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1、第三部分数控机床的伺服系统驱动机电工程学院机电工程学院第1页，共34页，编辑于2022年，星期二3.13.1数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统3.23.2数控机床的位置检测数控机床的位置检测本部分重要内容本部分重要内容第2页，共34页，编辑于2022年，星期二伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作为控制对象的自动控制系统，也称为位置随动系统、为控制对象的自动控制系统，也称为位置随动系统、简称伺服系统。简称伺服系统。主要功能是：接受来自数控装置输出的插补主要功能是：接受来自数控装置输出的插补结果，如指令脉冲或数字量，通过功率放大控制结果，如指令脉冲或数
2、字量，通过功率放大控制电动机驱动机床的移动部件，完成预期的直线或电动机驱动机床的移动部件，完成预期的直线或转角位移。转角位移。第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述3.1 3.1 数控机床对伺服系统概述数控机床对伺服系统概述第3页，共34页，编辑于2022年，星期二如果说如果说CNCCNC装置是数控机床的装置是数控机床的“大大脑脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那，那么伺服系统则是数控机床的么伺服系统则是数控机床的“四肢四肢”，是一，是一种种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行由CNCCNC装置装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动发来的运
3、动命令，精确控制执行部件的运动方向，速度与位移量。方向，速度与位移量。第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述第4页，共34页，编辑于2022年，星期二1 1稳定性好稳定性好2 2准确度高准确度高3 3、响应快、响应快4 4、调速范围宽、调速范围宽5 5、输出扭矩大、输出扭矩大6 6、高可靠性、高可靠性第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述3.1.1 3.1.1 数控机床伺服系统的基本要求数控机床伺服系统的基本要求第5页，共34页，编辑于2022年，星期二 组成：伺服电动机组成：伺服电动机 驱动信号控制转换电路驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块电子电力驱动
4、放大模块 位置调节单元位置调节单元 速度调节单元速度调节单元 电流调节单元电流调节单元（调节加速度调节加速度）检测装置检测装置一般闭环伺服系统的典型结构为三环结构：位置环、速度一般闭环伺服系统的典型结构为三环结构：位置环、速度环、电流环。环、电流环。第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述3.1.2 3.1.2 数控机床伺服系统的组成数控机床伺服系统的组成第6页，共34页，编辑于2022年，星期二 位置调解位置调解速度调解速度调解电流调解电流调解转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG 位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部位置
5、、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。组成。CNC指令指令第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述第7页，共34页，编辑于2022年，星期二由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题，由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题，在加工精度方面，近在加工精度方面，近1010年来，普通级数控机床的加工精年来，普通级数控机床的加工精度已由度已由10m10m提高到提高到5m5m，精密级加工中心则从，精密级加工中心则从3 35m5m，提高到，提高到1 11.5m1.
