數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng).ppt

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1、數(shù)控原理與數(shù)控系統(tǒng) 第四章,,第四章 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng),了解位置控制系統(tǒng)的概況、基本要求、特點(diǎn)和系統(tǒng)組成 掌握開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)系統(tǒng)各功能組件的作用 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器的基本原理及其硬、軟件的實(shí)現(xiàn)方法 掌握交流伺服、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同類型的驅(qū)動(dòng)電路及其優(yōu)缺點(diǎn) 了解幅值、相位、脈沖比較和全數(shù)字伺服系統(tǒng)的控制方式,本章學(xué)習(xí)目標(biāo),本章學(xué)習(xí)內(nèi)容,伺服系統(tǒng)的基本概念 1、伺服系統(tǒng)的組成 2、對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 3、伺服系統(tǒng)的分類 位置控制 1、開環(huán)控制系統(tǒng) 2、幅值伺服系統(tǒng) 3、相位伺服系統(tǒng) 4、脈沖比較伺服系統(tǒng) 5、全數(shù)字式伺服系統(tǒng) 速度控制 1、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 2、主軸驅(qū)動(dòng)的速度控制

2、,4.1 伺服系統(tǒng)的基本概念,伺服系統(tǒng)亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它是指以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度為控制量，接收來自插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件生成的進(jìn)給脈沖指令，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大、檢測反饋，再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。這些軸有的帶動(dòng)工作臺，有的帶動(dòng)刀架，通過各個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。,4.1.1 伺服系統(tǒng)的組成,（1）比較組件。是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得

3、控制系統(tǒng)動(dòng)作的偏差信號的環(huán)節(jié)，通?？赏ㄟ^電子電路或計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。,,,（2）調(diào)節(jié)組件。又稱控制器，是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其作用是對比較組件輸出的偏差信號進(jìn)行變換、放大，以控制執(zhí)行組件按要求動(dòng)作。調(diào)節(jié)組件的質(zhì)量對伺服系統(tǒng)的性能有著重要的影響，其功能一般由軟件算法加硬件電路實(shí)現(xiàn)，或單獨(dú)由硬件電路實(shí)現(xiàn)。,,,（3）執(zhí)行組件。其作用是在控制信號的作用下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對象工作，數(shù)控機(jī)床中伺服電動(dòng)機(jī)是常用的執(zhí)行組件。,（4）被控對象。被控對 象是伺服系統(tǒng)中被控制 的設(shè)備或裝置，是直接 實(shí)現(xiàn)目的功能的主體， 其行為質(zhì)量反映著整個(gè) 伺服系統(tǒng)的性能，數(shù)控 機(jī)床中被控對

4、象主要是 機(jī)械裝置，包括傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,（5）測量反饋組件。測量反饋組件是指傳感器及其信號檢測裝置，用于實(shí)時(shí)檢測被控對象的輸出量并將其反饋到比較組件。,4.1.2 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求,1.高精度，定位精度要高，位移精度誤差越小越好 2.穩(wěn)定性可靠性高。 3.快速響應(yīng)、無超調(diào)。 4.調(diào)整范圍要寬。 5.低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強(qiáng),4.1.3 伺服系統(tǒng)的分類,1開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 這類數(shù)控機(jī)床沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號的流程是單向的，開環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖所示，其精度主要決定于伺服系統(tǒng)的性能，這類機(jī)床比較穩(wěn)定，調(diào)試方便。該類機(jī)床主要是經(jīng)濟(jì)性、中小型機(jī)床。,2.半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)

5、床,大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電機(jī)或絲杠的端頭。如圖所示為半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性。由于采用高分辨率的測量元件(如脈沖編碼器)，又可以獲得比較滿意的精度與速度。,3.閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床,這類機(jī)床數(shù)控裝置中插補(bǔ)器發(fā)出的指令信號與工作臺端測得的實(shí)際位置反饋信號進(jìn)行比較，根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行誤差修正，直至差值消除時(shí)為止。如圖所示為閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。采用閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床可以消除由于傳動(dòng)部件在制造中存在的精度誤差給工件加工帶來的影響，從而得到很高的精度。但是，由于很多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)包括在閉環(huán)控制的環(huán)路內(nèi)，各部件的

