矩，因此，电机的转速低于磁场，因此，电机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。同步转速，负载越大，转速差越大。第三节 闭环伺服系统第三十一页，本课件共有48页交流异步电机的转速表达式为：交流异步电机的转速表达式为：2.2.交流电机的速度控制交流电机的速度控制 f f1 1 定子电源频率（定子电源频率（HzHz）；）；p p 磁极对数；磁极对数；s s 转差率。转差率。异步电机的调速方法，可以有异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频变转差率、变极对数及变频三种。三种。（1 1）变磁极对数：通过对定子绕组接线的切换改变磁极对

43、数来实现，）变磁极对数：通过对定子绕组接线的切换改变磁极对数来实现，只能产生二种或三种转速，不能无级调速，应用范围较窄只能产生二种或三种转速，不能无级调速，应用范围较窄。（2 2）改变转差率：只适合于异步型交流电机的调速，）改变转差率：只适合于异步型交流电机的调速，低速时转差率低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低大，转差损耗功率也大，效率低。（3 3）变频调速：通过改变电机电源的频率而改变电机的转速。）变频调速：通过改变电机电源的频率而改变电机的转速。变频调变频调速从高速到低速都可以保持有限的转差率，具有高效率、宽范围和高精度的速从高速到低速都可以保持有限的转差率，具有高效率、宽范围和高精

44、度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。第三节 闭环伺服系统（r/minr/min）第三十二页，本课件共有48页第三节 闭环伺服系统变频调速的主要环节：变频调速的主要环节：为交流电机提供变频电源的变频器为交流电机提供变频电源的变频器。变频器分：变频器分：交交交交 变频变频 ：利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz50Hz）变成频率较低的脉动交流电，该方法所得的交流电波动比较大，且最变成频率较低的脉动交流电，该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。大频率即为变频器输入的工频电压

45、频率。交交直直交交 变频：变频：先将交流电整流成直流电，然后将直流电压先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲方波电压，该调频方式所得交流电的波动小，调变成矩形脉冲方波电压，该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。频范围比较宽，调节线性度好。数控机床常采用交数控机床常采用交直直交变频调速交变频调速。其中，。其中，SPWMSPWM（正弦波（正弦波脉宽调制）变频器脉宽调制）变频器是目前应用最广、最基本的一种交是目前应用最广、最基本的一种交直直交型交型电压型变频器，电压型变频器，在交流调速系统中获得广泛应用在交流调速系统中获得广泛应用。第三十三页，本课件共有48页三、直

46、线电机的特点三、直线电机的特点机机床床进进给给系系统统采采用用直直线线电电机机直直接接驱驱动动，与与原原旋旋转转电电机机传传动动方方式式的的最最大大区区别别是是：取取消消了了从从电电机机到到工工作作台台（拖拖板板）之之间间的的机机械械中中间间传传动动环环节节，即即把把机机床床进进给给传传动动链链的的长长度度缩缩短短为为零零，故故这这种种传传动动方方式式称称为为“直直接接驱驱动动”，也也称称“零零传传动动”。直直接接驱驱动动避避免免了了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点。丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点。第三节 闭环伺服系统直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。

47、以直线感应电动机为例：当初级直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生磁场，次级在磁场切割下，将感应出绕组通入交流电源时，便在气隙中产生磁场，次级在磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。第三十四页，本课件共有48页第三节 闭环伺服系统特点特点：将指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频：将指令脉

48、冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频率的某一载波的不同相位的脉冲信号，在位置控制单元进行相位率的某一载波的不同相位的脉冲信号，在位置控制单元进行相位比较，相位差反映了指令位置与实际位置的偏差。比较，相位差反映了指令位置与实际位置的偏差。位置检测元件位置检测元件采用旋转变压器、感应同步器或磁栅，工作在相位工作状态。采用旋转变压器、感应同步器或磁栅，工作在相位工作状态。脉冲调相器：脉冲调相器：将数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。将数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。鉴相器鉴相器：鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位差及：鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相

49、位差及其相位超前、滞后关系，并变成相应的误差电压信号作为速度单元其相位超前、滞后关系，并变成相应的误差电压信号作为速度单元的输入信号。的输入信号。四、鉴相式伺服系统四、鉴相式伺服系统第三十五页，本课件共有48页第三节 闭环伺服系统五、鉴幅式伺服系统五、鉴幅式伺服系统以以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并作为位置反馈，并作为位置反馈信号与指令信号进行比较，构成半闭环控制系统。信号与指令信号进行比较，构成半闭环控制系统。位置检测元件工作在幅值工作方式，感应同步器、旋转变压器和磁栅。位置检测元件工作在幅值工作方式，感应同步器、旋转变压器和磁栅。鉴

50、幅器：对位置检测装置输出的代表工作台实际位移的电压信号进行鉴幅器：对位置检测装置输出的代表工作台实际位移的电压信号进行滤波、放大、检波、整流，变成正、负与工作台移动方向相对应、幅滤波、放大、检波、整流，变成正、负与工作台移动方向相对应、幅值与工作台位移成正比的直流电压信号。值与工作台位移成正比的直流电压信号。第三十六页，本课件共有48页第三节 闭环伺服系统六、数字脉冲比较伺服系统六、数字脉冲比较伺服系统 结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，以半闭环的结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，以半闭环的控制结构形式较为普遍。控制结构形式较为普遍。特点：指令脉冲信号与位置检测装置