數(shù)控伺服系統(tǒng)概述

第3章數(shù)控伺服系統(tǒng)

主要內(nèi)容主要內(nèi)容

概述

伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件

步進式伺服系統(tǒng)

鑒相式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)

脈沖比較式伺服系統(tǒng)CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)1數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件(如工作臺、主軸和刀具等)的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅(qū)動機床運動部件實現(xiàn)運動，并保證動作的快速性和準確性。數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控機床的精度和速度等技術指標很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。3.1概述21.輸出位置精度要高

靜態(tài)：定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差和重復定位誤差要小。(尺寸精度)

動態(tài)：跟隨精度，動態(tài)性能指標，用跟隨誤差表示。(輪廓精度)

靈敏度要高，有足夠高的分辯率。3.1.1對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1概述32.響應速度快且無超調(diào)對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，即在無超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立時間tp

應盡可能短。要求從0→Fmax（Fmax→0），時間應盡可能小，且不能有超調(diào)，否則對機械部件不利，有害于加工質(zhì)量。tFtp3.1.1對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1概述43.1.1對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調(diào)速范圍內(nèi))

調(diào)速范圍：一般要求：

穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。3.1概述54.系統(tǒng)的可靠性高

綜上所述：

對伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面；對高精度的數(shù)控機床，對其動態(tài)性能的要求更

嚴。3.1.1對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1概述6按有無反饋檢測元件分為開環(huán)和閉環(huán)(含半閉環(huán))兩種類型

開環(huán)伺服系統(tǒng)由驅(qū)動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。

閉環(huán)(半閉環(huán))伺服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動控制單元、機床以及反饋檢測元件、比較環(huán)節(jié)組成。

3.1.2數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成3.1概述73.1.3數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類按反饋比較控制方式分類數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)鑒相式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)按伺服系統(tǒng)的用途和功能分類進給驅(qū)動系統(tǒng)主軸驅(qū)動系統(tǒng)按執(zhí)行元件的類別分類直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)3.1概述8伺服驅(qū)動元件又稱為執(zhí)行電動機數(shù)控伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，是根據(jù)輸入的控制信號產(chǎn)生角位移或角速度，帶動被控對象運動。數(shù)控伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動元件有：步進電動機直流伺服電動機交流伺服電動機3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件93.2.1步進電動機

