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(shù)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(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)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(yīng)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(yīng)盡可能短。要求從0→Fmax（Fmax→0），時間應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)。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(shè)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步進電動機的種類運動方式：旋轉(zhuǎn)運動的、直線運動的和平面運動；結(jié)構(gòu)上：反應(yīng)式、勵磁式；按定子數(shù)目：單段定子式、多段定子式；

按相數(shù)：單相、兩相、三相及多相。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件11三相三拍反應(yīng)式的工作原理

三相是指步進電機有三相定子繞組，三拍是指每三次轉(zhuǎn)換為一個循環(huán)三相步進電機，定子有六個磁極，分為三對，每個磁極上裝有控制繞組。一對磁極通電后，對應(yīng)產(chǎn)生N/S極磁場；轉(zhuǎn)子為帶齒的鐵心（反應(yīng)式）或磁鋼（混合式）。當定子三相依次通電時，三對磁極依次產(chǎn)生氣隙磁場，吸引轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件12步進電動機的主要特性

步距角:步進電動機繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度

起動頻率:空載時，步進電動機由靜止狀態(tài)突然起動，進入不丟步的正常運行的最高頻率

連續(xù)運行頻率:步進電動機起動以后．其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率

加減速特性:描述步進電動機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件133.2.2直流伺服電動機

小慣量直流電動機:轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)靈敏，動態(tài)特性好，適用于高速與負載慣量較小的場合。大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機:既具有一般直流電動機的各項優(yōu)點，又具有小慣量直流電動機的快速響應(yīng)性能，易與較大的負載慣量匹配，能較好地滿足伺服驅(qū)動的要求。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件14直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)特點

按磁極的種類，寬調(diào)速直流電動機分為電勵磁和永久磁鐵兩種

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件15寬調(diào)速直流電動機性能

輸出力矩大

過載能力強

動態(tài)響應(yīng)性能好

低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)

易于調(diào)試

因此，寬調(diào)速直流伺服電動機是目前機電一體化閉環(huán)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用較多的控制電動機。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件16直流伺服電動機調(diào)速方式

晶閘管直流調(diào)速（SCR）脈寬調(diào)制直流調(diào)速(PWM)頻帶寬

電動機脈動小

電源的功率因數(shù)高

動態(tài)硬度好，系統(tǒng)具有良好的線性

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件173.2.3交流伺服電動機

由于直流伺服電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，80年代初至90年代中，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點，即：電刷和換向器易磨損，維護麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10%～70%，且可達到的轉(zhuǎn)速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調(diào)速方案來取代直流電機調(diào)速的方案。3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件18交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)特點

交流伺服電動機采用全封閉無刷構(gòu)造，不需定期檢查和維修。

定子省去了鑄件殼體，結(jié)構(gòu)緊湊，外形小，重量輕

它的轉(zhuǎn)子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，常做成鼠籠式，為了使伺服電動機反應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)子做得較細長。

空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件19交流伺服電動機的工作原理

與單相異步電動機相似交流伺服電動機調(diào)速交流伺服電動機調(diào)速通常由調(diào)頻調(diào)速的方法實現(xiàn)。實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓方法：

脈沖幅值調(diào)制(PAM)方法

脈寬調(diào)制(PWM)方法

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件203.2.4直線電動機

直線電動機是一種能將電信號直接轉(zhuǎn)換成為直線位移的電動機。直線電動機沒有傳動機械的磨損，并且噪音低、結(jié)構(gòu)簡單、操作維護方便。

直線電動機主要應(yīng)用的機型有直流直線電動機、交流直線電動機以及直線步進電動機等，在實際中應(yīng)用較多的是交流直線電動機。

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件21直線電動機的優(yōu)點

結(jié)構(gòu)簡單應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強

反應(yīng)速度快，靈敏度高，隨動性好

額定值高、冷卻條件好

有精密定位和自鎖能力

工作穩(wěn)定可靠，壽命長

3.2伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件22

開環(huán)步進伺服系統(tǒng)(Open-LoopSystem)不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)；驅(qū)動電機只能用步進電機；主要用于經(jīng)濟型數(shù)控或普通機床的數(shù)控化改造3.3步進式伺服系統(tǒng)233.3.1步進式伺服系統(tǒng)的工作原理