6、摩擦特性、剛性以及間隙等都是非線性量，直接影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大的難度，設(shè)計(jì)和調(diào)整得不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床主要是一些精度要求很高的加工中心、鏜銑床、超精車床、超精磨床等。,4.2 位置控制,數(shù)控系統(tǒng)位置控制的任務(wù)是準(zhǔn)確控制數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的位置，半閉環(huán)與全閉環(huán)位置控制的基本原理是一樣的，其控制是由數(shù)控系統(tǒng)中的位置環(huán)和速度環(huán)來完成的。,安裝在工作臺上的位置傳感器（在半閉環(huán)中為安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的角傳感器）將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，該脈沖送至數(shù)控裝置的位置測量接口，由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)以固定的時(shí)間周期對該反饋值進(jìn)行采樣，該采樣值與

7、插補(bǔ)程序所輸出的結(jié)果進(jìn)行比較，得到位置誤差。該誤差經(jīng)軟件增益放大，輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A），從而為伺服裝置提供控制電壓，驅(qū)動(dòng)工作臺向減小誤差的方向移動(dòng)。如果插補(bǔ)程序不斷地有進(jìn)給量產(chǎn)生，工作臺就不斷地跟隨該進(jìn)給量運(yùn)動(dòng)，只有在位置為零時(shí)，工作臺才停止在要求的位置上。,4.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng),開環(huán)位置控制系統(tǒng)可由步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母所構(gòu)成。它不要求位置檢測與反饋控制，是一種最直接、最簡單的位置控制。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的變換驅(qū)動(dòng)部件。例如，一個(gè)脈沖使電機(jī)轉(zhuǎn)1.5，連續(xù)地按一定方式供給脈沖電流，它就可以一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。由它傳動(dòng)滾珠絲杠，即可把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣?/p>

8、作臺的直線運(yùn)動(dòng)。位移量與指令脈沖數(shù)成正比，位移速度與指令脈沖頻率成正比，運(yùn)動(dòng)方向取決于步進(jìn)電機(jī)的通電相序，,開環(huán)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整維護(hù)方便、工作可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，定位精度和速度較低，低速平穩(wěn)性差，效率也比較低。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)只適用于中、小型數(shù)控機(jī)床，以及對速度、精度要求不高的場合。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理,1反饋補(bǔ)償型開環(huán)控制,該系統(tǒng)由開環(huán)控制和感應(yīng)同步器直接位置測量兩個(gè)部分組成。這里的位置檢測不用作位置的全反饋，而是作為位置誤差的補(bǔ)償反饋。 基本工作原理 ： 由CNC發(fā)出的指令脈沖，一方面供給開環(huán)系統(tǒng)，控制步進(jìn)電機(jī)按指令運(yùn)轉(zhuǎn)，并直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺移動(dòng)，構(gòu)成開

9、環(huán)控制；另一方面該指令脈沖又供給感應(yīng)同步器的測量系統(tǒng)（即數(shù)字式正余弦發(fā)生器，DSCG），作為位置給定（即a電），工作在鑒幅方式的感應(yīng)同步器，此時(shí)既是位置檢測器，又是比較器，它把由DSCG給定的滑尺激磁信號（a電）與由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定尺移動(dòng)位置（ a 機(jī)）及時(shí)進(jìn)行比較，由于兩者的指令是同一個(gè)，假定開環(huán)控制部分沒有誤差，則a機(jī) =a電，定尺輸出的誤差信號e=0，即不需要補(bǔ)償，系統(tǒng)的工作狀況與通常的開環(huán)系統(tǒng)沒有什么區(qū)別。但是，實(shí)際上開環(huán)控制部分不是沒有誤差的，所有上述的種種因素造成的位置誤差都直接反映到指令位置與實(shí)際移動(dòng)位置之間的差別上，也精確地反映到感應(yīng)同步器的激磁位置（ a 電）與實(shí)際位置（ a

