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1、第五講 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng) 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué) 院機(jī)械系 周蘭 數(shù)控機(jī)床與使用維修 本講主要內(nèi)容 數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類 典型進(jìn)給伺服系統(tǒng) 引言 數(shù)控機(jī)床 伺服系統(tǒng) 是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作 為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng) ， 又稱隨動(dòng)系統(tǒng) 。 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機(jī)床本體間電傳 動(dòng)聯(lián)系的環(huán)節(jié) ， 也是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分 。 在數(shù)控機(jī)床中 ， 伺服是指有關(guān)的傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)參數(shù)均嚴(yán)格 按照數(shù)控裝置的控制指令實(shí)現(xiàn) ， 這些參數(shù)主要包括 運(yùn)動(dòng) 的速度 、 運(yùn)動(dòng)的方向和運(yùn)動(dòng)的起停位置 等 。 數(shù)控
2、機(jī)床的 性能在很大程度上取決于進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能 。 一、 數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求 1 可逆運(yùn)行 可逆運(yùn)行要求能靈活地 正反向運(yùn)行 。 在加工過程 中 ， 機(jī)床工作臺(tái)處于隨動(dòng)狀態(tài) ， 根據(jù)加工軌跡的 要求 ， 隨時(shí)實(shí)現(xiàn)正向或反向運(yùn)動(dòng) 。 要求在方向變化時(shí) ， 不應(yīng)有反向間隙和運(yùn)動(dòng)損失 。 從能量角度看 ， 應(yīng)該實(shí)現(xiàn) 能量的可逆轉(zhuǎn)換 ， 即在 加工運(yùn)行時(shí) ， 電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收能量改變?yōu)闄C(jī)械 能；在制動(dòng)時(shí)應(yīng)把電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性能量變?yōu)殡?能回饋給電網(wǎng) ， 以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng) 。 2高精度 數(shù)控機(jī)床是按預(yù)定的程序自動(dòng)進(jìn)行加工的 ， 不同 于普通機(jī)床用手動(dòng)操作來調(diào)整和補(bǔ)償各種因
3、素對(duì) 加工精度的影響 ， 故要求 數(shù)控機(jī)床的實(shí)際位移與 指令位移之差 要小 。 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的位移精度一 般為 0.010.001 ， 甚至可高達(dá) 0.1m， 以保證 加工質(zhì)量的一致性 ， 保證復(fù)雜曲線 、 曲面零件的 加工精度 。 3調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指 最高進(jìn)給速度和最低進(jìn)給速度之比 。 由于 加工所用刀具 、 被加工零件材質(zhì)以及零件加工要求的變 化范圍很廣 ， 為了保證在所有加工情況下都能得到最佳 的切削條件和加工質(zhì)量 ， 要求進(jìn)給速度能在很大的范圍 內(nèi)變化 ， 即有很大的調(diào)速范圍 。 目前最先進(jìn)水平是在脈沖當(dāng)量或最小設(shè)定單位為 1m的 情況下 ， 進(jìn)給速度能在 0 240
4、m min的范圍內(nèi)連續(xù)可 調(diào) 。 一般數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度能在 0 240m min的范 圍之內(nèi)連續(xù)可調(diào)并能滿足加工要求 。 在這一調(diào)速范圍內(nèi) ， 要求速度均勻 、 穩(wěn)定 ， 低速時(shí)無爬行 。 還要求在零速時(shí) 伺服電機(jī)處于電磁鎖住狀態(tài) ， 以保證定位精度不變 。 4快速響應(yīng)并無超調(diào) 要求有 良好的快速響應(yīng)特性 ， 即要求跟蹤指令信 號(hào)的響應(yīng)要快 。 伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動(dòng) 、 制動(dòng) 、 加速 、 減速等 動(dòng)態(tài)過程中 ， 為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量 ， 則 要求加 、 減速度足夠大 ， 以縮短過渡過程時(shí)間 。 當(dāng)負(fù)載突變時(shí) ， 過渡過程前沿要陡 ， 恢復(fù)時(shí)間要 短 ， 且無振蕩 。
5、 這樣才能得到光滑的加工表面 。 5低速大轉(zhuǎn)矩 機(jī)床加工，大多是低速時(shí)進(jìn)行切削，即 在低速時(shí) 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出 。 二、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 框圖： 1組成 是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng) ， 內(nèi)環(huán)是速度環(huán) ， 外環(huán)是位置 環(huán) 。 位置環(huán) 位置環(huán)的輸入信號(hào)是 計(jì)算機(jī)給出的指令信號(hào) 和 位 置檢測(cè)裝置反饋的位置信號(hào) ， 這個(gè)反饋是一個(gè)負(fù) 反饋 ， 即與指令信號(hào)的相位相反 。 指令信號(hào)是 向位置環(huán)送去 加數(shù) ， 而 反饋信號(hào) 向位 置環(huán)送去 減數(shù) 。 位置檢測(cè)裝置通常有 光電編碼器 、 旋轉(zhuǎn)變壓器 、 光柵尺 、 感應(yīng)同步器或磁柵尺 等 。 它們或
