第六章 数控机床的伺服系统.ppt
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1、第六章 数控机床的伺服驱动系统,第一节 概述第二节 开环步进式伺服系统第三节 数控机床的检测装置第四节 闭环伺服系统第五节 闭环伺服系统分析,数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度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在于接受来自数控装置的进给脉冲信号,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,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一。,第一节 概述,数控机床的伺服驱
2、动,第一节 概述,数控机床的伺服驱动,第一节 概述,第一节 概述,一、数控机床对数控伺服系统的要求,1、精度高 由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出,为保证加工质量,要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要求定位精度为0.001-0.01mm,高档设备达到0.1m以上。速度控制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力,以保证动、静态精度较高。2、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20ms以内,在短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
3、区小,能频繁启、停和正、反向运动。,3、调速范围宽 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同,要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件,伺服系统就必须有足够的调速范围。既满足高速加工要求,又满足低速进给要求。在低速切削时,还要求伺服系统能输出较大的转距。4、系统可靠性好 数控机床的使用率很高,常常是24h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。,第一节 概述,第一节 概述,执行元件及其驱动控制单元必不可少。驱动控制单元将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式,执行元件则将该信号转化为相应的机械位
4、移。开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常,执行元件选用步进电动机。闭环(半闭环)伺服系统由执行元件、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,7.1 概述,图6-1 数控机床伺服系统的基本组成,驱动控制单元:电路。信号变换、功率放大电路。,执行元件:驱动元件。步进电动机,伺服电动机。,反馈检测单元:半闭、闭环系
5、统有,开环无。,机床:机械传动,运动执行件。,三、伺服系统的分类 按控制原理和有无检测反馈装置:开环、闭环和半闭环伺服系统;按其用途和功能:进给驱动系统和主轴驱动系统;按其驱动执行元件的动作原理:电液伺服驱动系统、电气伺服驱动系统(直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电机伺服系统),第一节 概述,第一节 概述,1.开环和闭环控制,(1)开环伺服系统,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。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。指令脉冲的频率决定了步进电机的转速,进而决
6、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。开环伺服系统加工精度低,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。特点: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。,第一节 概述,(2)闭环伺服系统,有位置检测装置,且装在机床工作台上,直接检测工作台的实际位移。利用CNC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。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。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,使系统的设计、安装和调试都相当困难
7、。适用于大型或比较精密的数控设备。,闭环进给伺服系统结构,第一节 概述,第一节 概述,(3)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。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开环系统,但比闭环要好。适用于中小型数控机床。,第一节 概述,进给伺服系统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,并提供切削过程所需转矩,包括速度控制环和位置控制环
8、。主轴伺服系统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需的切削力,且保证任意转速的调节。,2.进给驱动与主轴驱动,第一节 概述,3.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。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。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交流电
