數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

第6章

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。假如說

CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的

“大腦”，是公布“命令”的“指揮所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的

“四肢”，是一種“履行機(jī)構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運(yùn)動命令，精準(zhǔn)控制履行零件的運(yùn)動方向，進(jìn)給速度與位移量。第一節(jié)概括.進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及構(gòu)成.定義：進(jìn)給伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)——以挪動零件的地點和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及構(gòu)成構(gòu)成：進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個部分構(gòu)成：地點控制單元；速度控制單元；驅(qū)動元件(電機(jī))；檢測與反應(yīng)單元；機(jī)械履行零件。３、進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)由進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機(jī)及其控制和驅(qū)動裝置構(gòu)成。４、驅(qū)動電機(jī)是進(jìn)給系統(tǒng)的動力零件，它供給履行部分運(yùn)動所需的動力，在數(shù)控機(jī)床上常用的電機(jī)有：步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)溝通伺服電機(jī)直線電機(jī)。５、速度單元是上述驅(qū)動電機(jī)及其控制和驅(qū)動裝置，往常驅(qū)動電機(jī)與速度控制單元是相互配套供給的，其性能參數(shù)都是進(jìn)行了互相般配，這樣才能獲取高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。６、速度控制單元主要作用：接受來自地點控制單元的速度指令信號，對其進(jìn)行適合的調(diào)理運(yùn)算(目的是穩(wěn)速)，將其變換成電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制量(頻次，電壓等)，再經(jīng)功率放大零件將其變換成電機(jī)的驅(qū)動電量，使驅(qū)動電機(jī)按要求運(yùn)行。簡言之：調(diào)理、變換、功放。７、進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的特色（與主運(yùn)動（主軸）系統(tǒng)比較）：功率相對較小；控制精度要求高；控制性能要求高，特別是動向性能。二、NC機(jī)床對數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求1.調(diào)速范圍要寬且要有優(yōu)秀的穩(wěn)固性(在調(diào)速范圍內(nèi))調(diào)速范圍：一般要求：RNFmaxFmin穩(wěn)固性：指輸出速度的顛簸要少，特別是在低速時的安穩(wěn)性顯得特別重要。調(diào)速范圍：一般要求：RN10000且0.1mmminFmin1mmmin2.穩(wěn)固性：指輸出速度的顛簸要少，特別是在低速時的安穩(wěn)性顯得特別重要。輸出地點精度要高靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位偏差和重復(fù)定位偏差要小。(尺寸精度)動向：跟從精度，這是動向性能指標(biāo)，用跟從偏差表示。(輪廓精度)敏捷度要高，有足夠高的辯解率。3.負(fù)載特征要硬在系統(tǒng)負(fù)載范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載變化時，輸出速度應(yīng)基本不變。即△F盡可能?。划?dāng)負(fù)載突變時，要求速度的恢復(fù)時間短且無振蕩。即△t盡可能短；應(yīng)有足夠的過載能力，以知足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。（高速恒功率，低速恒轉(zhuǎn)矩）這是要求伺服系統(tǒng)有優(yōu)秀的靜態(tài)與動向剛度。響應(yīng)速度快且無超調(diào)這是對伺服系統(tǒng)動向性能的要求，即在無超調(diào)的前提下，履行零件的運(yùn)動速度的成即刻間tp應(yīng)盡可能短。往常要求從0→Fmax（Fmax→0），其時間應(yīng)小于200ms，且不可以有超調(diào)，不然對機(jī)械零件不利，有害于加工質(zhì)量。5.系統(tǒng)的靠譜性高，保護(hù)使用方便，成本低。能可逆運(yùn)行和屢次靈巧啟停。綜上所述：對伺服系統(tǒng)的要求包含靜態(tài)和動向特征雙方面；對高精度的數(shù)控機(jī)床，對其動向性能的要求更嚴(yán)。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)–無地點反應(yīng)，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的性能和精度。–一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件。–這種系統(tǒng)擁有構(gòu)造簡單、工作穩(wěn)固、調(diào)試方便、維修簡單、價錢便宜等長處，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合獲取寬泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的地點采樣點如下圖，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動零件的實質(zhì)地點。半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包含或只包含少許機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，所以可獲取穩(wěn)固的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)固性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。因為絲杠的螺距偏差和齒輪空隙惹起的運(yùn)動偏差難以除去。所以，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這種偏差進(jìn)行賠償，因此仍可獲取滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)造簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因此在現(xiàn)代CNC機(jī)床中獲取了寬泛應(yīng)用。全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的地點采樣點如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動零件的實質(zhì)地點進(jìn)行檢測從理論上講，能夠除去整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的偏差、空隙和失動量。擁有很高的地點控制精度。因為地點環(huán)內(nèi)的很多機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特征、剛性和空隙都是非線性的，故很簡單造成系統(tǒng)的不穩(wěn)固，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。2．按使用的履行元件分類（1）電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。長處：在低速下能夠獲取很高的輸賣力矩，剛性好，時間常數(shù)小、反響快和速度安穩(wěn)。弊端：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2）電氣伺服系統(tǒng)伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和溝通電機(jī)）長處：操作保護(hù)方便，靠譜性高。1）直流伺服系統(tǒng)進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)采納大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運(yùn)動系統(tǒng)采納他激直流伺服電機(jī)。長處：調(diào)速性能好。弊端：有電刷，速度不高。2）溝通伺服系統(tǒng)溝通感覺異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。長處：構(gòu)造簡單、不需保護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動向響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。3．按被控對象分類（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)指一般觀點的地點伺服系統(tǒng)，包（2）主軸伺服系統(tǒng)不過一個速度控制系統(tǒng)。