10、 機(jī)）之間的差別上，因此定尺誤差信號e0。該誤差信號經(jīng)過一定處理線路后，再由電壓/頻率變換器產(chǎn)生變頻脈沖，把它與指令脈沖相加減，從而對開環(huán)控制達(dá)到位置誤差補(bǔ)償?shù)哪康摹?華中數(shù)控,1、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語,產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示 完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.,華中數(shù)控,華中數(shù)控,步進(jìn)電機(jī)的工作原理,相數(shù)：,拍數(shù)：,一、步進(jìn)電機(jī)常用術(shù)語,華中數(shù)控,電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖

11、定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）,華中數(shù)控,步距角：,定位轉(zhuǎn)矩：,對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例： 四拍運(yùn)行時(shí)步距角為： =360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步） 八拍運(yùn)行時(shí)步距角： =360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）,華中數(shù)控,電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。,華中數(shù)控,華中數(shù)控,靜轉(zhuǎn)矩：,

12、華中數(shù)控,2、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：,步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示： 誤差/步距角*100%。 不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。,華中數(shù)控,步距角精度：,失步：,華中數(shù)控,轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。,失調(diào)角：,最大空載起動(dòng)頻率：,華中數(shù)控,華中數(shù)控,電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的

13、最高轉(zhuǎn)速頻率。 電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。,最大空載的運(yùn)行頻率：,運(yùn)行矩頻特性：,華中數(shù)控,步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。 為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA或()時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-CA-BC-AB或()時(shí)為反轉(zhuǎn)。,電機(jī)的共振點(diǎn)：,電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：,華中數(shù)控,華中數(shù)控,下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的 結(jié)

14、構(gòu)和工作原理。,三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：,A,定子內(nèi)圓周 均勻分布著六個(gè) 磁極，磁極上有 勵(lì)磁繞組，每兩 個(gè)相對的繞組組 成一相。轉(zhuǎn)子有 四個(gè)齒。,定子,轉(zhuǎn)子,1)三相單三拍,A相繞組通電，B、C相 不通電。由于在磁場作用下， 轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最 小的位置，故在這種情況下， 轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置： 1、3齒與A、A極對齊。,同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30角，2、4 齒和B、B 磁極軸線對齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子 再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C、C磁極軸線對齊。,這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。,按

15、AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來。每一拍轉(zhuǎn)過30(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90(一個(gè)齒距角)。,2) 三相六拍,按AAB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。,,A相通電，轉(zhuǎn)子1、 3齒與A、A 對齊。,A、B相同時(shí)通電， A、A 磁極拉住1、3齒，B、B 磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達(dá)左圖所示位置。,B 相通電，轉(zhuǎn)子2、 4齒與B、B 對齊,又轉(zhuǎn) 過15。,B、C相同時(shí)通電， C 、C 磁極拉住1、3 齒，B、B 磁極拉住 2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過 15。,三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周 期如下：A

16、AB B BC C CA，每個(gè)循 環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角）， 一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 (齒距角)。,與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更 小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。,3. 三相雙三拍,按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通 電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。,與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循 環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 (步距角)， 一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。,結(jié)構(gòu)：,華中數(shù)控,3、混合式步進(jìn)電機(jī)原理： 二相混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖,,華中數(shù)控,四、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、控制方式及接線 1、驅(qū)動(dòng)電路： 步進(jìn)電

