第3章 数控机床伺服系统,3.1 数控机床伺服系统的组成及分类,3.2 步进伺服系统,3.3 直流伺服系统,3.4 交流伺服系统,3.5 数控机床的检测装置,3.1 数控机床伺服系统的组成及分类,3.1.1 数控机床伺服系统的组成,3.1.2 数控机床对伺服系统的要求,1.高精度,2.可逆运行和频繁灵活启停,3.速度范围宽,4.具有高的速度稳定性和足够的传动刚性,5.快速晌应并无超调,6.低速大转矩,8.伺服系统对伺服电机的要求,7.系统可靠性高，维护使用方便，成本低,3.1.3 数控机床伺服系统的分类,1.按有无反馈分类,1）开环伺服系统 （见图3-2）,2）闭环伺服系统（见图3-3）,3）半闭环伺服系统（见图3-4）,2.按使用的伺服电机分类,步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。,步进伺服结构简单，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。,1）步进伺服系统,步进伺服系统的驱动装置为步进电机,2）直流伺服系统,直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。,直流伺服系统的驱动装置为直流伺服电机,缺点是：直流伺服电动机引入了机械换向装置，其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其它设备产生电磁干扰；同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度,3）交流伺服系统,交流伺服系统的驱动装置为交流伺服电机,特点是：宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。现在，有些国家的厂家，已全部使用交流伺服系统。,4）直线伺服系统,直线伺服系统的驱动装置为直线电机，该伺服系统是一种有发展前途的伺服系统,3.按进给驱动和主轴驱动分类,1）进给伺服系统,进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，是数控机床中要求最高的伺服控制，包括速度控制环和位置控制环。,一般的主轴控制仅是一个速度控制系统。但具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。,2） 主轴伺服系统,此外，为了控制在刀库的不同位置进行选择刀具，也需要为刀库配备位置控制系统，但其位置控制与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统,1）脉冲、数字比较伺服系统（见图3-5）,4.按反馈比较控制方式分类,2）相位比较伺服系统（见图3-6）,3）幅值比较伺服系统（见图3-7）,在这三种系统中，相位比较伺服系统应用没有脉冲数字比较伺服系统广泛，幅值比较伺服系统应用较少 。,4）全数字伺服系统,其由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，软件数字PID使用灵活，柔性好。随着更多新的控制技术发展和采用，全数字伺服系统的伺服性能得到了进一步的提高和完善，使得控制的精度和品质获得了极大的提高。,3.2 步进伺服系统,3.2.1 步进电动机的种类结构及其工作原理,用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类:反应式步进电动机和混合式步进电动机，,我们以一台三相反应式步进电动机为例来分析步进电机的工作原理，如图3-8所示,电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度 称为步距角。上述通电方式称为三相单三拍。所谓“单”，是指每次通电时，只有一相绕组通电；所谓“三拍”，是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。显然，在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角应为30o。,三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还有三相单、双六拍的通电方式。这时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，或为A-AC-C-CB-B-BA-A。这种通电方式下，三相步进电动机的步距角应15o。,在实际使用中，通常将采用“双三拍”通电方式，很少采用单三拍通电方式。,在数控机床中通常采用的是小步距角的步进电动机。图3-9所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机。,它的定子上有6个极，上面装有绕组，并接成A、B、C三相，并且每段极弧上各设有5个齿。转子上均匀分布着40个齿，定子转子的齿宽和齿距都相同。,故转子每个齿的齿距应为360。/40=9。；而每个定子磁极的极距为360。/6 = 60，所以每一个极距所占的齿距数不是整数。,图3-10所示为步进电动机的展开图。,当A极下的定、转子齿对齐时，B极和C极下的齿就分别和转子齿错开三分之一的转子齿距。当控制绕组按A-B-C-A 顺序循环通电时，若断开A相绕组而接通B相绕组，转子按顺时针方向转过3，从而使定子B极下的齿和转子齿对齐。若按A-AB-B-BC-C-CA-A 顺序循环通电，每一脉冲仅转动1.5,3.2.2 步进电机的特性及选用,1.静特性矩角特性和最大静转矩,当步进电动机某相通以直流电流时，如果在电动机轴上加了一个负载，则步进电动机转子就要在转过一次小角度后，才会重新稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩T和负载转矩相等，称T为静态转矩；而转过的这个角度，称为失调角。,描述步进电动机静态时电磁转矩T与失调角之间关系的特性曲线称为矩角特性曲线。,当转子转过一个齿距，矩角特性就变化一个周期，相当于2角度，定、转子齿形均为矩形的矩角特性曲线近似于正弦曲线，如下图3-11所示。,1）当定、转子齿（槽）的中心线重合时（图3-12左图），失调角= 0，电磁转矩T =0； 2）当定子槽中心线与转子齿的中心线重合时（图3-12中图），则失调角=，这时由于相邻两定子齿对这个转子齿的拉力相同，方向相反，所以同样有电磁转矩T=0； 3）当定子槽中心线与转子齿的中心线错开1/4齿距时（图3-12右图），则=/2 ，此时转矩最大，称为最大静态转矩，其方向是使转子趋向=0的位置，其大小与通电状态及绕组内电流的值有关。