數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng).ppt

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1、第五講 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng) 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學 院機械系 周蘭 數(shù)控機床與使用維修 本講主要內(nèi)容 數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求 進給伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的分類 典型進給伺服系統(tǒng) 引言 數(shù)控機床 伺服系統(tǒng) 是指以機床移動部件的位置和速度作 為控制量的自動控制系統(tǒng) ， 又稱隨動系統(tǒng) 。 數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機床本體間電傳 動聯(lián)系的環(huán)節(jié) ， 也是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分 。 在數(shù)控機床中 ， 伺服是指有關(guān)的傳動或運動參數(shù)均嚴格 按照數(shù)控裝置的控制指令實現(xiàn) ， 這些參數(shù)主要包括 運動 的速度 、 運動的方向和運動的起停位置 等 。 數(shù)控

2、機床的 性能在很大程度上取決于進給伺服系統(tǒng)的性能 。 一、 數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的要求 1 可逆運行 可逆運行要求能靈活地 正反向運行 。 在加工過程 中 ， 機床工作臺處于隨動狀態(tài) ， 根據(jù)加工軌跡的 要求 ， 隨時實現(xiàn)正向或反向運動 。 要求在方向變化時 ， 不應(yīng)有反向間隙和運動損失 。 從能量角度看 ， 應(yīng)該實現(xiàn) 能量的可逆轉(zhuǎn)換 ， 即在 加工運行時 ， 電動機從電網(wǎng)吸收能量改變?yōu)闄C械 能；在制動時應(yīng)把電動機的機械慣性能量變?yōu)殡?能回饋給電網(wǎng) ， 以實現(xiàn)快速制動 。 2高精度 數(shù)控機床是按預(yù)定的程序自動進行加工的 ， 不同 于普通機床用手動操作來調(diào)整和補償各種因

3、素對 加工精度的影響 ， 故要求 數(shù)控機床的實際位移與 指令位移之差 要小 。 現(xiàn)代數(shù)控機床的位移精度一 般為 0.010.001 ， 甚至可高達 0.1m， 以保證 加工質(zhì)量的一致性 ， 保證復雜曲線 、 曲面零件的 加工精度 。 3調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指 最高進給速度和最低進給速度之比 。 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 。 目前最先進水平是在脈沖當量或最小設(shè)定單位為 1m的 情況下 ， 進給速度能在 0 240

4、m min的范圍內(nèi)連續(xù)可 調(diào) 。 一般數(shù)控機床的進給速度能在 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 ， 低速時無爬行 。 還要求在零速時 伺服電機處于電磁鎖住狀態(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 號的響應(yīng)要快 。 伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動 、 制動 、 加速 、 減速等 動態(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 ， 以縮短過渡過程時間 。 當負載突變時 ， 過渡過程前沿要陡 ， 恢復時間要 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 機床加工，大多是低速時進行切削，即 在低速時 進給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出 。 二、進給伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的組成 框圖： 1組成 是一個雙閉環(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)的輸入信號是 計算機給出的指令信號 和 位 置檢測裝置反饋的位置信號 ， 這個反饋是一個負 反饋 ， 即與指令信號的相位相反 。 指令信號是 向位置環(huán)送去 加數(shù) ， 而 反饋信號 向位 置環(huán)送去 減數(shù) 。 位置檢測裝置通常有 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 對位移進行檢測 ， 或者間接對位移進行檢測 。 速度環(huán) 速度環(huán)是一個非常重要的環(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 。 它的輸入信號有兩個：一個是 位置環(huán)的輸出 ， 作 為速度環(huán)的指令信號送給速度環(huán)；電動機轉(zhuǎn)速檢 測裝置測得的 速度信號作為負反饋送給速度環(huán) 。 速度環(huán)中用作速度反饋檢測的裝置通常為 測速發(fā) 電機 、 脈沖編碼器 等 。 三 、 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的分類 1開環(huán)伺服系統(tǒng)（） 開環(huán)伺服系統(tǒng) 是最簡單的進給伺服系統(tǒng) ， 無位置 反饋環(huán)節(jié) 。 伺服驅(qū)動裝置主要是 步進電機 、 功率步進電機 、 電液脈沖電機 等 。