6、5m，并且超精密加工精度已开始，并且超精密加工精度已开始进入纳米级。在可靠性方面，国外数控装置的进入纳米级。在可靠性方面，国外数控装置的MTBFMTBF值值已达已达6 000h6 000h以上，伺服系统的以上，伺服系统的MTBFMTBF值达到值达到30000h30000h以上，以上，表现出非常高的可靠性表现出非常高的可靠性 。第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述第8页，共34页，编辑于2022年，星期二3.1.3 3.1.3 常用的伺服驱动元件常用的伺服驱动元件伺伺服服驱驱动动元元件件是是伺伺服服系系统统的的关关键键部部件件，对对系系统统的的特特性性有有极极大大的的影影响响，
7、它它的的发发展展和和进进步步是是推推动动数数控控机机床床发发展展的的重重要要因因素素。驱动元件的发展大致分为以下几个阶段：驱动元件的发展大致分为以下几个阶段：5050年年代代，采采用用步步进进电电动动机机。目目前前只只应应用用于于经经济济型型数数控控机机床床（适于轻载、负荷变动不大适于轻载、负荷变动不大）。60607070年年代代，采采用用步步进进电电动动机机和和电电液液伺伺服服电电动动机机。现现已已基基本不用。本不用。70708080年年代代，采采用用直直流流伺伺服服电电动动机机，目目前前在在我我国国仍仍有有使使用用（调速性能良好调速性能良好）。8080年年代代以以后后，采采用用交交流流伺伺
8、服服电电动动机机，是是比比较较理理想想的的驱驱动动元元件。件。9090年代以来直线电动机开始采用年代以来直线电动机开始采用（高速、高精度高速、高精度）。）。第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述第9页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述一、步进电机一、步进电机 步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度。步进电动机电动机按设定的方向转动一个固定的角度
9、。步进电动机的转子上无绕组且制有若干个均匀分布的齿，在定子上的转子上无绕组且制有若干个均匀分布的齿，在定子上有励磁绕组。当有脉冲输入时，转子就转过一个固定的有励磁绕组。当有脉冲输入时，转子就转过一个固定的角度，其角位移量与输入脉冲个数严格地成正比，在时角度，其角位移量与输入脉冲个数严格地成正比，在时间上也与输入脉冲同步。当无脉冲时，在绕组电源的激间上也与输入脉冲同步。当无脉冲时，在绕组电源的激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置不变而处于定位励下，气隙磁场能使转子保持原有位置不变而处于定位状态。状态。第10页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述
10、述（一一）步进电动机工作原理步进电动机工作原理 尽管步进电动机种类很多，其基本尽管步进电动机种类很多，其基本原理实质都是一致的。现以三相反应式原理实质都是一致的。现以三相反应式步进电动机为例，说明其工作原理：在步进电动机为例，说明其工作原理：在步进电动机定子上有三对磁极上面绕有步进电动机定子上有三对磁极上面绕有励磁绕组，分别称为励磁绕组，分别称为A相、相、B相和相和C相。相。转子上带有等距小齿转子上带有等距小齿（图中有四个齿图中有四个齿），如果先将，如果先将A相加上电脉冲，则有：相加上电脉冲，则有：ABBCC1234(a)A相通电A第11页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数
11、控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述如果将如果将B B相加上电脉冲，则有：相加上电脉冲，则有：转子逆时针转子逆时针旋转旋转3030 AABBCC1234(b)B相通电 AABBCC1234(a)A相通电第12页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述如果将如果将C C相加上电脉冲，则有：相加上电脉冲，则有：转子逆时针转子逆时针旋转旋转3030 AABBCC1234(b)B相通电 AABBCC1234(a)A相通电 AABBCC1234(c)C相通电转子逆时针转子逆时针旋转旋转3030动画模拟动画模拟第13页，共34页，编辑于2022年，星期二第
12、第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循环，称为三相单三拍通电方式。其通电方式及通电顺序为环，称为三相单三拍通电方式。其通电方式及通电顺序为ABCAABCA或者或者ACBA ACBA 由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电动机失去自锁力，荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电动机失去自锁力，容易造成失步。容易造成失步。第14页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系
13、系统统概概述述为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，其通电方式及通电顺序为其通电方式及通电顺序为:AABBBCCCAAAABBBCCCAA或者或者AACCCBBBAA AACCCBBBAA 这种通电方式当由这种通电方式当由A A相通电转为相通电转为ABAB相共同通电时，转子相共同通电时，转子磁极将同时受到磁极将同时受到A A相与相与B B相的吸引，它就停在相的吸引，它就停在ABAB两相磁极中间，两相磁极中间，这时它转过的角度是这时它转过的角度是1515度。这种通电方式在切换时，始终有一度。这种通电方式在切换时，始终有一相磁极不断电，故而工作较稳