步進電機流行于70年代，系統(tǒng)結構簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結構。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控；打印機、繪圖機等計算機的外部設備。步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的機電元件。每輸入一個脈沖，步進電動機轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定角度。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件10步進進電電動動機機的種種類類運動動方方式式：：旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運運動動的的、、直直線線運運動動的的和和平平面面運運動動；結構構上上：：反反應應式式、、勵勵磁磁式式；按定定子子數(shù)數(shù)目目：：單單段段定定子子式式、、多多段段定定子子式式；；按相相數(shù)數(shù)：：單單相相、、兩兩相相、、三三相相及及多多相相。。3.2伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的驅(qū)驅(qū)動動元元件件11三相相三三拍拍反反應應式式的的工工作作原原理理三相相是是指指步步進進電電機機有有三三相相定定子子繞繞組組，，三三拍拍是是指指每每三三次次轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為一一個個循循環(huán)環(huán)三相相步步進進電電機機，，定定子子有有六六個個磁磁極極，，分分為為三三對對，，每每個個磁磁極極上上裝裝有有控控制制繞繞組組。。一一對對磁磁極極通通電電后后，，對對應應產(chǎn)產(chǎn)生生N/S極磁磁場場；；轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子為為帶帶齒齒的的鐵鐵心心（（反反應應式式））或或磁磁鋼鋼（（混混合合式式））。。當定定子子三三相相依依次次通通電電時時，，三三對對磁磁極極依依次次產(chǎn)產(chǎn)生生氣氣隙隙磁磁場場，，吸吸引引轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子一一步步步步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動。。3.2伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的驅(qū)驅(qū)動動元元件件12步進進電電動動機機的的主主要要特特性性步距距角角:步進進電電動動機機繞繞組組的的通通電電狀狀態(tài)態(tài)每每改改變變一一次次，，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過過的的角角度度起動動頻頻率率:空載載時時，，步步進進電電動動機機由由靜靜止止狀狀態(tài)態(tài)突突然然起起動動，，進進入入不不丟丟步步的的正正常常運運行行的的最最高高頻頻率率連續(xù)續(xù)運運行行頻頻率率:步進進電電動動機機起起動動以以后后．．其其運運行行速速度度能能跟跟蹤蹤指指令令脈脈沖沖頻頻率率連連續(xù)續(xù)上上升升而而不不丟丟步步的的最最高高工工作作頻頻率率加減減速速特特性性:描述述步步進進電電動動機機由由靜靜止止到到工工作作頻頻率率和和由由工工作作頻頻率率到到靜靜止止的的加加減減速速過過程程中中，，定定子子繞繞組組通通電電狀狀態(tài)態(tài)的的變變化化頻頻率率與與時時間間的的關關系系3.2伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的驅(qū)驅(qū)動動元元件件133.2.2直流流伺伺服服電電動動機機小慣慣量量直直流流電電動動機機:轉(zhuǎn)動動慣慣量量小小，，反反應應靈靈敏敏，，動動態(tài)態(tài)特特性性好好，，適適用用于于高高速速與與負負載載慣慣量量較較小小的的場場合合。。大慣慣量量寬寬調(diào)調(diào)速速直直流流伺伺服服電電動動機機:既具具有有一一般般直直流流電電動動機機的的各各項項優(yōu)優(yōu)點點，，又又具具有有小小慣慣量量直直流流電電動動機機的的快快速速響響應應性性能能，，易易與與較較大大的的負負載載慣慣量量匹匹配配，，能能較較好好地地滿滿足足伺伺服服驅(qū)驅(qū)動動的的要要求求。。