6、者直接 對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè) ， 或者間接對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè) 。 速度環(huán) 速度環(huán)是一個(gè)非常重要的環(huán) ， 由 速度調(diào)節(jié)器 、 電 流調(diào)節(jié)器 及 功率放大器 等部分組成 。 它的輸入信號(hào)有兩個(gè)：一個(gè)是 位置環(huán)的輸出 ， 作 為速度環(huán)的指令信號(hào)送給速度環(huán)；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢 測(cè)裝置測(cè)得的 速度信號(hào)作為負(fù)反饋送給速度環(huán) 。 速度環(huán)中用作速度反饋檢測(cè)的裝置通常為 測(cè)速發(fā) 電機(jī) 、 脈沖編碼器 等 。 三 、 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類 1開環(huán)伺服系統(tǒng)（） 開環(huán)伺服系統(tǒng) 是最簡(jiǎn)單的進(jìn)給伺服系統(tǒng) ， 無位置 反饋環(huán)節(jié) 。 伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是 步進(jìn)電機(jī) 、 功率步進(jìn)電機(jī) 、 電液脈沖電機(jī) 等 。
7、 由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的 指令脈沖 ， 經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和 功率放大 后 ， 使步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng) ， 通過齒輪副與滾 珠絲杠螺母副 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件 。 1開環(huán)伺服系統(tǒng)（） 控制指令脈沖的 數(shù)量 、 頻率 以及 通電順序 ， 便可 控制執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的 位移量 、 速度 和 運(yùn)動(dòng)方向 。 系統(tǒng)的 位移精度 主要 取決于 步進(jìn)電機(jī)的 角位移精 度 、 齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的 節(jié)距精度 以及系統(tǒng)的 摩擦阻尼特性 等 。 開環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 調(diào)試 、 維修方便 ， 成 本低廉 ， 但精度差 ， 一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 。 開環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖 2閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)所用的伺服
8、驅(qū)動(dòng)裝置主要是 直流或交流伺 服電機(jī)以及電液伺服閥 液壓馬達(dá) 。 與開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)最主要的區(qū)別是： 安裝在執(zhí)行部件上 的 位置檢測(cè)裝置 ， 測(cè)量執(zhí)行部件的實(shí)際位移量并轉(zhuǎn)換成電 脈沖 ， 反饋到輸入端并與輸人位置指令信號(hào)進(jìn)行比較 ， 求得誤差 ， 依此構(gòu)成閉環(huán)位置控制 。 由于采用了位置檢測(cè)反饋裝置 ， 所以閉環(huán)伺服系統(tǒng)的 位 移精度 主要 取決于 檢測(cè)裝置的精度 。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定 位精度一般可達(dá) 0.01mm 0.005 mm。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖 3半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 是將 檢測(cè)元件 安裝 在 中間傳動(dòng) 件上 ， 間接測(cè)量執(zhí)行部件的位置 。 閉環(huán)系統(tǒng)可
9、以消除機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部誤差 ， 而 半閉環(huán)系統(tǒng) 只能 補(bǔ)償 系統(tǒng) 環(huán)路內(nèi)部分元件的 誤差 。 半閉環(huán)系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些 ， 但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都比較簡(jiǎn)單 。 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)示意圖 4說明 采用直流或交流伺服電機(jī)的 閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系 統(tǒng) ， 具有較高的精度 、 速度和動(dòng)態(tài)特性 ， 在 數(shù)控 機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用 。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試都較開環(huán)系統(tǒng)困難 。 目前數(shù)控機(jī)床上 使用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)較多 ， 只有 在高精度數(shù)控機(jī)床上才使用全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 。 全數(shù)字伺服系統(tǒng) 隨著微電子技術(shù) 、 計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的 發(fā)展 ， 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已經(jīng)開始采