14、定，且在相同频率下，每相导通相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续运行频率等特性。率及连续运行频率等特性。第15页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述（二二）步进电动机的结构步进电动机的结构第16页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述（三三）步进电动机的优点：步进电动机的优点：控制特性好；控制特性好；误差不长期积累；误差不长期积累；步距角不受各种干扰因素的影
15、响。步距角不受各种干扰因素的影响。步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号的步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作为伺频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化，服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控制精度。工作可靠，而且可以获得较高的控制精度。第17页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述（四四）步进电动机的分类步进电动机的分类、按力矩产生原理分：有反应式（转子无绕组）、激、按力矩产生原理分：有反应式（转子无绕组）、激磁式（定子转子均
16、有绕组）；磁式（定子转子均有绕组）；、按输出力矩大小分：、按输出力矩大小分：可分为伺服式（与液压扭矩放可分为伺服式（与液压扭矩放大器配用）、功率式（大器配用）、功率式（550N.m550N.m）；）；、按定子数分：单定子式、多定子式；、按定子数分：单定子式、多定子式；、按各相绕组分布分：有单段式、按各相绕组分布分：有单段式（径向式径向式）、多段式、多段式（轴向式轴向式）等。等。第18页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述（五五）步进电动机的主要技术指标步进电动机的主要技术指标1 1、步距角：电动机每步的转角称为步距角，、步距角：电动机每步的
17、转角称为步距角，步距角越步距角越小精度越高。小精度越高。360/mzk360/mzk m m相数；相数；k k与通电方式有关的系数；与通电方式有关的系数；z z齿数齿数 同一相数的步进电动机通常有两种步距角，如同一相数的步进电动机通常有两种步距角，如1.5/0.751.5/0.75、1.2/0.61.2/0.6、3/1.53/1.5等。双拍制的步等。双拍制的步距角比单拍制的步距角减小一半。距角比单拍制的步距角减小一半。第19页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述2 2、静态矩角特性：描述静态时电磁转矩与转角的关系。、静态矩角特性：描述静态时
18、电磁转矩与转角的关系。静态稳定区静态稳定区稳定稳定平衡点平衡点稳定稳定平衡点平衡点最大最大静转矩静转矩稳定稳定平衡点平衡点MO3 3、启动频率：在空载条件下由静止状态突然启动，并进、启动频率：在空载条件下由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行最高频率。入不丢步的正常运行最高频率。第20页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述4 4、连续运行频率：其运行速度能跟踪指令脉冲连续上、连续运行频率：其运行速度能跟踪指令脉冲连续上升而不丢步的最高工作频率。升而不丢步的最高工作频率。5 5、矩频特性曲线与动态转矩：描述步进电机输出转矩、矩频特性曲线与
19、动态转矩：描述步进电机输出转矩与运行频率之间的关系。与运行频率之间的关系。脉冲频率脉冲频率负载转矩负载转矩矩频特矩频特性曲线性曲线O第21页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述（六六）驱动控制驱动控制步进电机驱动控制电路由环形分配器和功率放大电路组成。步进电机驱动控制电路由环形分配器和功率放大电路组成。A A环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器B BC C第22页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述1 1、环形分配环形分配实现环形分配的方法有两种。实现环形分配的方法有两种。一种是计算
20、机软件分配，用于多相电动机的脉冲分配，一种是计算机软件分配，用于多相电动机的脉冲分配，但会占用计算机的运行时间，从而影响电动机的运行速度。但会占用计算机的运行时间，从而影响电动机的运行速度。另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形另一种是硬件环形分配，采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。第23页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述2 2、功率驱动功率驱动（1 1）单电源驱动电路）单电源驱动电路第24页，共34页，编辑于2022年，星期二第第
