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1、伺服系统统：汽轮机叶叶片高曲曲率半径径数控加加工伺服服速度控控制五轴联动动、数控铣铣床、伺服系系统、速度控控制、直流脉宽宽调速交流变频频调速硬件结构构，变频频调速原原理，控控制刀具具工件、旋旋转还直直线五轴联动动数控铣铣床伺服服系统（以以AV112000/2五五坐标立立式数控控铣床进进行说明明）伺服系统统是指以以机械位位置或角角度作为为控制对对象的自自动控制制系统。它它接受来来自数控控装置的的进给指指令信号号，经变变换、调调节和放放大后驱驱动执行行件，转转化为直直线或旋旋转运动动。伺服服系统是是数控装装置(计计算机)和机床床的联系系环节，是是数控机机床的重重要组成成部分。数控伺服服系统的的基本
2、组组成数控系统统按照调调节理论论来分，可可以分为为开环、闭闭环和半半闭环三三种数控控系统，分分别如下下图所示示：开环数控控系统没有位置置测量装装置，信信号流是是单向的的（数控控装置进给系系统），故故系统稳稳定性好好。无位置反反馈，精精度相对对闭环系系统来讲讲不高，其其精度主主要取决决于伺服服驱动系系统和机机械传动动机构的的性能和和精度。一一般以功功率步进进电机作作为伺服服驱动元元件。这这类系统统具有结结构简单单、工作作稳定、调调试方便便、维修修简单、价价格低廉廉等优点点，在精精度和速速度要求求不高、驱驱动力矩矩不大的的场合得得到广泛泛应用。一一般用于于经济型型数控机机床。半闭环数数控系统统半闭
3、环数数控系统统的位置置采样点点如图所所示，是是从驱动动装置(常用伺伺服电机机)或丝杠杠引出，采采样旋转转角度进进行检测测，不是是直接检检测运动动部件的的实际位位置。半半闭环环环路内不不包括或或只包括括少量机机械传动动环节，因因此可获获得稳定定的控制制性能，其其系统的的稳定性性虽不如如开环系系统，但但比闭环环要好。由由于丝杠杠的螺距距误差和和齿轮间间隙引起起的运动动误差难难以消除除。因此此，其精精度较闭闭环差，较较开环好好。但可可对这类类误差进进行补偿偿，因而而仍可获获得满意意的精度度。半闭闭环数控控系统结结构简单单、调试试方便、精精度也较较高，因因而在现现代CNNC机床床中得到到了广泛泛应用。
4、闭环数控控系统闭环数控控系统的的位置采采样点如如图的虚虚线所示示，直接接对运动动部件的的实际位位置进行行检测。从从理论上上讲，可可以消除除整个驱驱动和传传动环节节的误差差、间隙隙和失动动量。具具有很高高的位置置控制精精度。 由于位位置环内内的许多多机械传传动环节节的摩擦擦特性、刚刚性和间间隙都是是非线性性的，故故很容易易造成系系统的不不稳定，使使闭环系系统的设设计、安安装和调调试都相相当困难难。该系系统主要要用于精精度要求求很高的的镗铣床床、超精精车床、超超精磨床床以及较较大型的的数控机机床等。AV1200/2五坐标立式数控铣床正是采用的这种数控系统。伺服系统统按用途途和功能能分为进进给驱动动
5、系统和和主轴驱驱动系统统。按有有无反馈馈检测元元件分为为开环控控制系统统和闭环环控制系系统。按按执行元元件的不不同，分分为步进进伺服系系统、直直流伺服服系统和和交流伺伺服系统统。伺服服电动机机为数控控伺服系系统的重重要组成成部分，是是速度和和轨迹控控制的执执行元件件。 步进伺服服系统进伺服系系统接受受脉冲信信号，它它的转速速和转过过的角度度取决于于指令脉脉冲的频频率或个个数。由由于没有有检测和和反馈环环节，步步进电机机的精度度取决于于步距角角的精度度，齿轮轮传动间间隙等，所所以它的的精度较较低。而而且步进进电机在在低频时时易出现现振动现现象，它它的输出出力矩随随转速升升高而下下降。又又由于步步