17、機(jī)繞組的驅(qū)動(dòng)電路: 單極性電流一般采用下圖雙管串聯(lián)電路; 雙極性電流一般采用下圖的H橋電路; 三相混合式步進(jìn)電機(jī)則采用三相逆變橋電路,見下圖.,華中數(shù)控,2)高、低壓驅(qū)動(dòng),特點(diǎn)： （1）啟動(dòng)電流上升快； （2）較寬頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流； （3）電磁轉(zhuǎn)矩大且穩(wěn)定 （4）功率損耗較小。 （5）啟動(dòng)后有電流波動(dòng)，影響其工作穩(wěn)定性。,,,高低壓供電定時(shí)切換線路的工作原理見圖。該線路包括功率放大級(由功率管Tg，Td組成)、前置放大級和單穩(wěn)延時(shí)線路。二極管Dd是用作高低壓隔離的。 Dg和Rg是高壓放電回路。高壓導(dǎo)通時(shí)間由單穩(wěn)定時(shí)線路整定，通常為100600s，對功率步進(jìn)電機(jī)可達(dá)幾千微秒。當(dāng)環(huán)形分配

18、器輸出高電平時(shí)，兩只功率放大管Tg、Td同時(shí)導(dǎo)通，電機(jī)繞組以+80V電壓供電，繞組電流按L(R+r)的時(shí)間常數(shù)向電流穩(wěn)定值g(R+r)上升，當(dāng)達(dá)到單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間時(shí)，Tg管截止，改由+12V供電，維持繞組額定電流。若高低壓之比為gd，則電流上升率也提高gd倍，上升時(shí)間明顯減小。當(dāng)?shù)蛪簲嚅_時(shí)，電感L中的儲能通過DgR及gd構(gòu)成的放電回路放電，放電電流的穩(wěn)態(tài)值為(g一d)(R+R+r)因此也加快了放電過程這種供電線路由于加快了繞組電流的上升和下降過程，故有利于提高步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是由低壓維持的，只需較小的限流電阻，功耗較小。,3）恒流斬波驅(qū)動(dòng),特點(diǎn)： （1）繞組中脈沖

19、電流上升沿和下降沿較陡，快速響應(yīng)好； （2）電路功耗小、效率高； （3）能輸出恒轉(zhuǎn)矩。,,,斬波恒流功率放大電路又稱為定電流驅(qū)動(dòng)電路或波頂補(bǔ)償控制驅(qū)動(dòng)電路。該電路的控制原理是隨時(shí)檢測繞組的電流值，當(dāng)繞組電流值降到下限設(shè)定值時(shí)，高壓功率管導(dǎo)通，使繞組電流上升，上升到上限設(shè)定值時(shí)，便關(guān)斷高壓管。這樣，在一個(gè)步進(jìn)周期內(nèi)，高壓管多次通斷，使繞組電流在上、下限之間波動(dòng)，接近恒定值，提高了繞組的平均值，有效地抑制了電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的降低。斬波恒流功率放大電路如圖所示高壓功率管Vg通斷同時(shí)受到步進(jìn)脈沖信號和運(yùn)算放大器N的控制。在步進(jìn)脈沖信號Ucp到來時(shí)，一路經(jīng)驅(qū)動(dòng)低壓管Vd導(dǎo)通，另一路通過V1和反相器D1驅(qū)動(dòng)

20、高壓管Vg導(dǎo)通，此時(shí)繞組由高壓電源Ug供電。隨著繞組電流的增加，反饋電阻Rf上的電壓Uf不斷升高，當(dāng)其超過N的同相輸入電壓Us時(shí)，N輸出低電平，使晶體管V1的基極通過二極管VD1接低電平，V1截止，門D1輸出低電平，高壓管Vg關(guān)斷了高壓，繞組繼續(xù)由低壓Ud供電。當(dāng)繞組電流下降時(shí)，U f下降，當(dāng)U f