括速度控制環(huán)和地點控制環(huán)。C軸控制功能。4．按反應(yīng)比較控制方式分類1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)2）相位比較伺服系統(tǒng)3）幅值比較伺服系統(tǒng)4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)二、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)流行于70年月，該系統(tǒng)構(gòu)造簡單、控制簡單、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路以外，其余部分均可由軟件實現(xiàn)，進(jìn)而進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)。所以，這種系統(tǒng)當(dāng)前仍有相當(dāng)?shù)氖袌?。?dāng)前步進(jìn)電機(jī)僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控；打印機(jī)、畫圖機(jī)等計算機(jī)的外面設(shè)施。步進(jìn)電機(jī)——一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)角位移（或線位移）的控制電機(jī)。對它送一個控制脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度，稱為一步?？刂菩阅芎茫刂葡到y(tǒng)簡單靠譜，成本低；控制精度受步距角限制，高負(fù)載或高速度時易失步。（一）分類按工作原理：反響式、永磁式、混淆式等按輸出扭矩：功率式、伺服式按運(yùn)動方式：旋轉(zhuǎn)式、直線式通電方式（以m=3,Z=4為例,齒距角360/4=90,定、轉(zhuǎn)子齒間相錯90/3=30）（1）三相單三拍（1相通電）:步距角30逆時針：ABCA順時針：ACBAm相單m拍（2）三相雙三拍（2相通電）：ABBCCAAB（逆時針,步距角30）;m相雙m拍（3）三相六拍（1-2相通電）：AABBBCCCAA逆時針,步距角15）m相2m拍m>3的通電方式（四相八拍、五相十拍等）、反響式步進(jìn)電機(jī)的特色：——對步進(jìn)電機(jī)的控制十分方便。F高n快，通電次序決定轉(zhuǎn)向——氣隙?。?0~50μm——步距角?。很洿刨Y料，靠磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)距。——勵磁電流較大。要求驅(qū)動電源功率較大，而效率較低——電機(jī)的內(nèi)部阻尼較小。當(dāng)相數(shù)少時，單步運(yùn)行振蕩時間較長?！獛T性負(fù)載能力差，特別是在高速時易失步——斷電后無定位轉(zhuǎn)矩。（三）反響式步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)1、步距角和步距角偏差步距角:每改變一次通電狀態(tài)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度=360/mZK（K通電方式系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)同樣，則K=1；不然K=2）數(shù)控機(jī)床:/,/,/,/,/3靜態(tài)步距角偏差=實質(zhì)步距角-理論步距角=±10’~30'2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax：轉(zhuǎn)子初始穩(wěn)固均衡地點：空載時某相通電，定、轉(zhuǎn)子齒對齊，轉(zhuǎn)子上無轉(zhuǎn)矩輸出(不改變通電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子處于不動狀態(tài)）；失調(diào)角θe：轉(zhuǎn)子上加負(fù)載轉(zhuǎn)矩后達(dá)到與T相均衡時所轉(zhuǎn)過的角度；靜態(tài)矩角特征曲線：轉(zhuǎn)子上靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角e的關(guān)系。最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax：表示步進(jìn)電機(jī)承受負(fù)載的能力額定電流I↑→Tjmax↑→負(fù)載能力↑→運(yùn)行迅速性和穩(wěn)固性3、空載啟動頻次fq（步/s)步進(jìn)電機(jī)在空載時由靜止?fàn)顟B(tài)能不失步啟動進(jìn)入正常運(yùn)行的最高頻次。fq↑→迅速性↑4、啟動矩頻特征步進(jìn)電機(jī)在帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩時啟動頻次與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系5、空載運(yùn)行頻次（連續(xù)運(yùn)行頻次）fmax步進(jìn)電機(jī)空載啟動后能不失步連續(xù)運(yùn)行的最高頻次6、運(yùn)行矩頻特征步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)固運(yùn)行時輸運(yùn)行矩頻特征出電磁轉(zhuǎn)矩T與連續(xù)運(yùn)行頻率f之間的關(guān)系（權(quán)衡電機(jī)運(yùn)行時承載能力的動向性能指標(biāo)）。f↑→繞組感抗↑→電流波形變壞→電流幅值↓→T↓（四）步進(jìn)電機(jī)的選擇1、步距角的選擇δ=Sθ/360oi(mm/脈沖）-脈沖當(dāng)量S–絲杠螺距-步距角（o）i-電機(jī)與絲杠間的傳動比，I是大于1的數(shù)F--運(yùn)動方2、向最大的靜阻態(tài)轉(zhuǎn)抗距切Tjmax削力的選擇（N)μ—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)W—工件及工作臺重量（N)η—齒輪和絲杠的總效率I—減速比TF≯(F+（μ~TW)S×10ˉ3jmax(值TF=2πηi3、啟動頻次fq的選擇fqFfq1TF/TJFJ1J2J3W180)21JF/J2(i981fq：空載啟動頻次（Hz)，查電動機(jī)樣本；fqF：設(shè)計要求的負(fù)載啟動頻次（Hz)，TF未知時，取fqF=fq/2；T：空載啟動頻次下由矩頻特征決定的力矩（）

