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1、第五章数控机床的伺服系统本讲稿第一页，共四十一页机床伺服系统机床伺服系统是指以是指以机械位置或角度机械位置或角度作为被控参数作为被控参数的自动控制的自动控制系统，有时也称为随动系统或伺服机构。在数控机床中，伺服系系统，有时也称为随动系统或伺服机构。在数控机床中，伺服系统接受来自插补器的进给脉冲，经变换放大后转化为机床工作台统接受来自插补器的进给脉冲，经变换放大后转化为机床工作台的位移。的位移。伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；开环伺服系统开环伺服系统和和闭环伺闭环伺服系统服系统。开环开环伺服系统伺服系统闭环闭环伺服系统伺服系统本讲稿第二页，共四十一页步
2、进式伺服系统 在步进式伺服系统中，在步进式伺服系统中，步进电机步进电机作为作为执行元件执行元件，受驱动控制线，受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。大小和速度的机械角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制，但它的结构简单，容易调整，故在电机性能的限制，但它的结构简单，容易调整，故在速度和精度速度和精度要求不太高的场合要求不太高
3、的场合，具有一定的使用价值。，具有一定的使用价值。本讲稿第三页，共四十一页 步步进进电电机机工工作作原原理理 步进电机是将步进电机是将电电脉冲信号脉冲信号变换变换成角位成角位移或线位移移或线位移的一种的一种机机电式数模转换器电式数模转换器，它，它是根据同步电机原理是根据同步电机原理制成的。下面以三相制成的。下面以三相反应式步进电机为例，反应式步进电机为例，说明步进电机的基本说明步进电机的基本工作原理工作原理 本讲稿第四页，共四十一页(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的一个确定的角度，即为步进
4、电机的步距角步距角 ；(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；(3)步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；(4)步进电机的步进电机的步距角步距角 与定子绕组的相数与定子绕组的相数m、转子的齿数、转子的齿数z、通电、通电方式方式K有关，可用下式表示：有关，可用下式表示：式中，三相三拍时式中，三相三拍时K=1；三相六拍时；三相六拍时K=2。例 题本讲稿第五页，共四十一页 如如前前图图所所示示的的步步进进电电机机，若若转转子子齿齿数数z40，以三
5、相三拍通电时，以三相三拍通电时，步距角步距角为为 若以三相六拍通电方式工作时，若以三相六拍通电方式工作时，步距角步距角为为本讲稿第六页，共四十一页步进电机的类型及结构步进电机的类型及结构 步进电机的结构形式很多，其分类方式也很多。常见的分步进电机的结构形式很多，其分类方式也很多。常见的分类方式是按类方式是按产生力矩的原理产生力矩的原理、输出力矩的大小输出力矩的大小以及以及定子和转子定子和转子的数量的数量等方面来分类等方面来分类 本讲稿第七页，共四十一页 目目前前，我我国国使使用用的的步步进进电电机机多多为为反反应应式式步步进进电电机机，如如图图所所示示。这这是是一台典型的单定子径向分相的三相反
6、应式步进电机的结构原理图一台典型的单定子径向分相的三相反应式步进电机的结构原理图 单单定定子子径径向向分分相相式式三三相相步步进进电电机机结结构构原原理理图图 本讲稿第八页，共四十一页多定子轴向分相式五相步进电机结构原理图多定子轴向分相式五相步进电机结构原理图本讲稿第九页，共四十一页 步进电机的主要特性步进电机的主要特性(1)步距角步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角
7、一般为重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5o3o度。通常，步进角越小，加工精度越高。度。通常，步进角越小，加工精度越高。(2)启动频率启动频率 步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高
8、于该突跳频率当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。本讲稿第十页，共四十一页(3)连续运行的最高工作频率连续运行的最高工作频率fmax 步进电机连续运行时保证不丢步进电机连续运行时保证不丢步的极限频率步的极限频率fmax称为最高工作频率。称为最高工作频率。(4)加减速特性加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。时间的关系
9、。加减速特性曲线加减速特性曲线本讲稿第十一页，共四十一页步进系统原理框图步进系统原理框图 步进式伺服系统的工作原理步进式伺服系统的工作原理 本讲稿第十二页，共四十一页1工作台位移量的控制工作台位移量的控制 进进给给脉脉冲冲数数N定定子子绕绕组组通通电电状状态态变变化化次次数数N步步进电机转子的转角进电机转子的转角工作台位移量工作台位移量L2工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制 进进给给脉脉冲冲的的频频率率f定定子子绕绕组组通通电电状状态态的的变变化化频频率率f步进电机转子的转速步进电机转子的转速工作台进给速度工作台进给速度v3工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制 步进电机定子绕组的通电
