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1、第五讲第五讲 数控机床进给伺服系统数控机床进给伺服系统武汉船舶职业技术学院机械系 周兰数控机床与使用维修本讲主要内容本讲主要内容l数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求l进给伺服系统的组成进给伺服系统的组成 l数控机床进给伺服系统的分类数控机床进给伺服系统的分类l典型进给伺服系统典型进给伺服系统 引言引言l数控机床伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称随动系统。l数控机床的进给伺服系统是数控装置与机床本体间电传动联系的环节，也是数控系统的执行部分。l在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的
2、速度、运动的方向和运动的起停位置等。数控机床的性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。一、一、数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求1可逆运行可逆运行l可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向或反向运动。l要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失。l从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量改变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。2高精度高精度l数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的
3、影响，故要求数控机床的实际位移与指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为0.010.001，甚至可高达0.1m，以保证加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。3调速范围宽调速范围宽l调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，即有很大的调速范围。l目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1m的情况下，进给速度能在0240mmin的范围内连续可调。一般数控机床的进给速度能在0240mmin的范围之内连续可调并能满足加工要求
4、。在这一调速范围内，要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变。4快速响应并无超调快速响应并无超调l要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。l伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。l当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。5低速大转矩低速大转矩l机床加工，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。二、进给伺服系统的组成二、进给伺服系统的组成数控机床进给伺服系统的组成数控机床进给伺服
5、系统的组成框图：框图：1组成组成l是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。位置环位置环l位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负反馈，即与指令信号的相位相反。l指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号向位置环送去减数。l位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。它们或者直接对位移进行检测，或者间接对位移进行检测。速度环速度环l速度环是一个非常重要的环，由速度调节器、电流调节器及功率放大器等部分组成。l它的输入信号有两个：一个是位置环的输出，作为速度环的指令信号送给速度环；电动机转速检测装置测得的速度信号作为负反馈送给
6、速度环。速度环中用作速度反馈检测的装置通常为测速发电机、脉冲编码器等。三、数控机床进给伺服系统的分类三、数控机床进给伺服系统的分类1开环伺服系统（）开环伺服系统（）l开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。l伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲电机等。l由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。1开环伺服系统（）开环伺服系统（）l控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。l系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的节距精度以及系统的摩擦
7、阻尼特性等。l开环伺服系统的结构简单，调试、维修方便，成本低廉，但精度差，一般用于经济型数控机床。开环伺服系统示意图开环伺服系统示意图2闭环伺服系统闭环伺服系统 l闭环伺服系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电机以及电液伺服阀液压马达。l与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。l由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位移精度主要取决于检测装置的精度。闭环伺服系统的定位精度一般可达0.01mm0.005 mm。闭环伺服系统示意图闭环伺服系统示意图3
8、半闭环伺服系统半闭环伺服系统l半闭环伺服系统是将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。l闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差。l半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与调试都比较简单。半闭环伺服系统示意图半闭环伺服系统示意图4说明说明l采用直流或交流伺服电机的闭环和半闭环伺服系统，具有较高的精度、速度和动态特性，在数控机床中得到广泛应用。l 闭环伺服系统的设计和调试都较开环系统困难。目前数控机床上使用半闭环伺服系统较多，只有在高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。全数字伺服系统全数字伺服系统l随着微电子技术、计算机技
