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数控机床的伺服驱动与监测第一节 概述一、伺服系统的概念v数控机床伺服系统是以机械位移为直节控制目标的自动 控制系统,也可称为位置随动系统,简称为伺服系统。 数控机床伺服系统主要有两种:一种是进给伺服系统, 它控制机床各坐标轴的切削进给运动,以直线运动为主 ;另一种是主轴伺服系统,它控制主轴的切削运动,以 旋转运动为主。本章只介绍第一种伺服系统。vCNC装置是数控机床发布命令的“大脑”,而伺服驱动则 为数控机床的“四肢”,是一种“执行机构”,它能夠准确的 执行来自CNC装置的运动指令。驱动装置由驱动部件和 速度控制单元组成。驱动部件由交流或直流电动机、位 置监测元件及相关的机械传动和运动部件组成。v伺服系统的控制方法主要分为开环、闭环和半闭环三种控制方法。 它实际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式。v开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道 控制,而没有测量实际位置输出的反馈通道。由步进电动机直接驱 动滚珠丝杆副的结构就是开环控制系统的实例。它的结构简单、调 整维护方便、工作可靠、成本低,但每一指令脉冲的进给误差、传 动链的误差间隙、导轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终 都反映到实际位移中去,使得定位精度较低。此外,它的速度低, 低速平稳性差,效率也较低。电机机械执行部件A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f 脉冲个数n 换算脉冲环 形分配 变换功率 放大v如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角 的变化,则系统变成了半闭环系统。这样,与开环系统 相比,半闭环系统,提高了精度,但它检测的反馈信号 来自于系统中某一个非最终输出的环节,使得系统无法 对这一环节到最终控制目标之间的误差自动进行补偿。位置控制调节器速度控制 调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插 补 指令实际位 置反馈实际速 度反馈v在前向控制通道的基础上在加上直接检测最终输出的反 馈控制通道就形成了闭环控制的伺服系统。检测元件通 常为直线感应同步器和光栅等直线行位检元件,安装在 最终的移动目标工作台上。v伺服驱动系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性 能。数控机床的最高移动速度,跟踪速度,定位精度等 重要的指标都取决于伺服系统的动态和静态特性。它一 直是数控机床研究的重要课题之一。位置控制调节器速度控制 调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插 补 指令实际位 置反馈实际速 度反馈二、进给伺服系统的要求v 数控机床完成各种不同的加工任务,对 进给伺服系统的要求也不尽相同,可概括 为以下几点要求。1.精度高 伺服系统的精度是指输出量能复 现输入量的精确程度。直接影响机的定位 精度和重复定位精度,因而对零件的加工 精度影响很大。精密加工的数控机床要求 定位和轮廓切削精度都比较高,一般允许 偏差在0.010.001mm之间,甚至到0.1um 。2.调速范围宽 调速范围Rn为Rn=nmax/nmin式中nmax 、nmin 额定负载时的最高、最低转 速,单位为r/min。v 对一般的数控机床而言,进给伺服系统的调速 范围Rn为1:24000就足够了,即在 124000mm/min调速范围内速度能够均衡、稳 定、无爬行地工作。较为先进的机床可以获得更 大的调速范围。3.快速响应 为了保证轮廓切削形状精度和表面 粗糙度,除了保证较高的定位精度外,还要求跟 踪指令信号响应快,一般在200ms以内,甚至小 于几十ms。4.低速大转矩 切削加工的特点一般是在低速时 进行重切削。为适应加工要求对伺服系统要求低 速大转矩。