数控机床的伺服驱动系统.doc

第六章数控机床的伺服驱动系统
第一节概述
一、数控机床伺服系统的概念及组成
C装置是数控机床的“大脑”,发布“命令”的指挥机构,那么,伺服系统就是数控机床的“四肢”,是一种“执行机构”,C装置发来的运动命令。
数控机床伺服系统是以数控机床移动部件(如工作台、主轴或刀具等)的位置和速度为控制对象的自动控制系统,也称为随动系统、拖动系统或伺服机构。C装置输出的插补指令,并将其转换为移动部件的机械运动(主要是转动和平动)。伺服系统是数控机床的重要组成部分,是数控装置和机床本体的联系环节,其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。
通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象,闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。在开环系统中只有前向通路,C装置生成的插补脉冲经功率放大后直接控制步进电动机的转动;脉冲频率决定了步进电动机的转速,进而控制工作台的运动速度;输出脉冲的数量控制工作台的位移,在步进电动机轴上或工作台上无速度或位置反馈信号。在闭环伺服系统中,以检测元件为核心组成反馈回路,检测执行机构的速度和位置,由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和位移,进而来控制执行机构的速度和位移。
数控机床闭环伺服系统的典型结构如图1-5所示。这是一个双闭环系统,内环是速度环,外环是位置环。速度环由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等部分组成,利用测速发电机、脉冲编码器等速度传感元件,作为速度反馈的测量装置。C装置中位置控制、速度控制、位置检测与反馈控制等环节组成,用以完成对数控机床运动坐标轴的控制。数控机床运动坐标轴的控制不仅要完成单个轴的速度位置控制,而且在多轴联动时,要求各移动轴具有良好的动态配合精度,这样才能保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。
二、伺服系统应具有的基本性能
:伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确程度。由于数控机床执行机构的运动是由伺服电动机直接驱动的,为了保证移动部件的定位精度和零件轮廓的加工精度,要求伺服系统应具有足够高的定位精度和联动坐标的协调一致精度。~,。在速度控制中,要求高的调速精度和比较强的抗负载扰动能力。即伺服系统应具有比较好的动、静态精度。
,经过短时间的调节后达到新的平衡状态;或在外界干扰作用下,经过短时间的调节后重新恢复到原有平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度,为了保证切削加工的稳定均匀,数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力,以保证进给速度的均匀、平稳。
,它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间一般在20ms以下,在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令信号,要求伺服电动机能够迅速加减速,以实现执行部件的加减速控制,并且要求很小的超调量。
,低速时能输出大转矩。机床的调速范围RN是指机床要求电动机能够提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比,即:
(6-1)
其中nmax和nmin一般是指额定负载时的电动机最高转速和最低转速,对于小负载的机械也可以是实际负载时最高和最低转速。一般的数控机床进给伺服系统的调速范围RN为1:24 000就足够了,代表当前先进水平的速度控制单元的技术已可达到1:100 000的调速范围。同时要求速度均匀、稳定、无爬行,且速降要小。在平均速度很低的情况下(1mm/min以下)要求有一定瞬时速度。零速度时要求伺服电动机处于锁紧状态,以维持定位精度。
机床的加工特点是低速时进行重切削,因此要求伺服系统应具有低速时输出大转矩的特性,以适应低速重切削的加工实际要求,同时具有较宽的调速范围以简化机械传动链,进而增加系统刚度,提高转动精度。一般情况下,进给系统的伺服控制属于恒转矩控制,而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制,高速时为恒功率控制。
车床的主轴伺服系统一般是速度控制系统,除了一般要求之外,还要求主轴和伺服驱动可以实现同步控制,以实现螺纹切削的加工要求。有的车床要求主轴具有恒线速功能。
,为使伺服系统具有良好的性能,伺服电动机也应具有高精度、快响应、宽调速和大转矩的性能。具体是:
(1)电动机从最低速到最高速的调速范围内能够平滑运转,转矩波动要小,尤其是在低速时要无爬行现象;
(2)电动机应具有大的、长时间的过载能力,一般要求数分钟内过载4~6倍而不烧毁;
(3)为了满足快速响应的要求,即随着控制信号的变化,电动机应能在较短的时间内达到规定的速度