10、用高速度 、 高精度的 全數(shù)字伺服系統(tǒng) 。 由 位置 、 速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化 ， 應(yīng)用數(shù)字 PID算法 ， 用 PID程序來代替 PID調(diào)節(jié)器 的硬件 ， 使用靈活 ， 柔性好 。 數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺 服性能的措施 ， 使控制精度和品質(zhì)大大提高 。 位置、速度、電流三環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖 四、典型進(jìn)給伺服系統(tǒng) 1 由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)（） 由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的 開環(huán)控制系統(tǒng) 因受所能達(dá)到的精度的 限制 ， 目前 常用于普通機(jī)床的數(shù)控改造上 。 采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床 ， 其數(shù)控裝置多 由 單片機(jī)構(gòu)成 ， 步進(jìn)電機(jī)由于采用脈沖
11、方式工作 ， 且各 相需按一定規(guī)律分配脈沖 ， 因此 ， 由步進(jìn)電機(jī)所構(gòu)成的 開環(huán)控制系統(tǒng)中 ， 需要脈沖分配邏輯和脈沖產(chǎn)生邏輯 ， 這個(gè)功能由 環(huán)形脈沖分配器 實(shí)現(xiàn) 。 還要求有 功率驅(qū)動(dòng)部 分 。 為了保證步進(jìn)電機(jī)不失步地啟停 ， 要求控制系統(tǒng)具 有升降速控制環(huán)節(jié) 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理圖： 1 由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)（） 基本控制原理 由數(shù)控裝置送來的 定頻率和 數(shù)量的指令脈沖，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器分配和 功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的使用 步進(jìn)電機(jī)的角位移或線位移 與脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，它 將指令脈沖變成步進(jìn)電機(jī)輸出軸
12、的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 1 由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)（ 3） 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 安裝調(diào)試方便 ， 成本低 ， 但精度有限 。 影響精度的因素 精度取決于步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械裝 置的精度 。 系統(tǒng)中 ， 步進(jìn)電機(jī)的步距角精度 ， 機(jī) 械傳動(dòng)部件的精度 ， 絲杠 、 支承的傳動(dòng)間隙以及 傳動(dòng)和支承件的變形等 ， 將直接影響進(jìn)給位移的 精度 。 為了提高系統(tǒng)的精度 ， 應(yīng)該適當(dāng)提高系統(tǒng) 組成環(huán)節(jié)的精度 ， 此外 ， 還可采取傳動(dòng)間隙補(bǔ)償 和螺距誤差補(bǔ)償?shù)妊a(bǔ)償措施 。 2 閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)（ 1） 數(shù)控機(jī)床的位置控制是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要 組成部分。 閉環(huán)位置控制
13、主要采用直流伺服電動(dòng) 機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際位 移可通過檢測(cè)裝置及時(shí)反饋給數(shù)控裝置中的比較 器，以便與指令位移信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值 又作為伺服電機(jī)的控制信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)消 除位移誤差。 2 閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)（ 2） 閉環(huán)系統(tǒng)的分類 由于閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng) 采用的位置檢測(cè)元件不同，使得指令信號(hào)與位置 反饋信號(hào)的比較方式不同，通常有 脈沖比較 、 相 位比較 和 幅值比較 三種不同的比較方式。 2 閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)（ 3） 脈沖比較伺服系統(tǒng) 工作原理 系統(tǒng)按功能模塊大 致可分為三部分： 采用光電脈沖編碼器產(chǎn)生位置 反饋脈沖 Pf； 實(shí)現(xiàn)指令脈沖
14、F與反饋脈沖 Pf的脈 沖比較環(huán)節(jié) ， 以取得位置偏差信號(hào) e； 以位置偏 差 e作為速度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 。 脈沖比較伺服系統(tǒng)原理圖 2 閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)（ 4） 脈沖比較電路 在脈沖比較伺服系統(tǒng)中 ， 實(shí)現(xiàn)指 令脈沖 F與反饋脈沖 Pf的比較后 ， 才能檢測(cè)出位 置的偏差 。 脈沖比較電路的基本組成有兩個(gè)部分： 一是 脈沖分離部分 ， 二是 可逆計(jì)數(shù)器 。 脈沖比較環(huán)節(jié)框圖 2 閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)（ 5） 應(yīng)用可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)脈沖比較的基本原理 當(dāng)輸入指令 脈沖為正 （ 即 F ） 或反饋脈沖為負(fù) （ 即 Pf ） 時(shí) ， 可逆 計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)；當(dāng)指令脈沖為負(fù) （ 即 F
