第三章 数控机床的进给运动,第三章 数控机床的进给运动,第一节 进给伺服系统 第二节 进给传动机械结构 第三节 位置检测元件 第四节 进给伺服电动机的驱动,第三章 数控机床的进给运动,图3-1 电液伺服马达,第三章 数控机床的进给运动,图3-2 步进电动机 a)反应式步进电动机 b)混合式步进电动机,第三章 数控机床的进给运动,图3-3 永磁直流伺服电动机,第三章 数控机床的进给运动,图3-4 无刷直流伺服电动机,第三章 数控机床的进给运动,图3-5 交流伺服电动机 a)感应异步交流伺服电动机 b)永磁同步交流伺服电动机,第三章 数控机床的进给运动,图3-6 直线伺服电动机,第三章 数控机床的进给运动,图3-7 进给运动分类、组成及传动图 a)进给运动分类、组成及电动机 b)直线进给传动简图,第一节 进给伺服系统,一、对进给伺服系统和各组成部分的要求 1.对进给伺服系统的要求 (1)稳定性 稳定性是进给伺服系统得以正常工作的基本条件。 (2)快速响应 快速响应是指系统对主令输入信号的响应速度和瞬态过程结束的迅速程度，包括系统的响应时间和机床运动部件的加速能力。 (3)精度 精度是指输出量复现输入量的精确程度，包括动态误差(瞬态过程出现的误差)，稳态误差(瞬态过程结束后，系统存在的误差)和静态误差(元件误差及干扰误差)。 (4)宽调速范围 例如，进给速度060m/min连续、稳定可调。 (5)低速大转矩 以适应大切削用量粗加工。 (6)电磁锁紧力 机床运动部件静止时有足够的电磁锁紧力。,第一节 进给伺服系统,2.对伺服电动机的要求 1)转速由低到高平滑运转，转矩波动小。 2)适应频繁起动、停止，顺时针、逆时针旋转。 3)能提供低速大转矩，瞬时过载能力强，如46min过载46倍。 3.对机床运动部件的要求 (1)谐振频率 机械传动各分系统的谐振频率应高于整个系统的设计谐振频率,且高于截止频率(设计谐振频率为截止频率的612倍)，以满足动态特性。 (2)高刚度 根据所需的机械传动部件谐振频率确定必需的刚度值。 (3)适当的阻尼比 阻尼比与质量、刚度和粘性阻尼系数相关，为衰减机械振动和颤振现象，应增加机械传动阻尼比。,第一节 进给伺服系统,(4)转动惯量小 在驱动力矩一定时，转动惯量越小，加速(减速)性能越好。 (5)无间隙 间隙会造成反转误差和威胁闭环系统的稳定性。 (6)摩擦 与速度无关的摩擦产生反转误差，与速度有关的摩擦影响阻尼比。 4.对位置检测元件及传感器的要求 1)精度满足要求且稳定。 2)线性好，灵敏度高。 3)反应速度快，可靠性好。 4)成本低，安装、使用方便，易维护，寿命长。 二、进给伺服系统的组成及数学模型 1.功能图与传递函数的概念,第一节 进给伺服系统,图3-8 功能图单元,2.系统的组成,第一节 进给伺服系统,图3-9 直流伺服电动机闭环进给伺服系统工作原理及机能功能图,3.建立数学模型,第一节 进给伺服系统,4.系统的简化 5.一阶系统的开环增益,图3-10 简化成一阶系统的功能图,第一节 进给伺服系统,0311.TIF,6.进给伺服系统的动态响应特性,第一节 进给伺服系统,图3-12 一阶系统的两种输入方式 a)一阶系统单位阶跃信号输入 b)一阶系统等速斜坡信号输入,第一节 进给伺服系统,图3-13 两种输入响应 a)单位阶跃输入响应 b)等速斜坡输入响应,第一节 进给伺服系统,图3-14 瞬态响应性能指标,7.误差分析,第一节 进给伺服系统,第一节 进给伺服系统,图3-15 =加工圆轨迹时的情况,第一节 进给伺服系统,图3-16 =加工斜面时的情况,第一节 进给伺服系统,图3-17 跟踪误差引起的轮廓失真,第一节 进给伺服系统,图3-18 拐角误差,第一节 进给伺服系统,8.系统的稳定性 1)系统的阻尼比是原来的(1KaKMKf)倍，增加了阻尼效应，对稳定性和减小超调量都有好处。 2)系统运动时开环增益较低，稳定性好，但不影响响应特性和静态误差。 3)由于速度回路的增益很大，使环路内的功率放大器和伺服电动机等元件的非线性影响很小。 9.为进一步提高加工精度而采取的措施 (1)前馈控制(复合控制) 在位置反馈的基础上，增加前馈控制信号，以进一步减少动态跟踪误差，提高加工精度，如图3-19所示。