步進電動機的驅(qū)動控制線路和步進電動機兩部分組成

步進式伺服系統(tǒng)受驅(qū)動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號通過步進電動機轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ù笮『头较虻臋C械角位移，通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。

控制

位移量：步進電動機轉(zhuǎn)過的角位移量，由進

給脈沖數(shù)決定

方向：通電順序不同

進給速度：由進給脈沖頻率決定3.3步進式伺服系統(tǒng)243.3.2步進電動機的驅(qū)動控制線路

驅(qū)動控制線路的功能：將具有一定頻率f、一定數(shù)量和方向的進給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進電動機各相定子繞組通斷電的電平信號。

驅(qū)動控制線路組成：脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路、環(huán)形分配器和功率放大器

3.3步進式伺服系統(tǒng)253.3步進式伺服系統(tǒng)脈沖混合電路

將插補信號或者手動信號等轉(zhuǎn)換為使工作臺正向進給的“正向進給”信號或使工作臺反向進給的“反向進給”信號。加減脈沖分配電路

當機床在進給脈沖的控制下正在沿著某一方向進給時，由于各種誤差補償脈沖的存在，可能會有個別的方向進給脈沖，通過加減脈沖分配電路從正在進給方向的進給脈沖指令中抵消相同數(shù)量的方向補償脈沖。加減速電路

加減脈沖分配電路來的進給脈沖頻率的變化是有躍變的

作用：使之變成符合步進電動機加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進電動機的定于繞組

3.3步進式伺服系統(tǒng)27環(huán)形分配器

環(huán)形分配器的作用：把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進電動機定于繞組通電、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的數(shù)量及方向?qū)?yīng)。

有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種形式

3.3步進式伺服系統(tǒng)28功率放大器

從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電動機的定子繞組需要幾安培電流。因此，需要對從環(huán)形分配器來的信號進行功率放大，以提供幅值足夠，前后沿較好的勵磁電流。常用的功放電路有以下兩種：(1)單電壓供電功放器(2)雙電壓供電功放器：雙電壓供電功率放大器又稱高低電壓供電功放器

3.3步進式伺服系統(tǒng)293.3.3提高步進式伺服系統(tǒng)精度的措施

影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：步進電機的步距角精度；機械傳動部件的精度；絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；傳動件和支承件的變形。提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施：適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；采取各種精度補償措施：3.3步進式伺服系統(tǒng)30

傳動間隙補償在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機構(gòu)傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。

螺矩誤差補償滾珠絲桿在數(shù)控機床應(yīng)用廣泛，雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對精確，總是將其精度控制在一定的范圍內(nèi)的，也就是它的螺距總是存在著一定的誤差的，利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進給位移精度。方法：首先測量出進給絲桿螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償。

細分線路

：是把步進電動機的一步再分得細一些

。3.3步進式伺服系統(tǒng)31優(yōu)點：是結(jié)構(gòu)比較簡單用較多的是以光柵和光電編碼器作為位置檢測裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。組成3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)32脈沖比較式伺服系統(tǒng)的組成

指令信號：由數(shù)控裝置提供，數(shù)字脈沖信號，也可以是數(shù)碼信號

反饋測量信號：由測量裝置提供的機床速度、位置反饋信號，可以是脈沖信號，也可以是數(shù)碼信號

常用的測量裝置是光柵和脈沖編碼器

比較器

作用：完成指令信號與測量反饋信號比較的環(huán)節(jié)

有三類：數(shù)碼比較器、數(shù)字脈沖比較器和數(shù)碼與數(shù)字脈沖比較器。

轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器是數(shù)字脈沖信號與數(shù)碼的相互轉(zhuǎn)換部件

驅(qū)動執(zhí)行元件

：根據(jù)比較器的輸出帶動工作臺移動

3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)333.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)34脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理