10、顺序步进电机定子绕组的通电顺序步进电机正转或反转步进电机正转或反转工作台的进给方向工作台的进给方向本讲稿第十三页，共四十一页步进电机的驱动控制线路步进电机的驱动控制线路本讲稿第十四页，共四十一页1脉冲混合电路脉冲混合电路 无无论论是是数数控控装装置置送送来来的的插插补补进进给给信信号号、齿齿补补信信号号，还还是是手手动动进进给给、手手动动回回原原点点信信号号等等等等，这这些些信信号号的的目目的的无无非非是是要要使使工工作作台台正正向向进进给给和和反反向向进进给给，因因此此首首先先应应将将这这些些信信号号混混合合为为使使工工作作台台正正向向运运行行的的“正正向向进进给给”信信号号或或使使之之反反
11、向向运运行行的的“反反向向进进给给”信信号号。这这就就是是脉脉冲冲混混合合电路的作用。电路的作用。2加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路 加加减减脉脉冲冲分分配配电电路路的的作作用用，是是将将正正反反向向进进给给脉脉冲冲，根根据据步步进进电电机机的的原原转转向向和和可可逆逆计计数数器器的的存存数数状状态态，决决定定脉脉冲冲进进入入可可逆逆计计数数器器时时，应应作作加加法法计计数数还还是是减减法法计计数数。若若步步进进电电机机正正转转，输输入入正正向向进进给给脉脉冲冲：步步进进电电机机反反转转，输输入入反反向向进进给给脉脉冲冲，此此时时不不管管可可逆逆计计数数器器是是否否全全为为零零，均均作作加加法
12、法计计数数。而而当当可可逆逆计计数数器器非非全全零零时时，步步进进电电机机正正转转，输输入入反反向向进进给给脉脉冲冲；步步进进电电机机反反转转，输输入入正正向向进进给给脉脉冲冲，均均作作减减法法计计数。数。本讲稿第十五页，共四十一页3加减速电路加减速电路(自动升降速电路自动升降速电路)步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲电流的频步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲电流的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲频率间的变化可率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速电路缓冲后，再进入步进电能是跃
13、变的。因此应该将此跃变频率经加减速电路缓冲后，再进入步进电机绕组，使步进电机工作正常可靠。这就是加减速电路的作用。机绕组，使步进电机工作正常可靠。这就是加减速电路的作用。本讲稿第十六页，共四十一页4环形分配器环形分配器 环形分配器的作用是把来自加减速的一串进给脉冲按一定规律分成若环形分配器的作用是把来自加减速的一串进给脉冲按一定规律分成若干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使其正向运转或反相运转。干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使其正向运转或反相运转。简单移相寄存器简单移相寄存器 1 0 0 0 1 0 0 0 1本讲稿第十七页，共四十一页5.功率放大器功率放大器 从环形分配器
14、来的脉冲电流只有几毫安，而步进电机的定从环形分配器来的脉冲电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因此需要功率放大。功率放大器由子绕组需要几安培的电流，因此需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功率驱动两部分组成。前置放大器是为了放大前置放大器和大功率驱动两部分组成。前置放大器是为了放大环形分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱动部分而设置的，环形分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱动部分而设置的，一般可根据要求选择一个适当的集成元件；大功率驱动部分进一般可根据要求选择一个适当的集成元件；大功率驱动部分进一步将前置放大器送来的脉冲电流信号放大，得到步进电机各一步将前置放大器送来的脉冲
15、电流信号放大，得到步进电机各相绕组所需的脉冲电流。它既要控制步进电机各相绕组的通断相绕组所需的脉冲电流。它既要控制步进电机各相绕组的通断电，又要起功率放大的作用，因而它是步进电机驱动线路中很电，又要起功率放大的作用，因而它是步进电机驱动线路中很重要的一部分。通常采用大功率晶体管、快速可控硅或可关断重要的一部分。通常采用大功率晶体管、快速可控硅或可关断可控硅。可控硅。本讲稿第十八页，共四十一页提高步进系统精度的措施提高步进系统精度的措施1细分线路细分线路 所谓细分线路，就是把步进电机的一步所谓细分线路，就是把步进电机的一步 再分得细一些，来减小步距角。再分得细一些，来减小步距角。2齿距误差和反向