21、，電噪聲也越小,3.3 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng),速度控制： 當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置讀取傳感器PS的值，給出轉(zhuǎn)子磁場的移動(dòng)量時(shí)，用以控制定子電流，以改變?nèi)嚯娏飨辔?，使其沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，并移動(dòng)相應(yīng)的角度。 方向控制：改變?nèi)嚯娏鞯南辔灰葡?80度)，則旋轉(zhuǎn)方向改變。,3.4交流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng) 交流伺服系統(tǒng)的組成,1.交流伺服電動(dòng)機(jī)； 2.PWM功率逆變器； 3.微處理器控制器及邏輯門陣列； 4.位置傳感器； 5.電源及能耗制動(dòng)電路； 6.鍵盤顯示電路； 7.接口電路及通信電路； 8.故障檢測、保護(hù)電路。,,,,注意： 1.交流電源一般由隔離變壓器供電，以提高抗干擾能力和減小對其它設(shè)備的影響。有時(shí)

22、還需用電抗器減小起動(dòng)/停止時(shí)對電源和電源控制器件的沖擊。電源干擾較強(qiáng)時(shí)感覺可增加高壓瓷片電容，磁環(huán)，低通濾波器等。,2.交流動(dòng)力電源分為：整體式或模塊式。 邏輯電路電源：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置的開關(guān)量、模擬量等邏輯接口電路工作或電平匹配所需的直流電源（24、5V）。 控制電源：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置自身的控制板卡、面板顯示等內(nèi)部電路工作電源（一般為單相），可與動(dòng)力電源共用。,,三、控制接口 作用：驅(qū)動(dòng)裝置用于接受CNC、PLC及其它設(shè)備的的控制指令信號。 分類開關(guān)量控制接口 模擬量控制接口 控制接口常用信號 1.伺服ON允許進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置接受指令開始工作 2.復(fù)位（清除報(bào)警）進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置恢復(fù)到初始狀態(tài)（清除可

23、自恢復(fù)故障報(bào)警）。 3.控制方式選擇允許進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置在兩種工作方式之間切換，這兩種工作方式可通過參數(shù)在位置控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式中任選兩種。 4.CCW驅(qū)動(dòng)禁止和CW驅(qū)動(dòng)禁止禁止電動(dòng)機(jī)正/反向旋轉(zhuǎn)，用于機(jī)床的限位保護(hù)。 5.CCW轉(zhuǎn)矩限制輸入（010V）和CW轉(zhuǎn)矩限制輸入（010V）限制電動(dòng)機(jī)正/反轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩，由模擬電壓的值確定輸入轉(zhuǎn)矩的限制值。 說明：在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)，可通過參數(shù)對控制接口的各位信號進(jìn)行設(shè)定： A、設(shè)定某位控制接口是否有效； B、設(shè)定某位控制信號是常閉有效/常閉有效； C、修改某位控制接口信號的含義。,4.2.2幅值比較法,幅值伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小

24、來反映機(jī)械位 移的大小，并以此作為位置反饋信號與指令信號進(jìn)行比較，從而得到位置偏差，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后，作為速度控制電路的速度控制信號。 1工作原理 在幅值控制的伺服系統(tǒng)中，位置檢測元件仍采用旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器，工作在鑒幅方式下。系統(tǒng)的原理方框圖如圖4-15所示。其工作原理如下：CNC發(fā)出的指令脈沖在混合線路上與由感應(yīng)同步器測量線路產(chǎn)生的實(shí)際值脈沖在數(shù)量上進(jìn)行加減，由此產(chǎn)生系統(tǒng)的位置誤差，被寄存在誤差寄存器中，后經(jīng)D/A變換器變成模擬電壓，由位置調(diào)節(jié)器輸出速度給定，加到速度控制單元輸入端，后者控制伺服電機(jī)向消除位置誤差的方向旋轉(zhuǎn)。,對感應(yīng)同步器而言，在幅值比較時(shí)，每移動(dòng)一個(gè)位移量X，通過變換即