9、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。,伺服驱动系统的发展概况 在50年代,数控机床主要采用液压驱动,称为液压伺服系统,这种系统的优点是刚性好,时间常数小。60年代初,日本推出步进电机开环伺服驱动系统,这种系统结构简单,价格低廉,使用维修方便,在数控设备中被广泛采用。70年代,直流电机伺服系统采用闭环或半闭环控制,精度提高一个数量级,调速范围可达1:10000,运行速度提高到15-24m/min。直流电机伺服系统的缺点是结构复杂,价格昂贵。在80年代以后,微机和
10、微电子技术的迅速发展,为交流电机伺服系统的调速控制提供了条件,伺服系统发展的趋势是交流伺服驱动系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。,第一节 概述,第二节 开环步进式伺服系统,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、大小和速度的机械转角位移,并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。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、开环步进伺服系统工作原理,第二节 开环步进式伺服系统,步进电机驱动模块,步进电机,优
11、点:结构简单,价格便宜,工作可靠;缺点:容易失步(尤其在高速、大负载时),影响定位精度;在低速时容易产生振动;细分技术的应用,明显提高了定位精度,降低了低速振动。应用:要求一般的开环伺服驱动系统,如经济型数控机床的进给驱动。,20,1.步进电动机的种类和结构,力矩,反应式,激磁式,伺服式,功率式,单定子,双定子,多定子,径向分相,轴向分相,功率,定子,分相,第二节 开环步进式伺服系统,二、步进电动机,第二节 开环步进式伺服系统,单定子反应式步进电机利用电磁铁原理,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,在直径方向上相对的两个齿
12、上的线圈串联在一起,构成一相控制绕组,构成A、B、C三相控制绕组,任一相绕组通电形成一组定子磁极。转子无绕组,有周向均布的齿,依靠磁极对齿的吸合工作。,22,2.步进电机的工作原理,磁力线力图沿磁阻最小(磁导最大)路径闭合,定子:多相绕组 转子:多齿,用电脉冲信号进行控制,将其转换成角位移,电磁吸引原理,第二节 开环步进式伺服系统,步进电机的工作方式(通电顺序)可分为:,三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,三相单三拍:,(1)三相绕组联接方式:Y 型,(2)三相绕组中的通电顺序为:,各相绕组轮流通电一次的操作称为一个通电周期,每个通电周期使转子转过一个齿距角,第二节 开环步进式伺服系统,
13、24,三相单三拍工作方式,假设转子只有4个齿,第二节 开环步进式伺服系统,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐,B,B,A,C,C,A,B相通电,转子2、4齿和B相轴线对齐,C,C相通电,转子1、3齿和C相轴线对齐,A,B,C,1,3,2,4,A,B,C,1,3,2,4,A,第二节 开环步进式伺服系统,三相单三拍的特点:(1)每来一个电脉冲,转子转过30。(2)转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。(3)每次定子绕组只有一相通电,在切换瞬间失去自锁转矩,容易产生失步,只有一相绕组产生力矩吸引转子,在平衡位置易产生振荡。,失步包括丢步和越步。丢步时,转子前进的步数小于脉冲数;越步时,转子前进
14、的步数多于脉冲数。,丢步严重时,将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动,越步严重时,机床将发生过冲。,第二节 开环步进式伺服系统,27,三相六拍工作方式,通电顺序为:AABBBCCCAA 六拍。,第二节 开环步进式伺服系统,28,通电顺序AABBBCCCAA(逆时针)AACCBCBCAA(顺时针)每步转过15,步距角是三相三拍工作方式的一半。特点:电机运转中始终有一相定子绕组通电,运转比较平稳。,三相六拍工作方式,第二节 开环步进式伺服系统,29,A相吸1,3B相吸2,4,C相吸1,3B相吸2,4,C相吸1,3A相吸2,4,双三拍工作方式,第二节 开环步进式伺服系统,30,定子绕组通电顺序
15、为ABBCCAAB(转子逆时针旋转)ACBCCA(转子顺时针旋转)有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引,每步仍旋转30。特点:始终有一相定子绕组通电,工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点,双三拍工作方式,第二节 开环步进式伺服系统,31,结论,1.步进电机定子绕组的通电状态每改变一次,它的转子便转过一个确定的角度即步进电机的步距角;2.改变步进电机定子绕组的通电顺序,转子的旋转方向将随之改变;3.步进电机定子绕组通电状态的变换频率越高,转子的转速越高;4.步进电机的步距角与定子绕组的相数m,转子的齿数z,通电方式K有关,由如下关系:式中,三相三拍时(m相m拍)时:K1;三相六拍(m相2m拍
16、)时:K2。,第二节 开环步进式伺服系统,第二节 开环步进式伺服系统,(1)步距角和静态步距误差步进电机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关,即有:360/(mzk)。其中:m相m拍时,k1;m相2m拍时,k2,依此类推。例如,三相三拍,z40时,360/(3401)3。一般较小,如:31.5,1.50.75,0.720.36等。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,一般在10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。,3.步进电机主要特性,(2)启动频率fqo 空载时,步进电机由静止状态突然起动,
17、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(在允许范围内),启动频率会进一步降低。(3)连续运行的最高工作频率 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,与驱动电源也有很大关系。,第二节 开环步进式伺服系统,(4)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。