3.2伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的驅(qū)驅(qū)動動元元件件14直流流伺伺服服電電動動機機的的結結構構特特點點按磁磁極極的的種種類類，，寬寬調(diào)調(diào)速速直直流流電電動動機機分分為為電電勵勵磁磁和和永永久久磁磁鐵鐵兩兩種種3.2伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的驅(qū)驅(qū)動動元元件件15寬調(diào)調(diào)速速直直流流電電動動機機性性能能輸出出力力矩矩大大過載載能能力力強強動態(tài)態(tài)響響應應性性能能好好低速速運運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)平平穩(wěn)穩(wěn)易于于調(diào)調(diào)試試因此此，，寬寬調(diào)調(diào)速速直直流流伺伺服服電電動動機機是是目目前前機機電電一一體體化化閉閉環(huán)環(huán)伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)中中應應用用較較多多的的控控制制電電動動機機。。3.2伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的驅(qū)驅(qū)動動元元件件16直流流伺伺服服電電動動機機調(diào)調(diào)速速方方式式晶閘閘管管直直流流調(diào)調(diào)速速（（SCR）脈寬寬調(diào)調(diào)制制直直流流調(diào)調(diào)速速(PWM)頻帶帶寬寬電動動機機脈脈動動小小電源源的的功功率率因因數(shù)數(shù)高高動態(tài)態(tài)硬硬度度好好，，系系統(tǒng)統(tǒng)具具有有良良好好的的線線性性3.2伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的驅(qū)驅(qū)動動元元件件173.2.3交流流伺伺服服電電動動機機由于于直直流流伺伺服服電電機機具具有有優(yōu)優(yōu)良良的的調(diào)調(diào)速速性性能能，，80年代代初初至至90年代代中中，，在在要要求求調(diào)調(diào)速速性性能能較較高高的的場場合合，，直直流流伺伺服服電電機機調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)的的應應用用一一直直占占據(jù)據(jù)主主導導地地位位。。但但其其卻卻存存在在一一些些固固有有的的缺缺點點，，即即：：電刷刷和和換換向向器器易易磨磨損損，，維維護護麻麻煩煩結構構復復雜雜，，制制造造困困難難，，成成本本高高而交交流流伺伺服服電電機機則則沒沒有有上上述述缺缺點點。。特特別別是是在在同同樣樣體體積積下下，，交交流流伺伺服服電電機機的的輸輸出出功功率率比比直直流流電電機機提提高高10%～70%，且且可可達達到到的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速比比直直流流電電機機高高。。因因此此，，人人們們一一直直在在尋尋求求交交流流電電機機調(diào)調(diào)速速方方案案來來取取代代直直流流電電機機調(diào)調(diào)速速的的方方案案。。3.2伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的驅(qū)驅(qū)動動元元件件18交流流伺伺服服電電動動機機的的結結構構特特點點交流流伺伺服服電電動動機機采采用用全全封封閉閉無無刷刷構構造造，，不不需需定定期期檢檢查查和和維維修修。。定子子省省去去了了鑄鑄件件殼殼體體，，結結構構緊緊湊湊，，外外形形小小，，重重量量輕輕它的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子采采用用具具有有精精密密磁磁極極形形狀狀的的永永久久磁磁鐵鐵，，常常做做成成鼠鼠籠籠式式，，為為了了使使伺伺服服電電動動機機反反應應迅迅速速，，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子做做得得較較細細長長。?？招男谋涡无D(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子，，杯杯壁壁很很薄薄3.2伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的驅(qū)驅(qū)動動元元件件19交流流伺伺服服電電動動機機的的工工作作原原理理與單單相相異異步步電電動動機機相相似似交流流伺伺服服電電動動機機調(diào)調(diào)速速交流流伺伺服服電電動動機機調(diào)調(diào)速速通通常常由由調(diào)調(diào)頻頻調(diào)調(diào)速速的的方方法法實實現(xiàn)現(xiàn)。。實現(xiàn)現(xiàn)調(diào)調(diào)頻頻調(diào)調(diào)壓壓方方法法：：脈沖沖幅幅值值調(diào)調(diào)制制(PAM)方法脈寬調(diào)制制(PWM)方法3.2伺服系統(tǒng)統(tǒng)的驅(qū)動動元件203.2.4直線電動動機直線電動動機是一一種能將將電信號號直接轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成為為直線位位移的電電動機。。