9、术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。l由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字PID算法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。l数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。位置、速度、电流三环结构示意图位置、速度、电流三环结构示意图 四、典型进给伺服系统四、典型进给伺服系统 1由步进电机构成的开环控制系统（）由步进电机构成的开环控制系统（）l由步进电机构成的开环控制系统因受所能达到的精度的限制，目前常用于普通机床的数控改造上。l采用步进电机开环伺服系统的数控机床，其数控装置多
10、由单片机构成，步进电机由于采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，由步进电机所构成的开环控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑，这个功能由环形脉冲分配器实现。还要求有功率驱动部分。为了保证步进电机不失步地启停，要求控制系统具有升降速控制环节步进电机开环进给伺服系统原理图：步进电机开环进给伺服系统原理图：1由步进电机构成的开环控制系统（）由步进电机构成的开环控制系统（）l基本控制原理基本控制原理 由数控装置送来的定频率和数量的指令脉冲，经步进电机环形分配器分配和功率放大器放大后驱动步进电机旋转。l步进电机的使用步进电机的使用 步进电机的角位移或线位移与脉冲数成正比，其转速与脉冲频
11、率成正比，它将指令脉冲变成步进电机输出轴的旋转运动。1由步进电机构成的开环控制系统（由步进电机构成的开环控制系统（3）l步进电机开环伺服系统结构简单，安装调试方便，成本低，但精度有限。l影影响响精精度度的的因因素素 精度取决于步进电机和机械装置的精度。系统中，步进电机的步距角精度，机械传动部件的精度，丝杠、支承的传动间隙以及传动和支承件的变形等，将直接影响进给位移的精度。为了提高系统的精度，应该适当提高系统组成环节的精度，此外，还可采取传动间隙补偿和螺距误差补偿等补偿措施。2闭环进给位置伺服系统（闭环进给位置伺服系统（1）l数控机床的位置控制是数控机床伺服系统的重要组成部分。闭环位置控制主要采
12、用直流伺服电动机或交流伺服电动机驱动，机床工作台的实际位移可通过检测装置及时反馈给数控装置中的比较器，以便与指令位移信号进行比较，两者的差值又作为伺服电机的控制信号，进而驱动工作台消除位移误差。2闭环进给位置伺服系统（闭环进给位置伺服系统（2）l闭环系统的分类闭环系统的分类 由于闭环、半闭环控制系统采用的位置检测元件不同，使得指令信号与位置反馈信号的比较方式不同，通常有脉冲比较、相位比较和幅值比较三种不同的比较方式。2闭环进给位置伺服系统（闭环进给位置伺服系统（3）l脉脉冲冲比比较较伺伺服服系系统统工工作作原原理理 系统按功能模块大致可分为三部分：采用光电脉冲编码器产生位置反馈脉冲Pf；实现指
13、令脉冲F与反馈脉冲Pf的脉冲比较环节，以取得位置偏差信号e；以位置偏差e作为速度调节系统。脉冲比较伺服系统原理图脉冲比较伺服系统原理图2闭环进给位置伺服系统（闭环进给位置伺服系统（4）l脉脉冲冲比比较较电电路路 在脉冲比较伺服系统中，实现指令脉冲F与反馈脉冲Pf的比较后，才能检测出位置的偏差。脉冲比较电路的基本组成有两个部分：一是脉冲分离部分，二是可逆计数器。脉冲比较环节框图脉冲比较环节框图2闭环进给位置伺服系统（闭环进给位置伺服系统（5）l应应用用可可逆逆计计数数器器实实现现脉脉冲冲比比较较的的基基本本原原理理 当输入指令脉冲为正（即F）或反馈脉冲为负（即Pf）时，可逆计数器作加法计数；当指
14、令脉冲为负（即F）或反馈脉冲为正（即Pf）时，可逆计数器作减法计数。l举举例例 设初始状态的可逆计数器为全0，工作台静止。然后突加正向指令脉冲F=1，计数器加l，在工作台移动之前，可逆计数器的输出即位置偏差e=+l。为消除偏差，工作台应作正向移动，随之产生反馈脉冲外Pf=1，应使可逆计数减1，e=0。这样，工作台就在正向前进一个脉冲当量的位置上停下来。反之，F来一个脉冲即F=1，使计数器减l，e=l。则有Pf=1，使计数器加1，e=0。2闭环进给位置伺服系统（闭环进给位置伺服系统（6）l脉脉冲冲分分离离原原理理 当加、减脉冲先后到来时，脉冲本身就是分离的，则可直接进入可逆计数器按预定的要求作加
15、法计数或减法计数；若加、减脉冲同时到来时，则由硬件逻辑电路保证，先作加法计数，然后经过几个时钟的延时再作减法计数，这样，可保证两路计数脉冲信号均不会丢失。脉冲分离电路原理图脉冲分离电路原理图2闭环进给位置伺服系统（闭环进给位置伺服系统（7）l相相位位伺伺服服系系统统的的组组成成及及工工作作原原理理 在采用感应同步器作为位置检测元件的相位伺服系统中，感应同步器取相位工作状态，以定尺的相位检测信号经整形放大后所得的PB（）作为位置反馈信号。指令脉冲F经脉冲调相后，转换成重复频率为f0的脉冲信号PA（）。PA（）和PB（）为两个同频的脉冲信号，它们的相位差反映了指令位置与实际位置的偏差，由鉴相器判别
16、检测。伺服放大器和伺服电机构成的调速系统，接受相位差信号以驱动工作台朝指令位置进给，实现位置跟踪。相位比较伺服系统原理框图相位比较伺服系统原理框图2闭环进给位置伺服系统（闭环进给位置伺服系统（8）l幅幅值值比比较较伺伺服服系系统统 是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。该系统的特点之一是所用的位置检测元件应工作在幅值工作方式，而幅值比较伺服系统常用的检测元件是感应同步器和旋转变压器。幅值比较伺服系统框图幅值比较伺服系统框图3半闭环进给位置伺服系统半闭环进给位置伺服系统l半半闭闭环环伺伺服服系系统统的的基基本本构构成成 系统由
17、位置控制单元和速度控制单元构成。光电脉冲编码器发出的脉冲，一方面用作位置的反馈信号，另一方面用作测速信号。当电机的负载变化时，反馈脉冲信号的频率将随着变化。频率电压变换器的作用是输出与反馈脉冲信号的频率变化成正比的直流电压信号，该信号就是速度单元的速度反馈信号，它与速度指令电压比较来控制伺服电机转速。半闭环进给伺服系统原理图半闭环进给伺服系统原理图思考与练习：思考与练习：l进给伺服系统在数控机床的主要作用是什么？它主要由哪几部分组成，试用框图表示各部分的关系，并简要介绍各部分的功能。l分析数控机床对进给伺服系统的基本要求，并说明你的理由。l画出开环、闭环、半闭环伺服系统的工作原理图，并分别说明它们的工作原理及特点。l闭环、半闭环进给伺服系统按其控制信号的形式可分为哪几类？各类的主要特点是什么？