，查曲線；J：電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，查電動機(jī)樣本（；JF：電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量（；J1、J2、

J3

：齒輪

Z1、Z2及絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（

；4、fmax

的選擇

f

1000v/60選擇步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻次fmax應(yīng)能知足機(jī)床工作臺最高運(yùn)行速度的要求。v：進(jìn)給速度(m/min)。若要求工進(jìn)時（ve，Te)，快進(jìn)時（vk，Tk)，則選擇步進(jìn)電動機(jī)（fe，T’e)和（fk，T’k)，使T’e>Te，T’k>Tk。Z2f，t步進(jìn)電機(jī)Z1步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計要解決的主要問題：*動力計算*傳動計算*驅(qū)動電路設(shè)計或選擇目的：傳動計算選擇適合的參數(shù)以知足脈沖當(dāng)量和進(jìn)給速度F的要求。圖中：f—脈沖頻次（HZ）α—步距角（度）Z1、Z2—傳動齒輪齒數(shù)t—螺距(mm)—脈沖當(dāng)量（mm）傳動比選擇：為了湊脈沖當(dāng)量mm，也為了增大傳達(dá)的扭矩，在步進(jìn)電機(jī)與絲桿之間，要增添一對齒輪傳動副，那么，傳動比i=Z1/Z2與α、、t之間有如下關(guān)系：i:Z1360360t0.0120Z120Z1360Z2:i0.8Z225it360.75625Z2t例：=t=6mmα=°進(jìn)給速度F：F60fmmminfmax8000~16000HZ一般步進(jìn)電機(jī)：若：δ=0.01mm則：Fmax4800~9600mmmin若δ=0.001mmFmax480~960mmmin則：所以，當(dāng)fmaxFmax與δ成正比，故我們在談到步進(jìn)電一準(zhǔn)時，機(jī)開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應(yīng)指明是在多大的脈沖當(dāng)量δ下的不然是沒存心義的。五、提升步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的舉措(1)影響步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的要素：1.步進(jìn)電機(jī)的步距角精度；2.機(jī)械傳動零件的精度；3.絲桿等機(jī)械傳動零件、支承的傳動空隙；4.傳動件和支承件的變形。(2)提升步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的舉措1.適合提升系統(tǒng)構(gòu)成環(huán)節(jié)的精度；2.采納各樣精度賠償舉措。傳動空隙賠償在整個行程范圍內(nèi)丈量傳動機(jī)構(gòu)傳動空隙，取其均勻值寄存在數(shù)控系統(tǒng)中的空隙賠償單元，當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)反向運(yùn)動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將賠償值加到進(jìn)給指令中，進(jìn)而達(dá)到賠償?shù)哪康?。螺矩偏差賠償滾珠絲桿在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用寬泛，固然滾珠絲桿精度較高，可是總不行做的絕對精準(zhǔn)，老是將其精度控制在必定的范圍內(nèi)的，也就是它的螺距老是存在著必定的偏差的，利用計算機(jī)的運(yùn)算辦理能力，能夠賠償滾珠絲杠的螺矩積累偏差，以提升進(jìn)給位移精度。方法：第一丈量出進(jìn)給絲框螺距偏差曲線(規(guī)律)，而后可采納以下兩種方法實現(xiàn)偏差賠償：硬件賠償、軟件賠償。