21、一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述（2 2）双电源驱动电路）双电源驱动电路第25页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述（3 3）斩波限流驱动电路）斩波限流驱动电路第26页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述（七七）步进电机在数控机床的应用步进电机在数控机床的应用简易型数控机床、普通机床的数控改造简易型数控机床、普通机床的数控改造第27页，共34页，编辑于2022年，星期二二二、交流伺服电动机交流伺服电动机由于直流伺服电动机的的电刷和换向器易磨损；电动由于直流伺服电动机的的
22、电刷和换向器易磨损；电动机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。而交流伺服电动机结构简单，成本低廉，无难，成本高。而交流伺服电动机结构简单，成本低廉，无直流伺服电动机的缺点。而且转子惯量较直流伺服电动机直流伺服电动机的缺点。而且转子惯量较直流伺服电动机的小，这意味着动态响应更好。交流伺服电动机容量也比的小，这意味着动态响应更好。交流伺服电动机容量也比直流伺服电动机容量大，可达更高的电压和转速。一般在直流伺服电动机容量大，可达更高的电压和转速。一般在同样体积下，交流伺服电动机的输出功率比直流伺服电动同样体积下，交流伺服电动机
23、的输出功率比直流伺服电动机可以提高机可以提高1070。是当前机床进给驱动系统的主流。是当前机床进给驱动系统的主流。第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述第28页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述1、交流伺服电动机的类型：、交流伺服电动机的类型：交流异步电动机和交流同步电动机。交流异步电动交流异步电动机和交流同步电动机。交流异步电动机所采用的电流有三相和单相两种。交流同步电动机所采用的电流有三相和单相两种。交流同步电动机的磁势源可以是电磁式、永磁式和反应式等多种，机的磁势源可以是电磁式、永磁式和反应式等多种，在数控机床进给伺
24、服系统中多采用永磁式同步电动在数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电动机。主轴伺服系统电机多采用交流异步电动机，很机。主轴伺服系统电机多采用交流异步电动机，很少采用永磁同步电动机，主要因为永磁同步电动机少采用永磁同步电动机，主要因为永磁同步电动机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电动机完全可以满围也不要太大。因此，采用异步电动机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴
25、驱动系统中。驱动系统中。第29页，共34页，编辑于2022年，星期二VSVS第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述永磁式同步电动机的特点是：结构简单，运行可靠，效率高。在结构永磁式同步电动机的特点是：结构简单，运行可靠，效率高。在结构上采取措施如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁，可比直流电动机上采取措施如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁，可比直流电动机在外形尺寸上减少约在外形尺寸上减少约50，重量上减轻近，重量上减轻近60，转子惯量减至，转子惯量减至20，因而，因而可得到比直流伺服电动机更硬的机械性能和宽的调速范围。可得到比直流伺服电动机更硬的机械性能和宽的调速范围。第
26、30页，共34页，编辑于2022年，星期二2.交流伺服电动机的调速方法交流伺服电动机的调速方法由电动机学知，交流电动机转速公式：由电动机学知，交流电动机转速公式：式中：式中：f 定子电源频率定子电源频率 p 磁极对数磁极对数 S 转差率转差率 ns 定子旋转磁场转速定子旋转磁场转速 n 转子转速转子转速第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述第31页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述对于进给系统常使用交流同步电动机，该电动机没有转差率，电动对于进给系统常使用交流同步电动机，该电动机没有转差率，电动机转速公式变为：机转速公式变
27、为：从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。第32页，共34页，编辑于2022年，星期二第第一一节节 数数控控机机床床伺伺服服系系统统概概述述变频调速的主要环节是为交流电动机提供变频、变压变频调速的主要环节是为交流电动机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：电源的变频器，变频器分为：l交交直直交变频器交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的分电压型和电流型。电压型先将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。功率。l交交交变频器交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。的交流电变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电动机，用得最多的是电压型交目前对于中小功率电动机，用得最多的是电压型交直直交变频器。交变频器。第33页，共34页，编辑于2022年，星期二交流伺服电动机及其伺服驱动器交流伺服电动机及其伺服驱动器交流伺服电动机交流伺服电动机交流伺服电动机驱动器交流伺服电动机驱动器第34页，共34页，编辑于2022年，星期二