数控机床的伺服系统.pdf

第6章数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 概述一、伺服系统的组成数控机床的伺服系统按其功能可分为:进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系统是以机床移动部件(如工作台)的位置和速度作为控制量的自动控制系统,通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。进给伺服系统的作用:接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号,由伺服驱动装置作一定的转换和放大后,经伺服电机(直流、交流伺服电机、功率步进电机等)和机械传动机构,驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置,以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”,是发布“命令”的指挥机构,那么伺服系统就是数控机床的“四肢”,是执行“命令”的机构,它是一个不折不扣的跟随者。. 第6章数控机床的伺服系统图6-1 闭环进给伺服系统结构位置控制模块速度控制单元伺服电机工作台位置检测测量反馈伺服驱动装置速度环速度检测位置环数控机床闭环进给系统的一般结构如图,这是一个双闭环系统,内环为速度环,外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件,它是用来控制电机转速的,是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。. 第6章数控机床的伺服系统由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成,而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看,是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看,它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后,通过调速系统驱动伺服电机,才实现实际位移的。. 第6章数控机床的伺服系统 1. 调速范围宽为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件,就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。一般0-24m/min. 2. 可逆运行 3. 足够的传动刚度和高的速度稳定性 4. 快速响应和无超调 5高精度 6 低速大转矩 7 对伺服电机的要求速度变化平滑;过载、低速能力;小惯量高响应。 8 对主轴驱动的要求高切削效率;调速宽;一定的恒转矩和恒功率 对伺服系统的基本要求. 第6章数控机床的伺服系统一、步进电机工作原理步进电机伺服系统是典型的开环控制系统,在此系统中,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,并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节,其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。 步进电机及其驱动装置工作台驱动控制线路图6-2开环伺服系统简图指令脉冲步进电机齿轮箱. 第6章数控机床的伺服系统步进电机在结构上分为定子和转子两部分。有永磁式(PM,permanent ),磁阻式(VR,variable reluctance),和混合式(HB,hybrid)等。以图6-3所示反应式(磁阻式)三相步进电机. A A B B C C 定子转子绕组图6-3 三相反应式步进电机结构定子上有六个磁极,每个磁极上绕有励磁绕组,每相对的两个磁极组成一相, 分成A、B、C三相。转子无绕组,它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时,A、B、C三对磁极就依次产生磁场,并每次对转子的某一对齿产生电磁引力,将其吸引过来,而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时,磁阻最小,转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流,转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。. 第6章数控机床的伺服系统图6-5为例来说明其转动的整个过程,假设转子上有四个齿,相邻两齿间夹角(齿距角)为90。当A相通电时,转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去,使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电,A相断电,磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来,使转子按逆时针方向转动30。然后C相通电,B相断电, 转子又逆时针旋转30,依次类推,定子按A →B→C→A顺序通电,转子就一步步地按逆时针方向转动,每步转30。若改变通电顺序,按A→C→B→A使定子绕组通电,步进电机就按顺时针方向转动,同样每步转30o。这种控制方式叫三相单三拍方式, “单”是指每次只有一相绕组通电, “三拍”是指每三次换接为一个循环。由于