16、间隙补偿齿距误差和反向间隙补偿3混合伺服系统混合伺服系统本讲稿第十九页，共四十一页两种控制线路刀具轨迹比较两种控制线路刀具轨迹比较本讲稿第二十页，共四十一页间隙补偿原理间隙补偿原理 根根据据实实际际测测得得传传动动间间隙隙或或齿齿距距误误差差的的大大小小，每每当当出出现现反反向向或移动到有齿距误差的位置时，用补充固定的脉冲来克服。或移动到有齿距误差的位置时，用补充固定的脉冲来克服。本讲稿第二十一页，共四十一页混合伺服系统本讲稿第二十二页，共四十一页鉴相式伺服系统组成鉴相式伺服系统组成1基准信号发生器基准信号发生器 2脉冲调相器脉冲调相器 3测量元件及信号处理线路测量元件及信号处理线路4鉴相器鉴
17、相器5直流放大器直流放大器 6执行元件执行元件 本讲稿第二十三页，共四十一页鉴相式伺服系统框架鉴相式伺服系统框架本讲稿第二十四页，共四十一页1脉冲调相器脉冲调相器 脉冲调相器是将脉冲调相器是将脉冲数量脉冲数量转换成相应的转换成相应的相位相位的装置。的装置。频率频率计数器容量计数器容量脉冲发生器的频率脉冲发生器的频率NFf=若时钟脉冲是来自基准信号发生器的基准信号，则应适当选择计数器的若时钟脉冲是来自基准信号发生器的基准信号，则应适当选择计数器的容量容量N，使，使f 的大小等于旋转变压器或感应同步器的工作频率，即等于它的大小等于旋转变压器或感应同步器的工作频率，即等于它们励磁信号的频率。们励磁信
18、号的频率。它利用两个容量相同的计数器，它利用两个容量相同的计数器，并由同一个脉冲信号发生器不断地输入并由同一个脉冲信号发生器不断地输入时钟脉冲，结果就在两个计数器的最后一级的输出口得到了频率大大降低时钟脉冲，结果就在两个计数器的最后一级的输出口得到了频率大大降低的两个同频率信号。假设脉冲发生器的频率为的两个同频率信号。假设脉冲发生器的频率为F，计数器容量为，计数器容量为N，则计，则计数器的输出端的脉冲频率数器的输出端的脉冲频率 鉴相式伺服系统的控制线路鉴相式伺服系统的控制线路本讲稿第二十五页，共四十一页输输入入 前前后后的的波波形形变变化化+x相位角相位角 本讲稿第二十六页，共四十一页输入输入
19、-x前后的波形变化前后的波形变化本讲稿第二十七页，共四十一页可逆回路可逆回路可逆回路的波形功能可逆回路的波形功能逻辑图逻辑图本讲稿第二十八页，共四十一页 2鉴相器鉴相器 作用：作用：将控制信号与反馈信号进行相位比较将控制信号与反馈信号进行相位比较 (1)二极管型鉴相器二极管型鉴相器 在在普普通通的的相相位位系系统统中中需需鉴鉴相相的的信信号号为为正正弦弦波波，常常用二极管、变压器等元件组成的鉴相器用二极管、变压器等元件组成的鉴相器 (2)门电路鉴相器门电路鉴相器 在在数数字字脉脉冲冲相相位位系系统统中中需需鉴鉴相相的的信信号号是是方方波波，常常用用由触发器门电路组成的鉴相器由触发器门电路组成的
20、鉴相器 本讲稿第二十九页，共四十一页二极管型鉴相器二极管型鉴相器本讲稿第三十页，共四十一页 鉴相器的输出特性鉴相器的输出特性输出最大直流电压为输出最大直流电压为:系统的平衡点系统的平衡点(机床的瞬时零点机床的瞬时零点)本讲稿第三十一页，共四十一页 触发器的减相原理触发器的减相原理本讲稿第三十二页，共四十一页 半加器鉴相线路及波形器半加器鉴相线路及波形器AB信号信号NE是用来指示误差的符号。当位置信号滞后于指令信号时，是用来指示误差的符号。当位置信号滞后于指令信号时，NE置置“0”；反之，当位置信号超前于指令信号时，；反之，当位置信号超前于指令信号时，NE置置“1”。本讲稿第三十三页，共四十一页
21、鉴相系统的性能鉴相系统的性能 鉴鉴相相式式伺伺服服系系统统作作为为一一个个自自动动调调节节系系统统，它它除除了了对对机机床床传传动系统的精度、刚度有一定要求外，还应满足以下要求：动系统的精度、刚度有一定要求外，还应满足以下要求：1系统稳定性系统稳定性 2无负载机床丝杠的最大转速无负载机床丝杠的最大转速nmax 3系统静不灵敏度系统静不灵敏度 4稳态误差稳态误差 5动态性能指标动态性能指标 本讲稿第三十四页，共四十一页 数字比较式伺服系统数字比较式伺服系统(1)由数控装置提供的指令数字或数码；由数控装置提供的指令数字或数码；(2)反映机床工作台实际位置的反馈测量元件；反映机床工作台实际位置的反馈
22、测量元件；(3)完成指令信号与反馈信号相比较的比较器；完成指令信号与反馈信号相比较的比较器；(4)执行元件；执行元件；(5)指令数字或数码与比较器之间的数字指令数字或数码与比较器之间的数字-数码转换；数码转换；(6)反馈元件与比较器之间的数字反馈元件与比较器之间的数字-数码转换。数码转换。本讲稿第三十五页，共四十一页数字比较系统的工作原理数字比较系统的工作原理及主要功能部件及主要功能部件 1数字脉冲数字脉冲数码转换器数码转换器 (1)数字脉冲转换为数码数字脉冲转换为数码 (2)数码转换为数字脉冲数码转换为数字脉冲 2比较器比较器 (1)数字脉冲比较器数字脉冲比较器 (2)数码比较器数码比较器本讲稿第三十六页，共四十一页数字脉冲转化为数码的线路数字脉冲转化为数码的线路本讲稿第三十七页，共四十一页数码转化为数字脉冲线路的两种形式数码转化为数字脉冲线路的两种形式本讲稿第三十八页，共四十一页数字脉冲比较器数字脉冲比较器本讲稿第三十九页，共四十一页数码比较器框图返回首页本讲稿第四十页，共四十一页本章结束 本讲稿第四十一页，共四十一页