6、进伺服服系统为为开环控控制，步步进电机机在启动动频率过过高或负负载过大大时易出出现“丢步”或“堵转”现象，停停止时转转速过高高容易出出现过冲冲的现象象。另外外步进电电机从静静止加速速到工作作转速需需要的时时间也较较长，速速度响应应较慢。但但是由于于其结构构简单，易易于调整整，工作作可靠，价价格较低低的特点点，在许许多要求求不高的的场合还还是可以以应用的的。直流伺服服系统直流伺服服电机具具有良好好的宽调调速性能能。输出出转矩大大，过载载能力强强，伺服服系统也也由开环环控制发发展为闭闭环控制制，因而而在工业业及相关关领域获获得了更更加广泛泛的运用用。但是是，随着着现代工工业的快快速发展展，其相相应
7、设备备如精密密数控机机床、工工业机器器人等对对电伺服服系统提提出越来来越高的的要求，尤尤其是精精度、可可靠性等等性能。而而传统直直流电动动机采用用的是机机械式换换向器，在在应用过过程中面面临很多多问题，如如电刷和和换向器器易磨损损，维护护工作量量大，成成本高;换向器器换向时时会产生生火花，使使电机的的最高转转速及应应用环境境受到限限制;直直流电机机结构复复杂、成成本高、对对其他设设备易产产生干扰扰。 交流伺伺服系统统交流伺服服系统除除了具有有稳定性性好、快快速性好好、精度度高的特特点外，与与直流伺伺服电机机系统相相比有一一系列优优点:1、 交流电机机不存在在换向器器圆周调调速限制制，也不不存在
8、电电枢元件件中电抗抗电势数数值限制制，其转转速限制制可以设设计得比比相同功功率的直直流电机机高。2、 调速范围围宽，目目前大多多数的交交流伺服服电机的的变速比比可以达达到1:50000，高高性能的的伺服电电机的变变速比已已达1:100000以以上。满满足数控控机床传传动调速速范围宽宽、静差差率小的的要求。3、 矩频特性性好，交交流电机机为恒力力矩输出出，即在在其额定定转速以以内输出出额定转转矩，在在额定转转速以上上为恒功功率输出出。并且且具有转转矩过载载能力，可可克服惯惯性负载载在启动动瞬间的的惯性力力矩。满满足机床床伺服系系统输出出转矩大大、动态态相应好好、定位位精度高高的要求求。根据AVV
9、12000/22五坐标标立式数数控铣床床是根据据机床向向高速、高高精发展展的需要要和吸收收世界先先进设计计理念而而开发设设计的一一种新结结构机床床，不但但布局形形式不同同于传统统的C型型立式铣铣床，而而且其综综合机械械性能、参参数也优优于它们们。AVV12000/22是根据据叶轮加加工的需需要在AAV12200机机床上增增加了可可倾斜数数控转台台而开发发研制的的五轴立立式数控控铣床。交流伺服服电机通通过联轴轴节与滚滚珠丝杠杠直联。且且采用德德国高精精度、高高强度、小小惯量联联轴器。滚滚珠丝杠杠与螺母母进行了了预紧，安安装时进进行了预预拉伸，提提高了伺伺服系统统的传动动刚性，确确保机床床的位置置
10、精度。配配有集中中润滑装装置，定定时定量量对导轨轨和滚珠珠丝杠进进行润滑滑。使机机床保持持高响应应特性和和高刚性性。工作台在在线性滚滚珠导轨轨上作XX向运动动, ZZ轴滑枕枕上配置置五轴联联动铣头头。Y轴轴采用双双线性滚滚珠导轨轨安装呈呈垂直分分布状态态, ZZ轴采用用大规格格线性滚滚珠导轨轨与双平平衡液压压缸装置置,三轴轴均采用用伺电机机与滚珠珠丝杠螺螺母副通通过联轴轴器直接接的形式式。交流伺服服电机是是由定子子和转子子构成。定定子上有有励磁绕绕组和控控制绕组组，如下下图，这这两个绕绕组在空空间相差差90电角度度。一相相为励磁磁绕组ff，它始始终接在在交流电电源Uff上；另另一相为为控制绕绕