25、產(chǎn)生一定的反饋脈沖Pf，工作臺不斷移動(dòng)，Pf不斷產(chǎn)生，經(jīng)脈沖比較得到偏差脈沖，直至指令脈沖Pc等于反饋脈沖Pf，Pe為零，工作臺停止在指令要求的位置上。 對旋轉(zhuǎn)變壓器而言，在幅值比較時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)角位移增量，即產(chǎn)生一定的反饋脈沖Pf，其他同感應(yīng)同步器。,4.2.3 相位伺服系統(tǒng),1工作原理 當(dāng)位置檢測裝置采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵時(shí)，如果這些裝置工作在相位工作狀態(tài)，則位置控制為相位比較法。圖4-24所示為感應(yīng)同步器相位比較控制原理框圖。脈沖相位變換器又稱脈沖調(diào)相器，作用有兩個(gè)：一是通過對基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行分頻，產(chǎn)生基準(zhǔn)相位脈沖P0，由該脈沖形成的正、余弦勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電壓頻率與P 0頻率相同，

26、感應(yīng)電壓ud的相位隨著工作臺的移動(dòng)相對于基準(zhǔn)相位 0有超前或滯后；二是通過對指令脈沖Pc+、Pc-的加、減，再通過分頻產(chǎn)生相位超前或滯后于 P 0的指令相位脈沖P c。,由于指令相位脈沖Pc的相位和實(shí)際相位脈沖Pf的相位f均以基準(zhǔn)相位P 0脈沖的相位0為基準(zhǔn)，因此和通過鑒相器獲得的是c超前f ，還是f超前c ，或者兩者相等。圖4-25所示為Pc+=2時(shí)的相位比較波形變化圖。 下面簡單敘述一下機(jī)床大拖板相位工作方式。 （1）同相位，經(jīng)鑒相器輸出=0，則速度控制信號為零，伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，機(jī)床大拖板仍靜止。,,（2）有正向進(jìn)給指令，Pc+=2，在指令獲得瞬時(shí)，大拖板仍靜止，此時(shí)指令脈沖的相位c超前基

27、準(zhǔn)相位0，但實(shí)際位置相位仍保持不變，經(jīng)鑒相器輸出 0，速度控制信號大于零，伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)床大拖板正向移動(dòng)。 （3）隨著機(jī)床大拖板的正向移動(dòng)，有反饋信號產(chǎn)生，由此產(chǎn)生的實(shí)際相位 f超前基準(zhǔn)相位 0，但 c仍超前 f ，經(jīng)鑒相器輸出 0，速度控制信號仍大于零，伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)床大拖板仍正向移動(dòng)。,隨著機(jī)床大拖板的繼續(xù)正向移動(dòng)，實(shí)際相位 f超前基準(zhǔn)相位0的數(shù)值增加，當(dāng) c = f時(shí)，經(jīng)鑒相器 =0，速度控制信號為零，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，機(jī)床大拖板停止在指令所要求的位置上,4.2.4 脈沖比較伺服系統(tǒng),脈沖比較法是將Pc的脈沖信號與Pf的脈沖信號相比較，得到脈沖偏差信號Pe。能產(chǎn)生脈沖信號的位置檢測

28、裝置有光柵、光電編碼器等，比較器為由加減可逆計(jì)數(shù)器組成的數(shù)字脈沖比較器。 其原理是來自CNC經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到的一系列進(jìn)給指令脈沖Pc和來自位置檢測裝置（光柵、光電編碼器等）的反饋脈沖Pf進(jìn)行比較，得到位置偏差信號Pe，以Pe作為伺服電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)指令。 具體工作臺移動(dòng)方式見P93頁1、2、3、4,全數(shù)字式伺服系統(tǒng),概述 伺服控制技術(shù)的發(fā)展與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān) 構(gòu)成 混合式伺服系統(tǒng)是位置環(huán)用軟件控制，速度環(huán)和電流環(huán)用硬件控制。在混合式伺服系統(tǒng)中，位置環(huán)控制在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行，由CNC插補(bǔ)得出位置指令值，并由位置采樣輸入實(shí)際值，用軟件求出位置偏差，經(jīng)軟件位置調(diào)節(jié)后得到速度指令值，經(jīng)