以采用光電脈沖編碼器為測量元件的系統(tǒng)為例說明數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理。光電編碼器與伺服電機的轉(zhuǎn)軸連接，隨著電機的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖序列輸出，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。若工作臺處于靜止狀態(tài)，指令脈沖Pc=0，這時反饋脈沖Pf亦為零，經(jīng)比較器可得偏差e=Pc－Pf=0，則伺服電機的速度給定為零，工作臺繼續(xù)保持靜止不動。

3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)35脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理

隨著指令脈沖的輸入，Pc≠0，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖Pf仍為零。經(jīng)比較器比較，得偏差e=Pc－Pf≠0，若指令脈沖為正向進給脈沖，則e>0，由速度控制單元驅(qū)動電機帶動工作臺正向進給。隨著電機運轉(zhuǎn)，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖Pf送入比較器，與指令脈沖Pc進行比較，若e=Pc—Pf≠0，工作臺繼續(xù)運動，不斷反饋，直到e=Pc－Pf=0，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)，工作臺停在指令規(guī)定的位置上。當指令脈沖為反向運動脈沖時，控制過程與Pc為正時基本上類似。只是e<0，工作臺作反向進給，直至e=0，工作臺停在指令所規(guī)定的反向某個位置上。主要工作部件⒈數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器⑴數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)碼對于數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化為數(shù)碼，其最簡單的實現(xiàn)方法就是采用一個可逆計數(shù)器，它將輸入的脈沖進行計數(shù)，以數(shù)碼值輸出。圖所示是由兩個二—十進制計數(shù)器組成的數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器。

3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)主要工作部件⒈數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器⑵數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖對于數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計數(shù)器組成的線路，如圖所示，3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)主要工作部件⒈數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器⑵數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖第二種方法是用一個脈沖乘法器，數(shù)字脈沖乘法器實質(zhì)上就是將輸入的二進制數(shù)碼轉(zhuǎn)化為等值的脈沖數(shù)輸出，其示意圖如圖3.37所示。3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)主要工作部件2.比較器

在脈沖比較系統(tǒng)中，使用的比較器有多種結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能可分為兩種：一種是數(shù)碼比較器，另一種是數(shù)字脈沖比較器。數(shù)字脈沖比較器中常采用帶有可逆回路的可逆計數(shù)器進行工作。下面介紹一種具有脈沖分離功能的數(shù)字脈沖比較器。比較器的構(gòu)成原理圖如圖所示。3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)3.6脈沖比較式伺服系統(tǒng)用于高精度CNC機床，用軟件代替了大量的硬件，使得硬件線路與其它伺服系統(tǒng)相比要簡單些

優(yōu)點:可用計算機對伺服系統(tǒng)進行最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、前瞻控制等，可將整個系統(tǒng)的性能和效益顯著提高，具有精度高、穩(wěn)定性好等。組成軟件部分：軟件部分主要完成跟隨誤差的計算，即指令信號和反饋信號的比較計算；硬件部分：主要由位置檢測組件和位置控制輸出組件組成。

類型以鑒幅方式工作的旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器為測量元件的伺服系統(tǒng)

以光柵、編碼盤為測量元件的伺服系統(tǒng)

3.6CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)413.6CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)42謝謝觀看/歡迎下載BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH最易遭老板“炒”的15種員工廣東韋邦集團李雙華有人在工作中出了問題，于是首先想到的是換一家企業(yè)去工作，考慮的只是換一個環(huán)境而已，根本沒有反思自身的問題。可是，換了工作環(huán)境問題卻依然存在??！老板雖然換了，但他們考慮“炒魷魚”的因素是一致的。那么，老板眼中什么樣的人會被炒掉呢？這類對象一般是剛剛參加工作不久的職場新鮮人，對突發(fā)事件往往措手不及，結(jié)果行動常過分急躁，更甚者每次遇事每次如此，給老板留下不可調(diào)教的印象。01：不夠穩(wěn)重沉著喜歡夸夸其談，一旦需要實際操作時，往往發(fā)生許多困難，卻又找不出原因何在。02：理論與實際不能配合不能具體地評斷工作價值，往往分不清工作的目的是什么，是為了賺錢？還是為了立名？或是為了樂趣。給老板一種整個人渾渾噩噩的