二、相位比較伺服系統(tǒng)相位伺服系統(tǒng)是采納相位比較方法實現(xiàn)地點閉環(huán)（及半閉環(huán)）控制的伺服系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床常用的一種地點控制系統(tǒng)。1..鑒相式伺服系統(tǒng)的工作原理：利用相位比較原理:當(dāng)數(shù)控裝置要求工作臺沿一個方向向進(jìn)給時，插補(bǔ)器或插補(bǔ)軟件便產(chǎn)生一列進(jìn)給脈沖；該進(jìn)給脈沖作為指令信號送入伺服系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，進(jìn)給脈沖第一經(jīng)脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)變成相關(guān)于基準(zhǔn)信號的相位差，設(shè)為φ（代表了指令要求工作臺的進(jìn)給距離）；另一方面，來自于丈量元件及信號辦理線路的反應(yīng)信號也表示成相關(guān)于基準(zhǔn)信號的相位差，設(shè)為θ(代表了機(jī)床工作臺實質(zhì)挪動的距離)。在鑒相器中：φ和θ進(jìn)行比較；二者的差值φ–θ，稱為跟從偏差；跟從偏差信號經(jīng)電壓和功率放大后，驅(qū)動履行元件帶動工作臺挪動。進(jìn)給開始時:θ=0；進(jìn)給過程中:θ≠0，φ-θ≠0當(dāng)φ-θ=0時,進(jìn)給停止三、幅值比較伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)以地點檢測信號的幅值反應(yīng)機(jī)械位移，并采納幅值比較的方法實現(xiàn)地點閉環(huán)或半閉環(huán)控制。與鑒相式伺服系統(tǒng)的差別?(1)鑒幅式伺服系統(tǒng)丈量元件是以鑒幅式工作狀態(tài)進(jìn)行工作的，所以，可用的丈量元件主要有旋轉(zhuǎn)變壓器和感覺同步器。（2)鑒幅式伺服系統(tǒng)中比較器所比較的是數(shù)字脈沖量，故不需要基準(zhǔn)信號，兩數(shù)字脈沖量可直接在比較器中進(jìn)行脈沖數(shù)目的比較。而與之對應(yīng)的鑒相式伺服系統(tǒng)的鑒相器所比較的是相位信號，需要基準(zhǔn)信號鑒幅式伺服系統(tǒng)的工作原理比較器：進(jìn)入比較器的信號有來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖(代表了數(shù)控裝置要求機(jī)床工作臺挪動的位移)和來自丈量元件及信號辦理線路的數(shù)字脈沖信號(代表了工作臺實質(zhì)挪動的距離)。鑒幅系統(tǒng)工作前，數(shù)控裝置和丈量元件的信號辦理線路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零，此時履行元件不可以帶動工作臺挪動；當(dāng)有進(jìn)給脈沖信號以后，比較器的輸出不再為零，履行元件開始帶動工作臺挪動；同時，丈量元件又將工作臺的位移檢測出來，經(jīng)信號辦理線路變換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，并作為反應(yīng)信號進(jìn)入比較器與進(jìn)給脈沖入行比較。若比較器的輸出不為零，說明工作臺實質(zhì)挪動的距離還不等于指令信號要求工作臺挪動的距離，履行元件帶動工作臺繼續(xù)挪動。若比較器的輸出不零，說明工作臺實質(zhì)挪動的距離等于指令信號要求工作臺挪動的距離，履行元件停止帶動工作臺挪動。數(shù)模變換電路：將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)變成直流電壓信號，再經(jīng)驅(qū)動線路進(jìn)行電壓和功率放大后，驅(qū)動履行元件帶動工作臺挪動。[總結(jié)]速度控制的原理：①調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調(diào)理器的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提升，電機(jī)轉(zhuǎn)速上漲