數控機床伺服系統(tǒng)

數控機床伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)是數控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC裝置是數控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。第一節(jié)概述.進給伺服系統(tǒng)的定義及組成.定義：進給伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)——以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。一、進給伺服系統(tǒng)的定義及組成組成：進給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：位置控制單元；速度控制單元；驅動元件(電機)；檢測與反饋單元；機械執(zhí)行部件。３、進給伺服驅動系統(tǒng)由進給伺服系統(tǒng)中的驅動電機及其控制和驅動裝置組成。４、驅動電機是進給系統(tǒng)的動力部件，它提供執(zhí)行部分運動所需的動力，在數控機床上常用的電機有：步進電機直流伺服電機交流伺服電機直線電機。５、速度單元是上述驅動電機及其控制和驅動裝置，通常驅動電機與速度控制單元是相互配套供應的，其性能參數都是進行了相互匹配，這樣才能獲得高性能的系統(tǒng)指標。６、速度控制單元主要作用：接受來自位置控制單元的速度指令信號，對其進行適當的調節(jié)運算(目的是穩(wěn)速)，將其變換成電機轉速的控制量(頻率，電壓等)，再經功率放大部件將其變換成電機的驅動電量，使驅動電機按要求運行。簡言之：調節(jié)、變換、功放。７、進給驅動系統(tǒng)的特點（與主運動（主軸）系統(tǒng)比較）：功率相對較??；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是動態(tài)性能。二、NC機床對數控進給伺服系統(tǒng)的要求1.調速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調速范圍內)調速范圍：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。調速范圍：一般要求：2.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。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，這是動態(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.負載特性要硬在系統(tǒng)負載范圍內，當負載變化時，輸出速度應基本不變。即△F盡可能??；當負載突變時，要求速度的恢復時間短且無振蕩。即△t盡可能短；應有足夠的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。（高速恒功率，低速恒轉矩）這是要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動態(tài)剛度。4.響應速度快且無超調這是對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，即在無超調的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立時間tp應盡可能短。通常要求從0→Fmax（Fmax→0），其時間應小于200ms，且不能有超調，否則對機械部件不利，有害于加工質量。5.系統(tǒng)的可靠性高，維護使用方便，成本低。6.能可逆運行和頻繁靈活啟停。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；對高精度的數控機床，對其動態(tài)性能的要求更嚴。開環(huán)數控系統(tǒng)無位置反饋，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動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數控機床。半閉環(huán)數控系統(tǒng)半閉環(huán)數控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數控系統(tǒng)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。全閉環(huán)數控系統(tǒng)全閉環(huán)數控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。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控機床等。2．按使用的執(zhí)行元件分類（1）電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達和電液伺服馬達。優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數小、反應快和速度平穩(wěn)。缺點：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（步進電機、直流電機和交流電機）優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。1）直流伺服系統(tǒng)進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機。優(yōu)點：調速性能好。缺點：有電刷，速度不高。2）交流伺服系統(tǒng)交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。優(yōu)點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應好、轉速高和容量大。3．按被控對象分類（1）進給伺服系統(tǒng)指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。（2）主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)。C軸控制功能。4．按反饋比較控制方式分類（1）脈沖、數字比較伺服系統(tǒng)（2）相位比較伺服系統(tǒng)（3）幅值比較伺服系統(tǒng)（4）全數字伺服系統(tǒng)二、步進電機步進電機流行于70年代，該系統(tǒng)結構簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數字化。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結構。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當的市場。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經濟型數控；打印機、繪圖機等計算機的外部設備。