11、组k，接接输入信信号电夺夺Uk。UUf与UUk二者者频率相相同，若若在两相相绕组上上加以幅幅值相等等、相位位差900电角度度的对称称电压，则则在电机机的气隙隙中产生生圆形的的旋转磁磁场。若若两个电电压的幅幅值不等等或相位位不为990电角度度，则产产生的磁磁场将是是一个椭椭圆形旋旋转磁场场。加在在控制绕绕组Ukk上的信信号不同同，产生生的磁场场椭圆度度也不同同。故当当负载转转矩一定定，改变变控制信信号，就就可以改改变磁场场的椭圆圆度，从从而控制制伺服电电机的转转速。而而当控制制电压的的相位相相反时，伺伺服电动动将反转转。kUffCUkk交流伺服服电动机机调速交流伺服服电动机机调速常常由调频频调速
12、的的方法实实现。脉脉冲宽度度调制是是一种模模拟控制制方式，根根据相应应载荷的的变化来来调制晶晶体管栅栅极或基基极的偏偏置，来来实现开开关稳压压电源输输出晶 体管或或晶体管管导通时时间的改改变，这这种方式式能使电电源的输输出电压压在工作作条件变变化时保保持恒定定。 脉冲冲宽度调调制（PPWM）是是一种对对模拟信信号电平平进行数数字编码码的方法法。通过过高分辨辨率计数数器的使使用，方方波的占占空比被被调制用用来对一一个具体体模拟信信号的电电平进行行编码。PPWM信信号仍然然是数字字的，因因为在给给定的任任何时刻刻，满幅幅值的直直流供电电要么完完全有(ON)，要么么完全无无(OFFF)。电电压或电电
13、流源是是以一种种通(OON)或或断(OOFF)的重复复脉冲序序列被加加到模拟拟负载上上去的。通通的时候候即是直直流供电电被加到到负载上上的时候候，断的的时候即即是供电电被断开开的时候候。只要要带宽足足够，任任何模拟拟值都可可以使用用PWMM进行编编码。M3UIUR图1中包包括正弦弦波形成成、SPPWM形形成逻辑辑控制及及保护电电路、晶晶体管模模块和驱驱动电路路等，其其主要部部分为脉脉宽调制制及自动动调节的的工作过过程，即即如何把把正弦波波信号转转换成脉脉冲宽度度变化的的调制波波去驱动动交流伺伺服电机机。SPPWM交交直交变压压变频器器的原理理框图如如下：UR整整流器固固定电压压不可控控整流器器
14、，常采采用六个个二级管管桥式整整流器结结构将交交流变为为直流，电电压幅值值不变。为逆变器的供电。UI 逆变器器由六个个功率开开关器件件组成，常常采用大大功率晶晶体管。其其控制极极（大功功率晶体体管GTTR为基基极）输输入由基基准正弦弦波（由由速度指指令转化化过来的的）和三三角波叠叠加出来来的SPPWM调调制波（等等幅、不不等宽的的矩形脉脉冲波），使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。根据
15、AVV12000/22五坐标标立式数数控铣床床其所采采用的伺伺服系统统是鉴幅幅式伺服服系统鉴幅式伺伺服系统统是以位位置检测测信号的的幅值大大小来反反映机械械位移的的数值，并并以此作作为位置置反馈信信号民与与指令信信号进行行比较构构成的闭闭环控制制系统。利利用这种种伺服系系统，使使用AVV12000/22五坐标标立式数数控铣床床工作可可靠、抗抗干扰性性强、精精度高等等优点，并并增加了了位置检检测、反反馈、比比较等元元件。鉴幅式系系统的工工作原理理如下：进进比较较器的信信号有两两路：一一路来自自数控装装置插补补器或插插补软件件的进给给脉冲，它它代表了了数控装装置要求求机床工工作台移移动的位位移；另