7、 由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的 指令脈沖 ， 經(jīng)驅(qū)動電路控制和 功率放大 后 ， 使步進電機 轉(zhuǎn)動 ， 通過齒輪副與滾 珠絲杠螺母副 驅(qū)動執(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)行部件運動的 位移量 、 速度 和 運動方向 。 系統(tǒng)的 位移精度 主要 取決于 步進電機的 角位移精 度 、 齒輪絲杠等傳動元件的 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)簡單 ， 調(diào)試 、 維修方便 ， 成 本低廉 ， 但精度差 ， 一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床 。 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)動裝置主要是 直流或交流伺 服電機以及電液伺服閥 液壓馬達 。 與開環(huán)進給系統(tǒng)最主要的區(qū)別是： 安裝在執(zhí)行部件上 的 位置檢測裝置 ， 測量執(zhí)行部件的實際位移量并轉(zhuǎn)換成電 脈沖 ， 反饋到輸入端并與輸人位置指令信號進行比較 ， 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 檢測裝置的精度 。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定 位精度一般可達 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 檢測元件 安裝 在 中間傳動 件上 ， 間接測量執(zhí)行部件的位置 。 閉環(huán)系統(tǒng)可

9、以消除機械傳動機構(gòu)的全部誤差 ， 而 半閉環(huán)系統(tǒng) 只能 補償 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 、 速度和動態(tài)特性 ， 在 數(shù)控 機床中得到廣泛應(yīng)用 。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試都較開環(huán)系統(tǒng)困難 。 目前數(shù)控機床上 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) 、 計算機技術(shù)和伺服控制技術(shù)的 發(fā)展 ， 數(shù)控機床的伺服系統(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、典型進給伺服系統(tǒng) 1 由步進電機構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)（） 由步進電機構(gòu)成的 開環(huán)控制系統(tǒng) 因受所能達到的精度的 限制 ， 目前 常用于普通機床的數(shù)控改造上 。 采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機床 ， 其數(shù)控裝置多 由 單片機構(gòu)成 ， 步進電機由于采用脈沖

11、方式工作 ， 且各 相需按一定規(guī)律分配脈沖 ， 因此 ， 由步進電機所構(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 ， 這個功能由 環(huán)形脈沖分配器 實現(xiàn) 。 還要求有 功率驅(qū)動部 分 。 為了保證步進電機不失步地啟停 ， 要求控制系統(tǒng)具 有升降速控制環(huán)節(jié) 步進電機開環(huán)進給伺服系統(tǒng)原理圖： 1 由步進電機構(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)步進電機環(huán)形分配器分配和 功率放大器放大后驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)。 步進電機的使用 步進電機的角位移或線位移 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電機輸出軸

12、的旋轉(zhuǎn)運動。 1 由步進電機構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)（ 3） 步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 ， 安裝調(diào)試方便 ， 成本低 ， 但精度有限 。 影響精度的因素 精度取決于步進電機和機械裝 置的精度 。 系統(tǒng)中 ， 步進電機的步距角精度 ， 機 械傳動部件的精度 ， 絲杠 、 支承的傳動間隙以及 傳動和支承件的變形等 ， 將直接影響進給位移的 精度 。 為了提高系統(tǒng)的精度 ， 應(yīng)該適當提高系統(tǒng) 組成環(huán)節(jié)的精度 ， 此外 ， 還可采取傳動間隙補償 和螺距誤差補償?shù)妊a償措施 。 2 閉環(huán)進給位置伺服系統(tǒng)（ 1） 數(shù)控機床的位置控制是數(shù)控機床伺服系統(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 機或交流伺服電動機驅(qū)動，機床工作臺的實際位 移可通過檢測裝置及時反饋給數(shù)控裝置中的比較 器，以便與指令位移信號進行比較，兩者的差值 又作為伺服電機的控制信號，進而驅(qū)動工作臺消 除位移誤差。 2 閉環(huán)進給位置伺服系統(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) 采用的位置檢測元件不同，使得指令信號與位置 反饋信號的比較方式不同，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 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 ， 實現(xiàn)指 令脈沖 F與反饋脈沖 Pf的比較后 ， 才能檢測出位 置的偏差 。 脈沖比較電路的基本組成有兩個部分： 一是 脈沖分離部分 ， 二是 可逆計數(shù)器 。 脈沖比較環(huán)節(jié)框圖 2 閉環(huán)進給位置伺服系統(tǒng)（ 5） 應(yīng)用可逆計數(shù)器實現(xiàn)脈沖比較的基本原理 當輸入指令 脈沖為正 （ 即 F ） 或反饋脈沖為負 （ 即 Pf ） 時 ， 可逆 計數(shù)器作加法計數(shù)；當指令脈沖為負 （ 即 F