系统具有这一特性,可以简化传动链 ,使传动装置机械结构得道简化系统刚性加强, 使传动装置的动态质量和传动精度得到提高。4.高性能的伺服电动机 伺服电动机是伺服系 统的重要驱动元件。为满足上述要求,对伺服电 动机的要求应该是:从最低速度到最高速度能平 滑运转,具有大的、较长时间的过载能力、响应 快,还要求能承受平凡的启动、制动和反转。v进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机,直 流和交流调速电动机。交流调速电动机是机床进 给驱动的一个方向。自80年代中期开始,交流进 给驱动得到了迅速的发展。今天,一些先进的国 家几乎全部采用交流进给驱动。交流调速电动机 是以异步电动机和永磁同步电动机为基础的交流 电动机,而所采用的异步电动机多为批量生产的 普通结构形式的异步电动机,可以预见,交流调 速电动机将是最有发展前途的进给驱动装置。第二节 步进电动机的驱动与 应用v步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机 械角位移的驱动元件。给一个电脉冲信号 ,步进电动机就回转一个固定的角度,称 为一步,所以称为步进电动机。有由于它 输入的是脉冲电流,也称为脉冲电动机。v步进电动机具有精度高,惯性小的特点,对各种 干扰因素不敏感,误差不会长期积累,转过360 以后其积累误差为“0”。它主要用于开环控制系 统,使系统的结构简单、运行可靠,也可用于闭 环控制系统。按励磁方式的不同,步进电动机可 分为反应式、永磁式、感应式和混合式等。混合 式步进电动机的结构和原理具有反应式和永磁式 两种电动机的特点,在同样的励磁电流下,它可 以产生更大的转矩。目前这种电动机以在数控机 床等领域得到了广泛的应用。反应式步进电动机 应用普遍,结构也简单,是我们分析的重点对向 。一、步进电动机的工作原理v 图6-2所示为反应式步进电动机的结构原理图 。它的定子和转子铁心通常由硅钢片叠成。定子 上有A、B、C三对磁极,在相对应的磁极上绕有 A、B、C三向控制绕组。假设转子上有四个齿, 齿宽与定子的极靴宽相等,相邻两齿所对应的空 间角度为齿距角。齿距角Ot为 Ot=360/Zr 式中Zr转子齿数。在图6-2所示的三相(A、B、C)步进电动机中, Zr=4,齿距角Ot=90。v二、步进电动机的主要性能指标v1、步距角及步距精度v同一相数的步进电动机通常有两种步距角,如 1.5/0.75、1.2/0.6、3/1.5等。单、双拍制 的步距角比单拍制或双拍制的步距角减小一半。v静态步距角误差是实际步距角与理论步距角之间 的误差,以偏差的角度或理论步距角的百分数来 衡量。它的值越小,就表示精度越高。按静态步 距角误差,步进电动机的精度分为两级,如表6- 1所示。vwww.cnshu.cn中国最大的资料库下载表6-1 步进电动机步距角精度分 级步距角 1级精度 2级精度 sTam, 在电磁转矩作用下,转过一个步矩角到达新的平 衡位置n,此时,Tbn=T1。显然,如果负载T1Tq ,A、B相的切换无法使转子到达新的平衡位置n ,而产生“失步“现象。不同相数的步进电动机的 起动转矩不同,一般相数越多,拍数越多,则气 动转矩越大。v根据步进电动机的相数、拍数选取起动转 矩,见表6-3。表中Tmax为步进电动机的最 大静转矩。3、起动频率和起动特性v起动频率是指步进电动机不失步起动所能 施加的最高控制脉冲频率。在电动机空载 情况下,成为空载起动频率。在有负载情 况下,不失步起动所允许的最高频率将大 大降低。例如70BF3型步进电动机空载起 动频率是1400Hz,当负载为最大转矩Tmax 的0.55倍时,起动频率下降到50Hz。表6-3 步进电动机相数、拍数、 最大负载转矩表运行 方式 相数 3456拍数 3648510612Tq/Tmax 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 v步进电动机带一定负载起动后,连续缓慢 提高脉冲频率直到不丢步运行的最高频率 称为运行频率。它比起动频率大得多。因 此步进电动机常采用升降速控制,起停时 频率降低,正常运行时,频率升高。