數(shù)控技術(shù)CNC6數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

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1、第六章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)學(xué)習(xí)目的與要求第一節(jié)概述第二節(jié)進給驅(qū)動第三節(jié)主軸驅(qū)動第四節(jié)檢測元件第五節(jié)位置控制系統(tǒng)小結(jié)第六章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)學(xué)習(xí)目的與要求：學(xué)習(xí)和掌握數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的概念、進給驅(qū)動、主軸驅(qū)動、檢測元件和位置控制系統(tǒng)等知識和概念。第一節(jié)概述一、伺服的基本概念二、常用伺服執(zhí)行元件三、伺服控制系統(tǒng)分類第一節(jié)概述一、伺服的基本概念１.伺服系統(tǒng)的概念伺服系統(tǒng)：是以機械位置或角度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，CNC控制器經(jīng)過插補運算生成的進給脈沖或進給位移量指令輸入到伺服系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)經(jīng)變換和功率放大轉(zhuǎn)化為機床機械部件的高精度運動。伺服系統(tǒng)既是數(shù)控機床控制器與刀具

2、、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能，如：最高移動速度、運動精度和定位精度等。早期數(shù)控機床，尤其是大中型數(shù)控機床常采用電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動。它由電液脈沖馬達構(gòu)成開環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)。八十年代起全電氣伺服系統(tǒng)成為數(shù)控機床的主要驅(qū)動器。電氣伺服系統(tǒng)是指以各種伺服電動機作為驅(qū)動元件的伺服系統(tǒng)。第一節(jié)概述一、伺服的基本概念２.伺服系統(tǒng)的基本技術(shù)要求（1）精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。作為數(shù)控加工，對定位精度和輪廓加工精度要求都比較高，定位精度一般為0.01～0.001mm，甚至0.1um。輪廓加工精度與速度控制和聯(lián)動坐標

3、的協(xié)調(diào)一致控制有關(guān)。對靜態(tài)、動態(tài)精度要求都比較高。（2）穩(wěn)定性好穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。對伺服系統(tǒng)要求有較強的抗干擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。（3）快速響應(yīng)快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。一方面要求過渡過程時間要短（200ms以內(nèi)或更?。硪环矫嬉蟪{(diào)要小。兩者互相矛盾，要合理選擇。第一節(jié)概述一、伺服的基本概念２.伺服系統(tǒng)的基本技術(shù)要求（4）調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍RN指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比

4、。通常RN=nmax/nmin（nmax和nmin指額定負載時的轉(zhuǎn)速）1）進給伺服系統(tǒng)的調(diào)速要求調(diào)速范圍與伺服系統(tǒng)的分辨率有關(guān)。調(diào)速范圍要求在脈沖當量為0.001mm時達到0～24m/min就夠了。分以下幾種狀態(tài)：①在1～24000mm/min范圍，即1:24000調(diào)速范圍內(nèi)，要求速度均勻、穩(wěn)定、無爬行、速降小。②在1mm/min以下時，具有一定的瞬時速度，而平均速度很低。③在零速時，即工作臺停止運動時，要求電機有電磁轉(zhuǎn)矩，以維持定位精度，也就是說，處于伺服鎖定狀態(tài)。2）主軸調(diào)速范圍要求主軸主要考慮速度控制，一般在1:100～1000范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，1:10以上為恒功率調(diào)速

5、，要有足夠大的輸出功率。第一節(jié)概述一、伺服的基本概念２.伺服系統(tǒng)的基本技術(shù)要求（5）低速大轉(zhuǎn)矩機床加工的特點是，在低速時進行重切削。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。進給坐標的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制；而主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，在高速時為恒功率控制。第一節(jié)概述一、伺服的基本概念３.電氣伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖6－1是典型的電氣伺服系統(tǒng)框圖。伺服系統(tǒng)為三閉環(huán)控制：電樞電流閉環(huán)、速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。電流反饋：采用取樣電阻、霍爾集成電路傳感器等。速度反饋：采用測速發(fā)電機、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。位置反饋：采用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵等。一般的電氣伺服產(chǎn)品中主

6、要包括電流閉環(huán)和速度閉環(huán)控制，而位置環(huán)則由CNC裝置中的計算機進行控制。第一節(jié)概述一、伺服的基本概念３.電氣伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)從器件上來說，電氣伺服系統(tǒng)包括：執(zhí)行部件（例如交、直流伺服電動機及速度檢測元件）伺服驅(qū)動器（速度、電流控制單元，功率放大器等）CNC中的位置控制器三部分。數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要有兩種：進給驅(qū)動系統(tǒng)：控制機床各坐標軸的切削進給運動，主軸驅(qū)動系統(tǒng)：控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動。它們的職能是提供切削過程中所需要的轉(zhuǎn)矩和功率，可以任意調(diào)節(jié)運轉(zhuǎn)速度和準確的位置控制。第一節(jié)概述二、常用伺服執(zhí)行元件常用的伺服執(zhí)行元件主要有直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機和直接

7、驅(qū)動電動機。對伺服電動機的要求:①運轉(zhuǎn)平穩(wěn)：電動機進給速度范圍內(nèi)能平滑運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動小,低速（0.1r/min以下時）無爬行。②承載能力強：電動機應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。比如，電動機能在數(shù)分鐘內(nèi)過載4～6倍而不損壞。③響應(yīng)速度快：根據(jù)控制信號的變化，電動機應(yīng)能在較短時間內(nèi)完成必須的動作。電動機應(yīng)具有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，盡可能小的電動機時間常數(shù)和起動電壓。有4000rad/s2以上的加速度，才能保證電動機在0.2s以內(nèi)從靜止起動到1500r/min。④