15、 ） 或反饋脈 沖為正 （ 即 Pf ） 時(shí) ， 可逆計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù) 。 舉例 設(shè)初始狀態(tài)的可逆計(jì)數(shù)器為全 0， 工作臺(tái)靜止 。 然 后突加正向指令脈沖 F = 1， 計(jì)數(shù)器加 l， 在工作臺(tái)移 動(dòng)之前 ， 可逆計(jì)數(shù)器的輸出即位置偏差 e=+l。 為消除偏 差 ， 工作臺(tái)應(yīng)作正向移動(dòng) ， 隨之產(chǎn)生反饋脈沖外 Pf = 1， 應(yīng)使可逆計(jì)數(shù)減 1， e=0。 這樣 ， 工作臺(tái)就在正向前進(jìn)一 個(gè)脈沖當(dāng)量的位置上停下來 。 反之 ， F 來一個(gè)脈沖即 F = 1， 使計(jì)數(shù)器減 l， e= l。 則有 Pf = 1， 使計(jì)數(shù)器加 1， e=0。 2 閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)（ 6） 脈沖分離原
16、理 當(dāng)加 、 減脈沖先后到來時(shí) ， 脈 沖本身就是分離的 ， 則可直接進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器按 預(yù)定的要求作加法計(jì)數(shù)或減法計(jì)數(shù)； 若加 、 減脈 沖同時(shí)到來時(shí) ， 則由硬件邏輯電路保證 ， 先作加 法計(jì)數(shù) ， 然后經(jīng)過幾個(gè)時(shí)鐘的延時(shí)再作減法計(jì)數(shù) ， 這樣 ， 可保證兩路計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)均不會(huì)丟失 。 脈沖分離電路原理圖 2 閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)（ 7） 相位伺服系統(tǒng)的組成及 工作原理 在采用感應(yīng)同步器作 為位置檢測(cè)元件的相位伺服系統(tǒng)中 ， 感應(yīng)同步器取相位 工作狀態(tài) ， 以定尺的相位檢測(cè)信號(hào)經(jīng)整形放大后所得的 PB（ ） 作為位置反饋信號(hào) 。 指令脈沖 F經(jīng)脈沖調(diào)相后 ， 轉(zhuǎn)換成重復(fù)頻率為 f
17、0的脈沖信號(hào) PA（ ） 。 PA（ ） 和 PB （ ） 為兩個(gè)同頻的脈沖信號(hào) ， 它們的相位差 反映了 指令位置與實(shí)際位置的偏差 ， 由鑒相器判別檢測(cè) 。 伺服 放大器和伺服電機(jī)構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng) ， 接受相位差 信號(hào) 以驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)朝指令位置進(jìn)給 ， 實(shí)現(xiàn)位置跟蹤 。 相位比較伺服系統(tǒng)原理框圖 2 閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng)（ 8） 幅值比較 伺服系統(tǒng) 是 以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大 小來反映機(jī)械位移的數(shù)值 ， 并以此作為位置反饋 信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是所用的位置檢測(cè)元件應(yīng)工作 在幅值工作方式 ， 而幅值比較伺服系統(tǒng)常用的檢 測(cè)元件是 感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)
18、變壓器 。 幅值比較伺服系統(tǒng)框圖 3 半閉環(huán)進(jìn)給位置伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的 基本構(gòu)成 系統(tǒng)由 位置控制單 元和速度控制單元構(gòu)成 。 光電脈沖編碼器發(fā)出的 脈沖 ， 一方面用作位置的反饋信號(hào) ， 另一方面用 作測(cè)速信號(hào) 。 當(dāng)電機(jī)的負(fù)載變化時(shí) ， 反饋脈沖信 號(hào)的頻率將隨著變化 。 頻率 電壓變換器的作用 是輸出與反饋脈沖信號(hào)的頻率變化成正比的直流 電壓信號(hào) ， 該信號(hào)就是速度單元的速度反饋信號(hào) ， 它與速度指令電壓比較來控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速 。 半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理圖 思考與練習(xí)： 進(jìn)給伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床的主要作用是什么 ？ 它主要由哪幾部分組成 ， 試用框圖表示各部分 的關(guān)系 ， 并簡(jiǎn)要介紹各部分的功能 。 分析數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 ， 并 說明你的理由 。 畫出開環(huán) 、 閉環(huán) 、 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理 圖 ， 并分別說明它們的工作原理及特點(diǎn) 。 閉環(huán) 、 半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制信號(hào)的形 式可分為哪幾類 ？ 各類的主要特點(diǎn)是什么 ？
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