图6-7 表示了负载转矩与运行频率的关系。频率选择时因满足下式ftfop (6-4)v式中 ft步进电动机极限起动频率;fop要求步进电动机最高起动频 率。4、连续运行频率v步进电动机在实际应用中一般均处在连续脉冲运 行状态,控制脉冲的变化及对它的影响可分为三 个区段:(1)脉冲频率极低 这时电动机的运行为连续 的单步运动。一般电动机由一个稳定点变化到另 一个稳定点时,转子要在新的稳定点附近来回振 荡若干次,最后才稳定下来。当输入的脉冲时间 间隔大于电动机振荡衰减时间时,第二个脉冲还 没到来时,前一次的脉冲已经完毕,转子处在稳 定位置,其运行过程如图6-8a所示,每一步都和 单步运动一样。这种状态步进电动机能够跟随输 入脉冲可靠的工作。(2)脉冲频率很高 这时脉冲间隔短,在前一 步还没有振荡结束,后一个脉冲就已经来临,使 步进电动机连续平滑的转动,转速比较稳定,如 图6-8所示。(3)低频共振 当脉冲频率介于及低频和高频 之间,容易接近于电动机本身的振荡频率,这时 电动机将产生强烈振动,甚至失步无法工作。这 就是步进电动机低频共振丢步现象。一般不允许 步进电动机在共振频率下运行。为减少这一共振 现象,很多步进电动机设置了专门的阻尼器,消 耗振动能量,限制振幅。5、应用举例v下面举一个模拟工作台的例子。工作台的 纵向轴是导程P=1.25mm的普通丝杆副, 步进电动机通过一对降速齿轮副与丝杆连 接。设丝杆轴向的负载Fa=500N;最 大进给速度vmax=0.8m/min;脉冲当量 =0.002mm/step;传动的总效率是 0.255。请选用步进电动机。v设选用的徚进电动机的步矩角 s=0.75/step(1)确定步进电动机的起动力矩Tq 当电动机 在起动力矩Tq作用下转一个步矩角s时,所作的功为WD=Tq*s/3602工作台克服负载Fa、位移所做的功Wa=Fa*根据能量守恒WD=Wa得Tq=360*Fa/2*s*=360*0.002*5000/2*3. 14*0.75。*0.255N.mm=2997.3N.mm(2)确定步进电动机最大静转矩Tmax 为满足最小步矩要求,电动机选用三相六 拍工方式,根据表6-3得Tq/Tmax=0.866, 则Tmax=299.73/0.866N.cm=346.11N.cm(3)确定步进电动机运行频率 fmax=1000*vmax/60*=1000*0.8/60*0.002 Hz=6650Hz根据以上参数选电动机100BF003。它的 Tmax=800N.cm,s=0.75/1.5 fmax=7000。三、脉冲分配v由步进电动机的工作原理知,要使电动机正常的 一步一步地运行,控制脉冲必须按一定的顺序分 别供给电动机各相,例如三相单拍驱动方式,供 给脉冲的顺序为A-B-C-A或A-C-A,也可称为环 形脉冲分配。脉冲分配有两种方式:一种是硬件 脉冲分配,另一种是软件分配,是由计算机的软 件完成的。1.脉冲分配器v脉冲分配器可以用门电路及逻辑电路构成,提供 符合步进电动机控制指令所需的顺序脉冲。目前 已经有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的脉冲 分配器供选择。按其电路结构不同可分为TTL集 成电路和CMOS集成电路。v目前市场提供的国产TTL脉冲分配器有三 相(YBO13)、四相(YBO14)、五相( YBO15)和六相(YBO16),均为18个管 脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器 也有不同型号,例如CH250型用来驱动三 相步进电动机,封装形式为本16脚直插式 。v这两种脉冲分配器的工作方式基本相同, 当各个引脚连接好之后,主要通过一个脉 冲输入端,控制步进的速度;一个输入端 控制电动机的转向;并有与步进电动机相 数相同数目的输出端分别控制电动机的各 相。2.软件脉冲分配v在计算机控制的步进电动机驱动系统中, 通常采用软件的方法实现环形脉冲分配。 图6-9所示是一个8031单片机与步进电动 机驱动电路接口的框图。P1口的三个引
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