,2.最大启动转矩,我们用图3 -13单步运行矩角特性曲线来对此进行分析。,曲线1和曲线2的交点转矩Tq是步进电机所能带动负载的极限值，成为最大启动转矩。,3.步进电机的连续运转,当绕组通电状态未切换时，定、转子齿对齐,当控制脉冲到来时，通电绕组切换，转子在电磁转矩的作用下产生加速度并向新通电相的定子齿运动。当转子运动到与定子齿对齐的位置时，达到矩角特性的新平衡点,由于转子积累了动能，不能马上停止，因而要冲过新平衡点，因而要冲过新平衡点，此时，电磁转矩为负值，转子很快被减速至零。,然后转子在负载转矩作用下反向运动，又回到平衡点，同样由于惯性，转子还要冲过平衡点，最后稳定在平衡点。,从绕组通电，继而转子开始运转并最终稳定于新的平衡点的过程称为转子运动的过渡过程；期间所用时间称为过渡时间。,如果输入脉冲间隔大于过渡过程的时间，振荡会衰减并稳定于新的平衡点。如果控制间隔小于单步运行的过渡过程时间，步进电动机就处于连续运行状态。实际上，步进电动机大都是在连续运行状态下工作的。,4.矩频特性,电动机在连续工作状态下所产生的转矩称为动态转矩。步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性，如图3-14所示。,5.工作频率,步进电动机的工作频率，通常分为启动频率、制动频率及连续工作频率。,步进电动机的工作频率是指电动机按指令的要求进行不失步工作时的最大脉冲频率。,对同样的负载转矩来说，正、反向的启动频率和制动频率都是一样的，而连续工作频率要高得多。,步进电动机的启动频率是指它在一定的负载转矩下能够不失步地起动的最高频率。绕组的时间常数越小，负载转矩和转动惯量越小，步矩角越小，则启动频率越高。,失步包括丢步和超步。丢步是指转子前进的步数小于脉冲数；超步是指转子前进的步数多于脉冲数。,6.步进电机的选用,（1）首先选定系统的脉冲当量。,（2）选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。,（3）然后根据已知的负载转矩，可以在启动矩频特性曲线中查出启动频率。,步进电动机有两条重要的特性曲线，即反映启动频率与负载转矩之间关系的曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线，这两条曲线是选用步进电动机的重要依据。,若已知步进电动机的连续运行频率f，就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩Tdm，,假若要求：在切削进给时的转矩为Te，最大切削进给速度为e，在快速进给时的转矩为Tk，最大快进速度为k。,首先，依据下式，将进给速度值转变成电动机的工作频率：,式中：进给速度(m/min)；脉冲当量(mm)；f步进电动机工作频率。,将最大切削进给速度代入e，可求得在切削进给时的最大工作频率fe，若将最大快速进给速度k代入，就可求得在快速进给时的最大工作频率fk。,3.2.3 步进电机的驱动电源,步进电机驱动系统框图如图3-15所示。,环形分配器、功率放大器以及其他控制线路的组合共同组成步进电机的驱动装置，即驱动电源。,1.环形分配器 环形分配器，又称为环形脉冲分配器或环分器，分为硬件环分器和软件环分器两种。,(1)硬件环形分配器,常用的脉冲分配器集成模块有PM03、PM04、 PM05、PM06 (数字代表相数)、PMM8713 / PMM8723 / PMM8714、CH224、CH250等下面以CH250 （图3-16）为例来作一下介绍。,(2)软件环形配器,简称软环分。随着微机运行速度的提高，利用软件实现环形分配器成为现实。软件环形配器利用软件实现硬件脉冲分配器的功能。,用软件进行环形分配，采用不同的计算机及接口器件有不同的形式。这里不再详细说明。,2.功率驱动电路 功率驱动电路的控制方式很多，最早采用的是单电压驱动电路，接着出现的是高低压切换驱动电路，后来又出现了恒流斩波电路、调频调压电路以及细分电路等。所采用功率半导体元件是大功率的GTR、功率场效应晶体管MOSFET或可关断晶闸管。,（1）单电压驱动电源（图3-17）,VD是续流二极管，其作用有二：,一是使绕组中的电流在关断时能迅速消失,二是防止功率晶体管被高压击穿,电容C是用来提高绕组脉冲电流的前沿， 提高了步进电机的高频响应性能 。,Rd是用来减小泄放回路的时间常数 (=L/（Rs + Rd）其中L是电机绕组W的电感），提高电流泄放速度，从而改善电机的高频特性。,（2）高低压驱动电源。,它采用两套电源给电机绕组供电，一套是高压电源，另一套是低压电源，如图3-18。,在图中，由脉冲变压器T组成了高压控制电路。,采用高低压供电的驱动电源，绕组电流的建立和消失都比较快，从而改善了步进电机的高频性能。,高低压切换也可通过定时来控制。称作高压定时控制驱动电源。,（3）恒流斩波驱动电路,高低压驱动电路的电流波形的波顶会出现凹形，如图3-18所示，会造成高频输出转矩的下降。为了使历磁绕组中的电流维持在额定值附近，现在工程上多采用斩波驱动电路，如图3-18所示，其波形图见3-20,3.3 直流伺服系统,3.3.1直流伺服电动机的分类,直流伺服电动机根据磁场励磁的方式不同，可以分为他励式、永磁式、并励式、串励式、复励式五种；,按结构来分，可以分为电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、空心杯电枢式等；,按转速的高低可分为两大类，高速直流伺服电动机和低速大扭矩宽调速电动机。,1.高速直流伺服电动机,高速直流伺服电动机又可分为普通直流伺服电动机和高性能直流伺服电动机。,高性能直流伺服电动机又有小惯量无槽电枢直流伺服电动机和空心杯电枢直流伺服电动机 。,2.低速大扭矩宽调速电动机,又称为直流力矩电机。其在数控机床上得到广泛的应用。,3.3.2 永磁直流伺服电机,目前，在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是大惯量宽调速永磁式直流伺服电动机,1.永磁直流伺服电动机基本结构（见图3-21）与特点,3.永磁直流伺服电动机工作原理,直流电动机工作原理的示意图如图3-22所示,1）电动机转矩平衡方程式,通常，电磁转矩T可以按下式计算：,（3-2）,电动机轴上的转矩平衡方程式为：,（3-3）,由式（