15、 ） 或反饋脈 沖為正 （ 即 Pf ） 時 ， 可逆計數(shù)器作減法計數(shù) 。 舉例 設(shè)初始狀態(tài)的可逆計數(shù)器為全 0， 工作臺靜止 。 然 后突加正向指令脈沖 F = 1， 計數(shù)器加 l， 在工作臺移 動之前 ， 可逆計數(shù)器的輸出即位置偏差 e=+l。 為消除偏 差 ， 工作臺應(yīng)作正向移動 ， 隨之產(chǎn)生反饋脈沖外 Pf = 1， 應(yīng)使可逆計數(shù)減 1， e=0。 這樣 ， 工作臺就在正向前進一 個脈沖當量的位置上停下來 。 反之 ， F 來一個脈沖即 F = 1， 使計數(shù)器減 l， e= l。 則有 Pf = 1， 使計數(shù)器加 1， e=0。 2 閉環(huán)進給位置伺服系統(tǒng)（ 6） 脈沖分離原

16、理 當加 、 減脈沖先后到來時 ， 脈 沖本身就是分離的 ， 則可直接進入可逆計數(shù)器按 預(yù)定的要求作加法計數(shù)或減法計數(shù)； 若加 、 減脈 沖同時到來時 ， 則由硬件邏輯電路保證 ， 先作加 法計數(shù) ， 然后經(jīng)過幾個時鐘的延時再作減法計數(shù) ， 這樣 ， 可保證兩路計數(shù)脈沖信號均不會丟失 。 脈沖分離電路原理圖 2 閉環(huán)進給位置伺服系統(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) ， 以定尺的相位檢測信號經(jīng)整形放大后所得的 PB（ ） 作為位置反饋信號 。 指令脈沖 F經(jīng)脈沖調(diào)相后 ， 轉(zhuǎn)換成重復頻率為 f

17、0的脈沖信號 PA（ ） 。 PA（ ） 和 PB （ ） 為兩個同頻的脈沖信號 ， 它們的相位差 反映了 指令位置與實際位置的偏差 ， 由鑒相器判別檢測 。 伺服 放大器和伺服電機構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng) ， 接受相位差 信號 以驅(qū)動工作臺朝指令位置進給 ， 實現(xiàn)位置跟蹤 。 相位比較伺服系統(tǒng)原理框圖 2 閉環(huán)進給位置伺服系統(tǒng)（ 8） 幅值比較 伺服系統(tǒng) 是 以位置檢測信號的幅值大 小來反映機械位移的數(shù)值 ， 并以此作為位置反饋 信號與指令信號進行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)的特點之一是所用的位置檢測元件應(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 ， 另一方面用 作測速信號 。 當電機的負載變化時 ， 反饋脈沖信 號的頻率將隨著變化 。 頻率 電壓變換器的作用 是輸出與反饋脈沖信號的頻率變化成正比的直流 電壓信號 ， 該信號就是速度單元的速度反饋信號 ， 它與速度指令電壓比較來控制伺服電機轉(zhuǎn)速 。 半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)原理圖 思考與練習： 進給伺服系統(tǒng)在數(shù)控機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 ， 并簡要介紹各部分的功能 。 分析數(shù)控機床對進給伺服系統(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 。 閉環(huán) 、 半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)按其控制信號的形 式可分為哪幾類 ？ 各類的主要特點是什么 ？