16、另一路来来自测量量元件及及信号处处理线路路，也是是以数字字脉冲形形式出现现，它代代表了工工作台实实际移动动的间隔隔。鉴幅幅系统工工作前，数数控装置置和测量量元件的的信号处处理线路路都没有有脉冲输输出，比比较器的的输出为为零。这这时，执执行元件件不能带带动工作作台移动动。出现现进给脉脉冲信号号之后，比比较器的的输出不不再为零零，执行行元件开开始带动动工作台台移动，同同时，以以鉴幅式式工作的的测量元元件又将将工作台台的位移移检测出出来，经经信号处处理线路路转换成成相应的的数字脉脉冲信号号，该数数字脉冲冲信号作作为反馈馈信号进进进比较较器与进进给脉冲冲进行比比较。若若两者相相等，比比较器的的输出为为
17、零，说说明工作作台实际际移动的的间隔即即是指令令信号要要求工作作台移动动的间隔隔，执行行元件停停止带动动工作台台移动；若两者者不相等等，说明明工作台台实际移移动的间间隔还不不即是指指令信号号要求工工作台移移动的间间隔，执执行元件件继续带带动工作作台移动动，直到到比较器器输出为为零时停停止。在鉴幅式式伺服系系统中，数数模转换换电路的的作用是是将比较较器输出出的数字字量转化化为直流流电压信信号，下下图为测测量元件件及信号号处理线线路该信信号经驱驱动线路路进行电电压和功功率放大大，驱动动执行元元件带动动工作台台移动。测测量元件件及信号号处理线线路是将将工作台台的机械械位移检检测出来来并转换换为数字字
18、脉冲量量。测量元件件及信号号处理线线路是如如何将工工作台的的机械位位移检测测出来并并转换为为数字脉脉冲的呢呢?测量量元件的的工作原原理在第第四章中中已经具具体地介介绍过，下下面重点点介绍信信号处理理线路的的工作原原理。图5-226是测测量元件件及信号号处理线线路的框框图，它它主要由由测量元元件、解解调电路路、电压压频率转转换器和和sinncoos发生生器组成成。由测测量元件件的工作作原理可可知，当当工作台台移动时时，测量量元件根根据工作作的位移移量，即即丝杠转转角输出电电压信号号是此时时测量元元件激磁磁信号的的电气角角。VBB的幅值值代表着着工作台台的位移移。VBB经滤波波、放大大、检波波、整
19、流流以后，变变成方向向与工作作台移动动方向相相对应，幅幅值与工工作台位位移成正正比的直直流电压压信号，这这个过程程称为解解调。解解调电路路也称鉴鉴幅器。解解调后的的信号经经电压频频率转换换器变成成计数脉脉冲，脉脉冲的个个数与电电压幅值值成正比比，并用用符号触触发器表表示方向向。一方方面，该该计数脉脉冲及其其符号送送到比较较器与进进给脉冲冲比较；另一方方面，经经sinncoos发生生器，产产生驱动动测量元元件的两两路信号号sinn和coos，使使角与此此相对应应发生改改变。该该驱动信信号是方方波信号号，它的的脉宽随随计数脉脉冲的多多少而变变。根据据傅里叶叶展开式式，当该该方波信信号作用用于测量量
20、元件时时，其基基波信号号分量为为 （55-5） （55-6）1角的的大小由由方波的的宽度决决定。若若测量元元件的转转子没有有新位移移，因激激磁信号号电气角角由变为1，它它所输出出的幅值值信号也也随之变变化，而而且逐步步趋于零零。若输输出的新新的幅值值信号不为零，VVB将将再一次次经电压压频率转转换器、ssincoss信号发发生器，产产生下一一个激磁磁信号，该该激磁信信号将使使测量元元件的输输出进一一步接近近于零，这这个过程程的不断断重复，直直到测量量元件的的输出为为零时止止。在这这个过程程中，电电压频率率转换器器送给比比较器的的脉冲数数目正好好即是角所代代表的工工作台的的位移量量。通常常，我们们总希看看测量过过度过程程尽可能能短，假假如这个个过程很很长，当当有连续续的进给给脉冲时时，由于于来自测测量元件件的反馈馈脉冲不不能及时时到来，比比较器输输出的误误差信号号本身就就带有很很大的误误差，因因而必定定要造成成伺服系系统的拖拖动误差差，从而而影响加加工精度度。