29、D/A轉(zhuǎn)換后作為速度控制單元（伺服驅(qū)動(dòng)裝置）的速度給定值，通常為模擬電壓-10+10V，在驅(qū)動(dòng)裝置中，經(jīng)速度和電流調(diào)節(jié)后，再經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向 特點(diǎn) （1）系統(tǒng)的位置、速度和電流的校正環(huán)節(jié)PID控制由軟件實(shí)現(xiàn)。 （2）具有較高的動(dòng)、靜態(tài)特性。在檢測靈敏度、時(shí)間溫度漂移、噪聲及外部干擾等方面都優(yōu)于混合式伺服系統(tǒng)。 （3）引入前饋控制，實(shí)際上構(gòu)成了具有反饋和前饋的復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖4-32所示為某全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的前饋控制框圖。 這種系統(tǒng)在理論上可以完全消除系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差、速度、加速度誤差以及外界擾動(dòng)引起的誤差，即實(shí)現(xiàn)完全的“無誤差調(diào)節(jié)”。 （4）由于全數(shù)字伺服系統(tǒng)采用總線

30、通信方式，可極大地減少連接電纜，便于機(jī)床安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，便于通過CRT實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服狀態(tài)。,4.3 速度控制,4.3.1 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制裝置分為開環(huán)和閉環(huán)兩大類。閉環(huán)型驅(qū)動(dòng)按位置檢測的方式可分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種。,開環(huán)控制采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng) 元件，由于它沒有位置反饋回路和 速度控制回路，簡化了線路，因此 設(shè)備投資低，調(diào)試維修都很方便。 但進(jìn)給速度和精度較低。開環(huán)控制 被廣泛應(yīng)用于中低檔數(shù)控機(jī)床及一 般的機(jī)床改造中。,閉環(huán)型采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 半閉環(huán)位置檢測方式一般將位置檢測元件安裝在電動(dòng)機(jī)軸上（一般已由電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家裝好），用以精確控

31、制電動(dòng)機(jī)的角度，然后通過滾珠絲杠副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將角度轉(zhuǎn)換成工作臺的直線位移。如果滾珠絲杠副精度足夠高，間隙小，精度一般是可以滿足要求的。加之傳動(dòng)鏈上有規(guī)律的誤差（如間隙及螺距誤差等）可以由數(shù)控裝置加以補(bǔ)償，進(jìn)一步提高精度，因此在精度要求適中的中小型數(shù)控機(jī)床上，半閉環(huán)控制得到了廣泛應(yīng)用。,全閉環(huán)方式是直接從機(jī)床的移動(dòng)部 件上獲取位置實(shí)際移動(dòng)值，因此其 檢測精度不受機(jī)械傳動(dòng)精度的影響。 但不能認(rèn)為全閉環(huán)方式可以降低對 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求，因閉環(huán)環(huán)路包括 了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性 不僅與傳動(dòng)部件的剛性、慣性有關(guān)， 還取決于阻尼、油的粘度、滑動(dòng)面 摩擦系數(shù)等因素。而且這些因素對 動(dòng)態(tài)特性的影響在不同條

32、件下還會 發(fā)生變化，這給位置閉環(huán)控制的調(diào) 整和穩(wěn)定帶來了許多困難。這些困 難使調(diào)整閉環(huán)環(huán)路時(shí)不得不降低位 置增益，從而對跟隨誤差與輪廓加 工誤差產(chǎn)生不利影響。所以采用全 閉環(huán)方式時(shí)必須增大機(jī)床剛性，改 善滑動(dòng)面摩擦特性，減小傳動(dòng)間隙， 這樣才有可能提高位置增益。全閉 環(huán)控制方式被大量應(yīng)用在精度要求 較高的大型數(shù)控機(jī)床上。,主軸定向控制,Spindle orientation,主軸定向的含義（Definition）,當(dāng)主軸停止時(shí)，控制其停于固定位置（定位于圓周上特定角度） 又稱“主軸準(zhǔn)停”、“主軸定位” 準(zhǔn)停指令：M19或M06,一、主軸定向的用途(Purposes),加工中心自動(dòng)換刀 精鏜后退