直線電電動機沒沒有傳動動機械的的磨損，，并且噪噪音低、、結構簡簡單、操操作維護護方便。。直線電動動機主要要應用的的機型有有直流直直線電動動機、交交流直線線電動機機以及直直線步進進電動機機等，在在實際中中應用較較多的是是交流直直線電動動機。3.2伺服系統(tǒng)統(tǒng)的驅(qū)動動元件21直線電動動機的優(yōu)優(yōu)點結構簡單單應用范圍圍廣、適適應性強強反應速度度快，靈靈敏度高高，隨動動性好額定值高高、冷卻卻條件好好有精密定定位和自自鎖能力力工作穩(wěn)定定可靠，，壽命長長3.2伺服系統(tǒng)統(tǒng)的驅(qū)動動元件22開環(huán)步進伺服系統(tǒng)統(tǒng)(Open-LoopSystem)不帶位置置測量反反饋裝置置的系統(tǒng)統(tǒng)；驅(qū)動電機機只能用用步進電電機；主要用于于經(jīng)濟型型數(shù)控或或普通機機床的數(shù)數(shù)控化改改造3.3步進式伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)233.3.1步進式伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)的工作作原理步進電動動機的驅(qū)動控制制線路和步進電動動機兩部分組組成步進式伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)受驅(qū)動動控制線線路的控控制，將將代表進給脈脈沖的電平平信號通過步進電電動機轉(zhuǎn)變變?yōu)榫哂幸灰欢ù笮『秃头较虻臋C機械角位移，通過齒輪輪和絲杠帶帶動工作臺臺移動?？刂莆灰屏浚翰竭M電動動機轉(zhuǎn)過的的角位移量量，由進給脈沖數(shù)決決定方向：通電順序序不同進給速度：由進給脈脈沖頻率決決定3.3步進式伺服服系統(tǒng)243.3.2步進電動機機的驅(qū)動控控制線路驅(qū)動控制線線路的功能能：將具有一定定頻率f、一定數(shù)量量和方向的的進給脈沖轉(zhuǎn)換成控制制步進電動動機各相定定子繞組通通斷電的電平信號。驅(qū)動控制線線路組成：：脈沖混合電電路、加減減脈沖分配配電路、加加減速電路路、環(huán)形分分配器和功功率放大器器3.3步進式伺服服系統(tǒng)253.3步進式伺服服系統(tǒng)脈沖混合電電路將插補信號號或者手動動信號等轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為使工工作臺正向向進給的““正向進給給”信號或或使工作臺臺反向進給給的“反向向進給”信信號。加減脈沖分分配電路當機床在進進給脈沖的的控制下正正在沿著某某一方向進進給時，由由于各種誤誤差補償脈脈沖的存在在，可能會會有個別的的方向進給給脈沖，通通過加減脈脈沖分配電電路從正在在進給方向向的進給脈脈沖指令中中抵消相同同數(shù)量的方方向補償脈脈沖。加減速電路路加減脈沖分分配電路來來的進給脈脈沖頻率的的變化是有有躍變的作用：使之之變成符合合步進電動動機加減速速特性的脈脈沖頻率，，然后再送送入步進電電動機的定定于繞組3.3步進式伺服服系統(tǒng)27環(huán)形分配器器環(huán)形分配器器的作用：把來自于于加減速電電路的一系系列進給脈脈沖指令，，轉(zhuǎn)換成控控制步進電電動機定于于繞組通電電、斷電的的電平信號號，電平信信號狀態(tài)的的改變次數(shù)數(shù)及順序與與進給脈沖沖的數(shù)量及及方向?qū)獞Ｓ杏布h(huán)形分分配器和軟件環(huán)形分分配器兩種形式3.3步進式伺服服系統(tǒng)28功率放大器器從環(huán)形分配配器來的進進給控制信信號的電流流只有幾毫毫安，而步步進電動機機的定子繞繞組需要幾幾安培電流流。因此，，需要對從從環(huán)形分配配器來的信信號進行功功率放大，，以提供幅幅值足夠，，前后沿較較好的勵磁磁電流。常用的功放放電路有以以下兩種：：(1)單電壓供電電功放器(2)雙電壓供電電功放器：：雙電壓供供電功率放放大器又又稱高低電電壓供電功功放器3.3步進式伺服服系統(tǒng)293.3.3提高步進式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)精度的措措施影響步進電電機開環(huán)系系統(tǒng)傳動精精度的因素素：步進電機的的步距角精精度；機械傳動部部件的精度度；絲桿等機械械傳動部件件、支承的的傳動間隙隙；傳動件和支支承件的變變形。提高步進電電機開環(huán)系系統(tǒng)傳動精精度的措施施：適當提高系系統(tǒng)組成環(huán)環(huán)節(jié)的精度度；采取各種精精度補償措措施：3.3步進式伺服服系統(tǒng)30傳動間隙補補償在整個行程程范圍內(nèi)測測量傳動機機構傳動間間隙，取其其平均值存存放在數(shù)控控系統(tǒng)中的的間隙補償償單元，當當進給系統(tǒng)統(tǒng)反向運動動時，數(shù)控控系統(tǒng)自動動將補償值值加到進給給指令中，，從而達到到補償目的的。