18、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上升而下降的特点。,第二节 开环步进式伺服系统,步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中,定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时,变化速度必须逐渐上升;从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时,变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小,否则会失步或超步。,(5)加、减速特性,第二节 开环步进式伺服系统,第二节 开环步进式伺服系统,三.步进电机的驱动控制线路,功
19、能:将具有一定频率f、一定数量N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、变化次数和通断电顺序。驱动控制器主要由环形脉冲分配器和功率放大器组成。,37,功用:控制电动机定子绕组按一定顺序改变通电状态使转子克服阻力旋转,脉冲混合电路加减脉冲分配电路加减速电路环形分配器 功率放大器,组成:,第二节 开环步进式伺服系统,38,加减速电路(自动升降速电路),根据步进电机加减速特性,进入步进电机定子绕组的电信号的频率变化要平滑而且应有一定的时间常数。但由加减脉冲分配电路来的进给脉冲频率的变化是有跃变的。,为了保证步进电机能够正常、可靠地工作,上述跃变频率必须首先进行缓冲
20、,使之变成符合步进电机加减速特性的脉冲频率,然后再送入步进电机的定子绕组。加减速电路就是为此而设置。,经过该电路后,输出脉冲的个数与输入的进给脉冲的个数相等,以保证电机不会丢步。,2-9,第二节 开环步进式伺服系统,39,环形分配器,功能:将数控装置送来的一串指令脉冲,按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端,以控制励磁绕组的通断,实现步进电机的运行及换向。,实现方法:,硬件环形分配器,软件环形分配器,第二节 开环步进式伺服系统,40,硬件环形分配器,硬件环形分配驱动与数控装置的连接,可由D触发器或JK触发器构成(早期),亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。,TTL集成
21、电路,CMOS集成电路,第二节 开环步进式伺服系统,41,例:CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片,通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式。,CMOS集成电路,三相六拍接线图,第二节 开环步进式伺服系统,42,软件环形分配器,由数控装置中的软件完成环形分配,直接驱动步进电机各绕组的通、断电。用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序,可使线路简化,成本下降,可灵活地改变步进电机的控制方案。,第二节 开环步进式伺服系统,43,软件环形分配器的设计方法:查表法、比较法、移位寄存器法等,常用查表法。,两坐标步进电机伺服进给系统框图,第二节 开环步进式伺服系统
22、,44,16进制,步进电机环形分配器的输出状态表,第二节 开环步进式伺服系统,45,功率放大器,作用:是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号。,电机绕组是电感,流经其中的电流不能突变,产生延时,影响电机性能;且截止时会产生很高的反相电动势,威胁功率器件的安全。,能够提供快速升降的电流,电流波形尽量接近方波;截止期间,具有快速放电回路,降低相绕组两端的反相电动势,加快电流衰减;功耗低,效率高,对驱动电路的要求:,第二节 开环步进式伺服系统,46,种类:所用的功率放大器件:中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等;,步进电机有几相,就需要几组功率放大电路。,功率放大器,
23、工作原理,单电压驱动高低电压驱动 恒流斩波调频调压 细分电路,第二节 开环步进式伺服系统,47,t1t2:V1、V2均导通,U1高压供电,L中的I迅速上升起动时间短,适于高频起动,信号E:Eb1V1 电源:U1高压电源 60V80V Eb2V2 U2 低压电源 12V,t2t3::V1导通,U2低压供电,I降到稳态值并保持,1高低电压切换驱动电路,第二节 开环步进式伺服系统,48,1高低电压切换驱动电路特点:高压充电,保证电流以较快的速度上升,低压供电,维持绕组中的电流为额定值。,输入脉冲信号为“0”时,T1、T2均截止,IL=0,输入信号为“1”时,T1 导通,而T2在高压控制电路下导通 时
24、间t1较短(100-600 s),绕组在高压 U1下电流 迅速增大至额定值,此时低压 U2无效。,电路分析:,第二节 开环步进式伺服系统,49,t1之后,T2截止,低压供压,维持绕组所需的额定电流Ie,输入脉冲信号消失(为“0”),T1、T2均截止,L上电流经放电回路:LRD2U1U2D1L 迅速下降,U1,U2,1高低电压切换驱动电路,第二节 开环步进式伺服系统,50,缺点:晶体管多,电源多,线路复杂(脉宽变换),成本高,优点:功率损耗低,起动快 力矩大,适用频率高,适于:大功率,高频工作的步进电动机,存在的问题:,绕组上电流Il 随外加电压(U1、U2)变化而变化,当外加电压变化时,电机特
25、性变差,工作不稳定,绕组电流波形下凹,使电机输出转矩降低,3)R的存在使效率降低,1高低电压切换驱动电路,第二节 开环步进式伺服系统,51,2恒流斩波电路,在绕组回路中串接电流检测电路:,当绕组电流下降至一定下限时,由检测电路发生信号、控制高压管再度接通,使绕组 电流回升;,当电流增至某一上限时,再次断开高压管。,第二节 开环步进式伺服系统,52,2恒流斩波电路,特点:电流值降到下限设定值时,高压功率管导通,绕组电流上升,上升到上限设定值时,关断高压管。一个步进周期内,高压管多次通断,使电流在上、下限间波动,接近恒定值。,为了提高系统的高频响应,提高供电电压、加快电流上升前沿,但这样可能会引起
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