2019最新第三章 数控机床的伺服系统 ● 伺服系统的组成数学

第三章 数控机床的伺服系统
教学目标： 熟悉数控机床伺
服系统，掌握结构 组成部件原理。
● 伺服系统的组成 ● 伺服系统的基本要求 ● 检测装置 ● 开环进给伺服系统 ● 闭环进给伺服系统
● 变频调速系统
• 在自动控制系统中，把被控量以一定的准确度跟随控制量 的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。
数控机床上常用的位置检测元件有光电编码器、直线感 应同步器、光栅和磁尺等。
五、 测速发电机及反馈回路
对执行元件的转速进行检测判断，反馈校正，从而提高了 速度控制的精度。
测速发电机只是一种检测元件，也可以选择别的。
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(2) 准停控制 在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高 精度的准确位置停止。
(3) 角度分度控制
为了满足上述数控机床对主轴驱动的要求，主轴电机应具备以下性能： (1) 电机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范 围宽； (2) 在断续负载下电机转速波动要小； (3) 加速、减速时间短； (4) 温升低，噪声小，振动小，可靠性高，寿命长，易维护，体积小， 重量轻； (5) 电机过载能力强。
7.对伺服电机的要求
二 、主轴伺服系统的基本要求
具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围
1、输出大功率
在调速范围内均能提供所需的切削功率，提供主轴 电动机的最大功率。为满足数控机床低速、强力切削的 需要，常采用分段无级变速的方法(即在低速段采用机 械减速装置)，以扩大输出转矩。通常主传动电机应有 2.5~250kw的功率范围，因此，对功率驱动电路提出了 更高的要求。
①直接测量被测的量，无需变换。
②在小量程内实现较高精度的测量，技术上较为成熟。 如用旋转变压器、感应同步器等。
2)增量式测量与绝对式测量
1)增量式测量 增量式测量的特点是： 只测位移量，如测量单位为0.01mm，则每移动O.01mm 就发出一个脉冲信号。在轮廓控制的数控机床上大都采用 这种测量方式。典型的测量元件有感应同步器、光栅、磁 尺等。
若W=0.01mm，通过减小θ 角，将莫尔条纹的节距调成1Omm 时，其放大倍数相当于1000倍(1／θ =B/W)。因此，不需要经 过复杂的光学系统，便将光栅的栅距放大了1000倍，从而大大 减化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。
3．直线光栅的工作原理
根据莫尔条纹的移动规律，当光栅尺移动一个栅距w时， 莫尔条纹会移动一个节距B。移动一个节距就会产生一个光电 脉冲信号，这个信号通过光电元件可以检测到。这样，通过 光电元件接收到的脉冲个数就可知道光栅尺移动了多少个栅 距w，移动的距离不满一个栅距的，可以通过检测光的强弱来 判断。这两方面结合起来，就能精确地测量出光栅尺的移动 距离。
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四、编码器的原理与应用
编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转 动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。
360 / 条纹
如条纹数为1024，则分辨角
360/1024 0.352
1一光源 2一透镜 3一光栏板 4一光电码盘 5一光电元件6一参考标记
2)绝对式测量
绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定 的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。装置 的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个 角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高， 量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构也就愈复 杂。
3）直接测量与间接测量
3.具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化
时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，速度受 负载力矩变化的影响很小。通常要求承受额定力矩变化 时，静态速降应小于5％，动态速降应小于10％。
4.快速响应无超调 快 速：效率高 无超调：加工质量高
5.高精度 6.低速大转矩 机床的加工特点，大多是低速时进行切削，即在低速时进 给驱动要有大的转矩输出。
3、具有四象限驱动能力
要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、 减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在ls内从静止加速到6000r／ min。
主轴驱动一般为速度控制系统，除上面的一般要求外，还具有下 面的控制功能。
(1) 主轴与进给驱动的同步控制 该功能使数控机床具有螺纹加 工（或螺旋槽）能力。
2、调速范围大
要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现 无级调速，并减少中间传动环节。
目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达l：100，恒功率调 速范围也可达l：30，过载1.5倍时仍可持续工作达30min。