螺矩誤差補補償滾珠絲桿在在數(shù)控機床床應用廣泛泛，雖然滾滾珠絲桿精精度較高，，但是總不不可做的絕絕對精確，，總是將其其精度控制制在一定的的范圍內(nèi)的的，也就是是它的螺距距總是存在在著一定的的誤差的，，利用計算算機的運算算處理能力力，可以補補償滾珠絲絲杠的螺矩矩累積誤差差，以提高高進給位移移精度。方法：首先先測量出進進給絲桿螺螺距誤差曲曲線(規(guī)律)，然后可采采用下列兩兩種方法實實現(xiàn)誤差補補償：硬件補償、、軟件補償償。細分線路：是把步進電電動機的一一步再分得得細一些。3.3步進式伺服服系統(tǒng)31優(yōu)點：是結構比較較簡單用較較多的是以以光柵和光光電編碼器器作為位置置檢測裝置置的閉環(huán)控控制系統(tǒng)。。組成3.6脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)32脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)的組成指令信號：由數(shù)控裝置置提供，數(shù)數(shù)字脈沖信信號，也可可以是數(shù)碼碼信號反饋測量信信號：由測量裝置置提供的機機床速度、、位置反饋饋信號，可可以是脈沖沖信號，也也可以是數(shù)數(shù)碼信號常用的測量量裝置是光光柵和脈沖沖編碼器比較器作用：完成成指令信號號與測量反反饋信號比比較的環(huán)節(jié)節(jié)有三類：數(shù)數(shù)碼比較器器、數(shù)字脈脈沖比較器器和數(shù)碼與與數(shù)字脈沖沖比較器。。轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器是數(shù)數(shù)字脈沖信信號與數(shù)碼碼的相互轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換部件驅(qū)動執(zhí)行元元件：根據(jù)比較器器的輸出帶帶動工作臺臺移動3.6脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)333.6脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)34脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)工作原理理以采用光電電脈沖編碼碼器為測量量元件的系系統(tǒng)為例說明數(shù)字脈脈沖比較伺伺服系統(tǒng)的的工作原理理。光電編碼器器與伺服電電機的轉(zhuǎn)軸軸連接，隨隨著電機的的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生生脈沖序列列輸出，其其脈沖的頻頻率將隨著著轉(zhuǎn)速的快快慢而升降降。若工作作臺處于靜靜止狀態(tài)，，指令脈沖Pc=0，這時反饋脈沖Pf亦為零，經(jīng)經(jīng)比較器可可得偏差e=Pc－Pf=0，則伺服電機的的速度給定定為零，工工作臺繼續(xù)續(xù)保持靜止止不動。3.6脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)35脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)工作原理理隨著指令脈脈沖的輸入入，Pc≠0，在工作臺臺尚未移動動之前，反反饋脈沖Pf仍為零。經(jīng)經(jīng)比較器比比較，得偏偏差e=Pc－Pf≠0，若指令脈脈沖為正向向進給脈沖沖，則e>0，由速度控控制單元驅(qū)驅(qū)動電機帶帶動工作臺臺正向進給給。隨著電機運運轉(zhuǎn)，光電電脈沖編碼碼器將輸出出反饋脈沖沖Pf送入比較器器，與指令令脈沖Pc進行比較，，若e=Pc—Pf≠0，工作臺繼繼續(xù)運動，，不斷反饋饋，直到e=Pc－Pf=0，即反饋脈沖沖數(shù)等于指指令脈沖數(shù)數(shù)，工作臺停在在指令規(guī)定定的位置上上。當指令脈沖沖為反向運運動脈沖時時，控制過過程與Pc為正時基本本上類似。。只是e<0，工作臺作作反向進給給，直至e=0，工作臺停停在指令所所規(guī)定的反反向某個位位置上。主要工作部部件⒈數(shù)字脈脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器器⑴數(shù)字脈脈沖轉(zhuǎn)換為為數(shù)碼對于數(shù)字脈脈沖轉(zhuǎn)化為為數(shù)碼，其其最簡單的的實現(xiàn)方法法就是采用用一個可逆逆計數(shù)器，，它將輸入入的脈沖進進行計數(shù)，，以數(shù)碼值值輸出。圖所示是由由兩個二—十進制計數(shù)數(shù)器組成的的數(shù)字脈沖沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器器。3.6脈沖比較式式伺服系統(tǒng)統(tǒng)