,第一节 进给伺服系统,图3-19 前馈控制框图,(2)摩擦扭矩补偿 可减少工作台反向时由于摩擦扭矩产生的跟踪,第一节 进给伺服系统,滞后而提高伺服系统的响应能力，提高加工精度，适用于高速切削。,图3-20 摩擦扭矩补偿框图和 加工圆时的精度比较,第一节 进给伺服系统,10.自适应控制,图3-21 自适应控制,11.智能控制 12.伺服系统计算机辅助设计(CAD),第二节 进给传动机械结构,一、联轴器 联轴器的主要作用是在两轴间传递旋转运动和转矩，另外还可以吸收两轴安装时产生的微量不同轴度、两轴旋转时可能出现的轴向圆跳动，以及热胀、振动等引起的偏差。,图3-22 各种联轴器外形图 1一体成形的金属弹性联轴器 2梅花弹性体联轴器 3膜片联轴器 4波纹管联轴器 5滑块联轴器 6滚珠丝杠支承座,第二节 进给传动机械结构,二、同步带 同步带可以实现无间隙传动，取代了齿轮传动及其所需的各种消隙结构。,图3-23 同步带外形图,第二节 进给传动机械结构,图3-24 同步带的齿形,第二节 进给传动机械结构,图3-25 滚珠丝杠副剖视图,三、滚珠丝杠副,第二节 进给传动机械结构,滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间加入滚珠，如图325所示，使之形成滚动摩擦。,图3-26 两种丝杠副传动效率,第二节 进给传动机械结构,图3-27 内循环式(工作圈数4),第二节 进给传动机械结构,0328.TIF,第二节 进给传动机械结构,图3-29 常见的4种预紧方式及其滚珠接触情况 a)双螺母垫片预紧(D) b)双螺母螺纹预紧(L) c)单螺母变位导程预紧(B) d)单螺母增大滚珠直径预紧(Z),第二节 进给传动机械结构,图3-30 滚珠丝杠支承方式 a)一端固定，另一端自由 b)两端支承 c)一端固定，另一端游动 d)两端固定,第二节 进给传动机械结构,四、导轨 传统的滑动导轨因为摩擦因数大，而且处于半干摩擦状态，易产生爬行，故不能用于数控机床。 1.塑料导轨,图3-31 贴塑导轨摩擦因数与,第二节 进给传动机械结构,图3-32 贴塑导轨磨损量与,第二节 进给传动机械结构,图3-33 滚动导轨块,2.滚动导轨,第二节 进给传动机械结构,图3-34 直线滚动导轨 a)滚动体为滚珠 b)滚动体为滚柱,第二节 进给传动机械结构,图3-35 分离型滚动导轨,第二节 进给传动机械结构,图3-36 圆弧滚动导轨,第二节 进给传动机械结构,图3-37 整体型圆形滚动导轨,第二节 进给传动机械结构,图3-38 分离型圆形滚动导轨 a)外圈分离 b)内圈分离,第二节 进给传动机械结构,图3-39 滚动导轨块安装方式一,第二节 进给传动机械结构,图3-40 滚动导轨块安装方式二,第二节 进给传动机械结构,图3-41 滚动导轨副的安装 a)左滑块规定在工作台上，右滑块不定位 b)右滑块用压板固定，左滑块配垫片后压紧,第二节 进给传动机械结构,五、数控回转工作台和分度工作台 数控回转工作台的回转轴有立式和卧式之分，近来常使用台上台结构，以扩大工艺范围。,图3-42 数控回转工作台结构,第二节 进给传动机械结构,图3-43 加支承的台上台,第二节 进给传动机械结构,图3-44 回转工作台外形及端面谐波齿轮 a)用谐波齿轮传动的回转工作台外形 b)端面谐波齿轮 1刚性构件 2柔性构件 3波发生器 4圆球 5球保持架,第二节 进给传动机械结构,图3-45 应用实例,第二节 进给传动机械结构,图3-46 两件套端齿盘,第二节 进给传动机械结构,图3-47 三件套端齿盘,第三节 位置检测元件,1.光电脉冲编码器,图3-48 光电脉冲编码器剖视图,第三节 位置检测元件,图3-49 光电脉冲编码器原理图,第三节 位置检测元件,图3-50 角度编码器外观图,第三节 位置检测元件,图3-51 旋转编码器外观图,第三节 位置检测元件,图3-52 绝对式编码器,第三节 位置检测元件,图3-53 伪绝对式编码器,2.光栅尺,第三节 位置检测元件,图3-54 光栅尺结构,第三节 位置检测元件,图3-55 透射式光栅尺,第三节 位置检测元件,图3-56 反射式光栅尺,第三节 位置检测元件,图3-57 绝对式光栅尺,第三节 位置检测元件,图3-58 步距光栅,第三节 位置检测元件,图3-59 经改进的绝对式光栅尺,3.