步進電機——一種將電脈沖信號轉換成相應角位移（或線位移）的控制電機。對它送一個控制脈沖，其轉軸就轉過一個角度，稱為一步?？刂菩阅芎?，控制系統(tǒng)簡單可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高負載或高速度時易失步。（一）分類按工作原理：反應式、永磁式、混合式等按輸出扭矩：功率式、伺服式按運動方式：旋轉式、直線式通電方式（以m=3,Z=4為例,齒距角360/4=90,定、轉子齒間相錯90/3=30）（1）三相單三拍（1相通電）:步距角30逆時針：ABCA…順時針：ACBA…m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）mm>3的通電方式（四相八拍、五相十拍等）、反應式步進電機的特點：——對步進電機的控制十分方便。F高n快，通電順序決定轉向——氣隙?。?0~50μm——步距角?。很洿挪牧希看抛枳兓a生轉距?！獎畲烹娏鬏^大。要求驅動電源功率較大，而效率較低——電機的內部阻尼較小。當相數少時，單步運行振蕩時間較長?！獛T性負載能力差，尤其是在高速時易失步——斷電后無定位轉矩。（三）反應式步進電動機的主要性能指標1、步距角和步距角誤差步距角:每改變一次通電狀態(tài)轉子所轉過的角度=360/mZK（K通電方式系數，相鄰兩次通電相數相同，則K=1；否則K=2）數控機床:/,/,/,/,/3靜態(tài)步距角誤差Δ=實際步距角-理論步距角=±10’~30'2、最大靜轉矩Tjmax：轉子初始穩(wěn)定平衡位置：空載時某相通電，定、轉子齒對齊，轉子上無轉矩輸出(不改變通電狀態(tài)時，轉子處于不動狀態(tài)）；失調角θe：轉子上加負載轉矩后達到與T相平衡時所轉過的角度；靜態(tài)矩角特性曲線：轉子上靜態(tài)電磁轉矩T與失調角e的關系。最大靜轉矩Tjmax：表示步進電機承受負載的能力額定電流I↑→Tjmax↑→負載能力↑→運行快速性和穩(wěn)定性3、空載啟動頻率fq（步/s)步進電機在空載時由靜止狀態(tài)能不失步啟動進入正常運行的最高頻率。fq↑→快速性↑4、啟動矩頻特性步進電機在帶動負載轉矩時啟動頻率與負載轉矩的關系5、空載運行頻率（連續(xù)運行頻率）fmax步進電機空載啟動后能不失步連續(xù)運行的最高頻率6、運行矩頻特性步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸運行矩頻特性出電磁轉矩T與連續(xù)運行頻率f之間的關系（衡量電機運轉時承載能力的動態(tài)性能指標）。f↑→繞組感抗↑→電流波形變壞→電流幅值↓→T↓（四）步進電機的選擇1、步距角的選擇δ=Sθ/360oi(mm/脈沖）δ-脈沖當量S–絲杠螺距θ-步距角（o）i-電機與絲杠間的傳動比，I是大于1的數(F+μW)S×10ˉ32πηi(F+μW)S×10ˉ32πηiTF=fq：空載啟動頻率（Hz)，查電動機樣本；fqF：設計要求的負載啟動頻率（Hz)fq：空載啟動頻率（Hz)，查電動機樣本；fqF：設計要求的負載啟動頻率（Hz)，TF未知時，取fqF=fq/2；T：空載啟動頻率下由矩頻特性決定的力矩（），查曲線；J：電機轉子轉動慣量，查電動機樣本（；JF：電機軸上的等效負載轉動慣量（；J1、J2、J3：齒輪Z1、Z2及絲杠的轉動慣量（；3、啟動頻率fq的選擇F--運動方向的阻抗切削力（N)μ—導軌摩擦系數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≯（~Tjmax(相數較多、突跳頻率不高系數取大值驅動及控制系統(tǒng)組成：環(huán)形脈沖分配器+功率放大器對驅動電源的要求（1）電源的相數、通電方式、電壓、電流應與步進電機的基本參數相適應；（2）能滿足步進電機啟動頻率和運行頻率的要求；（3）工作可靠，抗干擾能力強；（4）成本低，效率高，安裝和維護方便。三、步進電動機的驅動及控制系統(tǒng)（驅動電源）v：進給速度(m/min)。若要求工進時（ve，Te)，快進時（vk，Tk)，則選擇步進電動機（fe，T’e)和（fk，T’k)，使T’e>Te，T’k>Tk。4、fmax的選擇選擇步進電機的連續(xù)運行頻率fmax應能滿足機床工作臺最高運行速度的要求。步進電機Z步進電機Z1Z2tf，*動力計算*傳動計算*驅動電路設計或選擇目的：傳動計算選擇合適的參數以滿足脈沖當量和進給速度F的要求。圖中：f—脈沖頻率（HZ）α—步距角（度）Z1、Z2—傳動齒輪齒數t—螺距(mm)—脈沖當量（mm）傳動比選擇：為了湊脈沖當量mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比i=Z1/Z2與α、、t之間有如下關系：例：=t=6mmα=°進給速度F：一般步進電機：若：δ=0.01mm則：若δ=0.001mm則：因此，當一定時，與δ成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應指明是在多大的脈沖當量δ下的否則是沒有意義的。五、提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施(1)影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：1.步進電機的步距角精度；2.機械傳動部件的精度；3.絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；4.傳動件和支承件的變形。(2)提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施1.適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；2.采取各種精度補償措施。傳動間隙補償在整個行程范圍內測量傳動機構傳動間隙，取其平均值存放在數控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償的目的。螺矩誤差補償滾珠絲桿在數控機床應用廣泛，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：首先測量出進給絲框螺距誤差曲線(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。二、相位比較伺服系統(tǒng)相位伺服系統(tǒng)是采用相位比較方法實現(xiàn)位置閉環(huán)（及半閉環(huán)）控制的伺服系統(tǒng)，是數控機床常用的一種位置控制系統(tǒng)。1..鑒相式伺服系統(tǒng)的工作原理：利用相位比較原理:當數控裝置要求工作臺沿一個方向向進給時，插補器或插補軟件便產生一列進給脈沖；該進給脈沖作為指令信號送入伺服系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，進給脈沖首先經脈沖調相器轉變?yōu)橄鄬τ诨鶞市盘柕南辔徊睿O為φ（代表了指令要求工作臺的進給距離）；另一方面，來自于測量元件及信號處理線路的反饋信號也表示成相對于基準信號的相位差，設為θ(代表了機床工作臺實際移動的距離)。在鑒相器中：φ和θ進行比較；兩者的差值φ–θ，稱為跟隨誤差；跟隨誤差信號經電壓和功率放大后，驅動執(zhí)行元件帶動工作臺移動。進給開始時:θ=0；進給過程中:

θ≠0

，φ-θ≠0

當

φ-θ=0時,進給停止三、幅值比較伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)以位置檢測信號的幅值反映機械位移，并采用幅值比較的方法實現(xiàn)位置閉環(huán)或半閉環(huán)控制。與鑒相式伺服系統(tǒng)的區(qū)別

(1)鑒幅式伺服系統(tǒng)測量元件是以鑒幅式工作狀態(tài)進行工作的，因此，可用的測量元件主要有旋轉變壓器和感應同步器。（2)鑒幅式伺服系統(tǒng)中比較器所比較的是數字脈沖量，故不需要基準信號，兩數字脈沖量可直接在比較器中進行脈沖數量的比較。而與之對應的鑒相式伺服系統(tǒng)的鑒相器所比較的是相位信號，需要基準信號鑒幅式伺服系統(tǒng)的工作原理比較器：進入比較器的信號有來自數控裝置的進給脈沖(代表了數控裝置要求機床工作臺移動的位移)和來自測量元件及信號處理線路的數字脈沖信號(代表了工作臺實際移動的距離)。鑒幅系統(tǒng)工作前，數控裝置和測量元件的信號處理線路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零，此時執(zhí)行元件不能帶動工作臺移動；當有進給脈沖信號之后，比較器的輸出不再為零，執(zhí)行元件開始帶動工作臺移動；同時，測量元件又將工作臺的位移檢測出來，經信號處理線路轉換成相應的數字脈沖信號，并作為反饋信號進入比較器與進給脈沖進行比較。若比較器的輸出不為零，說明工作臺實際移動的距離還不等于指令信號要求工作臺移動的距離，執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動。若比較器的輸出不零，說明工作臺實際移動的距離等于指令信號要求工作臺移動的距離，執(zhí)行元件停止帶動工作臺移動。數模轉換電路：將比較器輸出的數字量轉化為直流電壓信號，再經驅動線路進行電壓和功率放大后，驅動執(zhí)行元件帶動工作臺移動。[總結]速度控制的原理：①調速：當給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調節(jié)器的輸入端，產生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機轉速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達到新的平衡，電機以較高的轉速運行。②干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負載增加，電機轉速下降，速度反饋電壓降低，則速度調節(jié)器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經電流調節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