主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式， 其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床采用无级变 速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型 数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。
节距W2=2(a2+ b2)
定尺节距即为检测周期W W=2mm
一般取W1=W2或者取W1=2W/3
2.感应同步器的工作原理 电磁感应的强弱和相互之间的位置有直接的关系。
不同位置时的 感应效果对比 在一个节距 W 内，位移
x 与θ的关系应为
2 x
W
滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势(按余弦波形) 变化了一个周期。
一 、 概述
1.位置检测装置的要求
1)受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度， 抗干扰能力强。
2)在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。 3)使用维护方便，适应机床工作环境。 4)成本低 。
2.位置检测装置的分类
(1)数字式测量与模拟式测量 1)数字式测量 数字式测量是将被测的量以数字的形式
• 数控机床的伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为被 控制量的自动控制系统。
• 伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉 冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转 化为机床工作台相对于切削刀具的运动。
第一节 伺服系统的组成
一 、驱动电路
驱动电路接收CNC装置发出的指令，并将这种指令信号 转换成后面执行元件所需要的控制信号的形式，经过功率放 大后，驱动执行元件动作。
2．莫尔条纹的产生和特点
1一光栅尺(标尺光栅) 2一指示光栅 3一光电接收元件4一光源
（1)放大作用 当标尺光栅和指示光栅的夹角很小时，栅距 w和莫尔条纹节距B(单位：mm)有下列关系
B W W
sin
莫尔条纹的节距为光栅栅距的1/θ 倍。由于θ 很小(小于 1 O)，因此节距B比栅距W放大了很多倍。
若励磁电压为
u U m sin t
则在定尺绕组产生的感应电势为
e kUm cos sin t
3.感应同步器输出信号的处理方式
1） 鉴相方式 根据相位来判断 通过检测感应电动势的幅值测量位移
2） 鉴幅方式 根据幅值来判断 通过检测感应电动势的相位测量位移
(1)鉴相方式
us U m sin t
(1)在1mm／min～24000mm／min即1：24000调速范围内，要求速度均匀、 稳定、无爬行，且转矩变化小。
(2)在1mm／min以下时具有一定的瞬时速度，但平均速度很低。 (3)在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位 精度，使定位误差不超过系统的允许范围，即电机处于伺服锁定状态。
第三节 检测装置
在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出 反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差， 经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动， 直至偏差等于零为止。一般要求检测元件的分辨率(检测元 件能检测的最小位移量)在0.0001～0.01mm之内，测量精度 为±0.001～±O.02mm／m，运动速度为O～24m／min。
二 、感应同步器位置检测装置
感应同步器是利用电磁原理将线位移和角位移转换成 电信号的一种装置。根据用途，可将感应同步器分为直线 式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。
1.感应同步器的结构
直线感应同步器的基体通常采用厚度为10 mm的铜板或铸铁制成，以减小与 机床的温度误差。平面绕组为铜箔，通常采用厚度为0.05mm或0.07mm的紫 铜箔，用绝缘粘结剂热压黏结在基体上，再利用刻蚀方法制成所需的绕组。
1)直接测量 直接测量是将检测装置直接安装在执行 部件上，如光栅、感应同步器等用来直接测量工作台的 直线位移，其缺点是测量装置要和工作台行程等长。
2)间接测量 间接测量装置是将检测装置安装在滚珠 丝杠或驱动电动机轴上，通过检测转动件的角位移来间 接测量执行部件的直线位移。间接测量方便可靠，无长 度限制。其缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为 直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。
2
W
x)
例如定尺输出的感应电动势与滑尺励磁电压之间相位 差为3.6°，在W=2mm的情况下
x (3.6 / 360) 2mm 0.02mm
滑尺相对定尺节距为零的位置移动了0．02mm。
4．感应同步器的特点 (1)精度高 目前直线感应同步器的精度可达±0.001mm，重复精度0.0002mm，灵敏度0.00005mm。 (2)工作可靠，抗干扰性强 (3)维修简单、寿命长 (4)测量距离长 (5)工艺性好、成本低、便于成批生产
三 、 光栅位置检测装置
光栅用于数控机床作为检测装置，用以测量长度、角度、 速度、加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环系统中用 得较多的一种检测装置。
1．直线透射光栅的组成 光栅位置检测装置由光源、长光栅(标尺光栅)、短光栅(指示光栅)、 光电接收元件等组成。长光栅随运动部件移动，要求与行程等长。短光 栅则常固定在机床的相应部件上。长、短光栅保持一定间隙(0.05～ 0.1mm)重叠在一起，短光栅在自身的平面内旋转一个很小的角度。