其他检测元件,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-60 伺服驱动器的连接及附属模块 a)电气连接 b)附属模块,第四节 进给伺服电动机的驱动,一、永磁直流伺服电动机的驱动,图3-61 永磁直流伺服电动机,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-62 转速、电流双环控制电路,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-63 锯齿波脉冲宽度调制器,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-64 锯齿波脉宽调制波形图,二、直流无刷电动机(Brushless DC Motor，,第四节 进给伺服电动机的驱动,BDCM或BLDCM)的驱动 为克服永磁直流伺服电动机有刷的缺点，对它进行了改进，如图365所示，转子外表面安装永磁材料，定子为三相绕组，转子上除装有制动器（选项）和机座上供安装光电脉冲编码器的法兰（右端）外，转子右端装有转子位置检测器，用来控制定子绕组通电顺序，形成旋转磁场，带动转子旋转。,图3-65 直流无刷伺服电动机,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-66 直流无刷伺服电动机控制电路,三、交流伺服电动机驱动系统,第四节 进给伺服电动机的驱动,直流伺服电动机的缺点主要是其有换向器和电刷，换向器结构、工艺复杂，允许通过的电流有一定的限制，能量通过换向器输入时，转子发热，需采取措施散热，并且换向器和电刷磨损，需经常维护。,图3-67 永磁同步交流电动机结构图,第四节 进给伺服电动机的驱动,1.交流电动机双轴理论,图3-68 等效变换过程 a)三相交流绕组 b)二相交流绕组 c)直流绕组,2.电力变换,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-69 SPWM波形,3.PMSM电动机的磁场定向控制,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-70 磁场定向 控制示意图,第四节 进给伺服电动机的驱动,4.PMSM电动机的电磁转矩控制,图3-71 直流闭环电磁转矩控制系统,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-72 交流闭环电磁转矩控制系统,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-73 电磁转矩控制系统组成的位置控制系统,5.交流驱动系统的数字化控制,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-74 基于DSP的数字交流伺服系统,四、直线电动机驱动器系统,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-75 永磁直线电动机示意图,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-76 感应式直线电动机水平安装 a)单电动机 b)双电动机,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-77 两个感应式直线电动机垂直安装 a)床身外安装 b)床身内安装,第四节 进给伺服电动机的驱动,图3-78 交流永磁同步直线伺服电动机进给伺服系统框图,五、回转进给伺服系统,第四节 进给伺服电动机的驱动,传统的传动方式中，伺服电动机通过蜗杆、蜗轮传动，全闭环时，蜗轮轴上需安装分辨率高的角度编码器，如激光编码器，其结构与普通编码器相同，发光元件使用激光二极管，配以快速响应光敏二极管。,图3-79 数控回转工作台驱动控制系统功能图 (复合结构，可进行转角控制作进给运动，也可切换进行主切削运动),第四节 进给伺服电动机的驱动,六、步进电动机的驱动 步进电动机在金属切削机床上已很少采用，进给力较小的一些机床，如电加工机床仍有应用。 七、伺服电动机的技术参数和与其适配的驱动器 电动机的选用计算或验算方法可查阅有关手册或书刊，也可请制造商提供服务。,图3-