33、刀 背鏜 車床上工件定位,1、加工中心自動(dòng)換刀(Auto tool changing),在加工中心中，當(dāng)主軸停轉(zhuǎn)進(jìn)行刀具交換時(shí)，主軸需停在一個(gè)固定不變的位置上，從而保證主軸端面上的鍵也在一個(gè)固定的位置，這樣，換刀機(jī)械手在交換刀具時(shí)，能保證刀柄上的鍵槽對正主軸端面上的定位鍵。,2、精鏜孔后退刀(Fine boring),在精鏜孔退刀時(shí)，為了避免刀尖劃傷已加工表面，采用主軸準(zhǔn)?？刂?，使刀尖停在一個(gè)固定位置（X軸或Y軸上），以便主軸偏移一定尺寸后，使刀尖離開工件表面進(jìn)行退刀。,精鏜循環(huán)G76 (Canned cycle),孔底主軸準(zhǔn)停，快速退刀,G76動(dòng)畫示意,,3、背鏜（Counterboring

34、）,通過小孔鏜大孔，主軸準(zhǔn)?？刂?，使刀尖停在一個(gè)固定位置（ X軸或Y軸上），以便主軸偏移一定尺寸后，使刀尖能通過前壁小孔進(jìn)入箱體內(nèi)對大孔進(jìn)行鏜削。,反鏜循環(huán)G87(Canned cycle),,G87過程示意,,例題(Example),,4、車床上工件定位,用于工件定位，進(jìn)行自動(dòng)裝載和卸載,二、主軸定向控制的實(shí)現(xiàn)方式（Methods）,機(jī)械準(zhǔn)停（Mechanical orientation） 電氣準(zhǔn)停（Electrical orientation）,1、V型槽定位盤滾輪準(zhǔn)停裝置（ Mechanical orientation ）,M19 主軸減速無觸點(diǎn)開關(guān)發(fā)信主電機(jī)停轉(zhuǎn)，慣性空轉(zhuǎn)活塞在電磁閥作

35、用下，將滾輪推入V型槽，同時(shí)行程開關(guān)發(fā)出應(yīng)答信號，準(zhǔn)停結(jié)束，可以進(jìn)行換刀等動(dòng)作。,2、磁性傳感器或編碼器準(zhǔn)停（Electronic orientation）,利用裝在主軸上的磁性傳感器或編碼器作為檢測元件，通過它們輸出的反饋信號，使主軸準(zhǔn)確地停在規(guī)定的位置上。,舉例,FANUC系統(tǒng)中編碼器主軸定向控制連接圖,CNA接口信號圖,,CN1接口信號圖,主軸伺服單元與強(qiáng)電回路的連接圖,h/Low,ORCM1，2：定向命令信號,當(dāng)主軸正旋轉(zhuǎn)、該接口信號為ON（觸點(diǎn)閉合）時(shí)，主軸立即減速并運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置。,ORAR1，2：定向完成信號,當(dāng)主軸運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置約1 范圍內(nèi)并停止時(shí)，發(fā)出ORAR1，2信號。,電氣準(zhǔn)停特點(diǎn),1)不需要機(jī)械部件---只需簡單地連接編碼器或磁性傳感器，即可實(shí)現(xiàn)主軸定向控制。 2)定向時(shí)間縮短---電氣準(zhǔn)停主軸在高速時(shí)直接定向，不必采用齒輪減速，定向時(shí)間大為縮短。 3)高可靠性---由于定向控制采用電子部件，沒有機(jī)械易損件，不受外部沖擊的影響，因此，主軸 定向控制的可靠性高。 4)定向控制的精度和剛性高---完全能滿足自動(dòng)換刀的要求。 5）強(qiáng)電控制電路簡化---強(qiáng)電控制順序由主軸定向命令、完成信號、主軸高/低速信號組成 。,,,Thank you all! 謝謝大家！,