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1、3:30 PM数控技术1第四部分第四部分 进给伺服系统进给伺服系统第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术2第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置 第三节第三节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统 第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第五节第五节 伺服系统性能分析伺服系统性能分析 第六节第六节 伺服系统的特性对加工精度的影响伺服系统的特性对加工精度的影响 第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系
2、统统统统3:30 PM数控技术3第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 内容提要内容提要 本章将详细讨论进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术4 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说如果说CNCCNC装置是数控系统的装置是数控系统的“大脑大脑”，是发，是发布布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服系统，那么进给伺服系统则是数控系统的则是数控系统的“四肢四肢”，是一种，是一种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行
3、由CNCCNC装置发来的运动命令，装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。移量。第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统3:30 PM数控技术5第一节第一节 概概 述述第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术6第一节第一节 概述概述一.进给伺服系统的定义及组成进给伺服系统的定义及组成1 1、定义：、定义：、定义：、定义：进给伺服系统进给伺服系统(Feed Servo System)Feed Servo
4、System)以移动部以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。2 2、组成：、组成：、组成：、组成：进进给给伺伺服服系系统统主主要要由由以以下下几几个个部部分分组组成成：位位置置控控 制制单单元元；速速度度控控制制单单元元；驱驱动动元元件件(电电机机)；检检测测与与反反馈单元；机械执行部件。馈单元；机械执行部件。第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术7位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元
5、+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈第一节第一节 概述概述第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术8二、二、NC机床对数控进给伺服系统的要求机床对数控进给伺服系统的要求1.1.调速范围要宽且要有良好的稳定性调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速在调速范围内范围内)调速范围调速范围调速范围调速范围：一般要求：一般要求：稳定性稳定性稳定性稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。速时的平稳性显得特别重要。第一节第一节
6、 概述概述第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术9 输出位置精度要高输出位置精度要高qq 静态：静态：静态：静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。差和重复定位误差要小。(尺寸精度尺寸精度)qq 动态：动态：动态：动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。差表示。(轮廓精度轮廓精度)qq 灵敏度要高，有足够高的分辩率。灵敏度要高，有足够高的分辩率。第一节第一节 概述概述第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系
7、统统统统3:30 PM数控技术10 负载特性要硬负载特性要硬 在系统负载范围内，在系统负载范围内，q当负载变化时，输出速当负载变化时，输出速度应基本不变。即度应基本不变。即F F尽尽可能小；可能小；q当负载突变时，要求速当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振度的恢复时间短且无振荡。即荡。即t t尽可能短；尽可能短；q应有足够的过载能力。应有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。态与动态刚度。t F t F第一节第一节 概述概述第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术11 响应速度快且无超调响应
8、速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时执行部件的运动速度的建立时间间 t tp p 应尽可能短。应尽可能短。通常要求从通常要求从 0 0F Fmaxmax（F Fmaxmax00），），其时间应小于其时间应小于200200msms，且不能有超调，否则且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工对机械部件不利，有害于加工质量。质量。t F tp第一节第一节 概述概述第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术12 能可逆运行和频繁灵活启停。能
9、可逆运行和频繁灵活启停。系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：综上所述：q对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；q对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。严。第一节第一节 概述概述第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术13第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术14第二节第二节 进
10、给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置一、概、概 述述 组成组成组成组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。处理装置组成的。作用作用作用作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。环进给伺服系统的重要组成部分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位
11、置检闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术151.1.进给伺服系统对位置测量装置的要求进给伺服系统对位置测量装置的要求q高可靠性和高抗干扰性高可靠性和高抗干扰性高可靠性和高抗干扰性高可靠性和高抗干扰性：受受温温度度、湿湿度度的的影影响响小小，工工作作可可靠靠，精精度度保保持持性性好好，抗抗干扰
12、能力强；干扰能力强；q能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求能满足精度和速度的要求：位位置置检检测测装装置置分分辨辨率率应应高高于于数数控控机机床床的的分分辨辨率率（一一个个数数量级）；量级）；位位置置检检测测装装置置最最高高允允许许的的检检测测速速度度应应数数控控机机床床的的最最高高运运行速度。行速度。q使用维护方便使用维护方便使用维护方便使用维护方便，适应机床工作环境适应机床工作环境适应机床工作环境适应机床工作环境；q成本低成本低成本低成本低。第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服
13、服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术162.位置检测装置的分类位置检测装置的分类qq按输出信号的形式分类：按输出信号的形式分类：数字式和模拟式数字式和模拟式数字式和模拟式数字式和模拟式qq按测量基点的类型分类：按测量基点的类型分类：增量式和绝对式增量式和绝对式增量式和绝对式增量式和绝对式qq按位置检测元件的运动形式分类：按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型回转型和直线型回转型和直线型回转型和直线型第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术17常用位置检测装置分类
14、表第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术18二.感应同步器感应同步器1.1.感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类q 结构结构定尺定尺 sin cos 节距2（2mm）节距（0.5mm）绝缘粘胶 铜箔 铝箔 耐切削液涂层 基板(钢、铜)滑尺滑尺第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术19q 分类分类第二
15、节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术20 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理.感感应应同同步步器器是是利利用用励励磁磁绕绕组组与与感感应应绕绕组组间间发发生生相相对对位位移移时时，由由于于电电磁磁耦耦合合的的变变化化，感感应应绕绕组组中中的的感感应应电电压压随随位位移移的的变变化化而而变变化化，借借以以进进行行位位移移量量的的检检测测。感感应应同同步步器器滑滑尺尺上上的的绕绕组组是是励励磁磁绕绕组组，定定尺尺上上的绕组是感应绕组
16、。的绕组是感应绕组。第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术21USqq 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理U0U01USUSUSUS定尺滑尺1第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术22qq感应同步器的信号处理原理感应同步器的信号处理原理 滑尺与定尺滑尺与定尺 相对位移量相对位移量 x x 的求取：的求取：2 2:2=x 2=x:1 1 x=x=
17、1 1 结论：结论：结论：结论：相对位移量相对位移量 x x 与与 相位角相位角 1 1 呈线性关系，只要呈线性关系，只要能测出相位角能测出相位角 1 1，就可求得位移量就可求得位移量 x x。第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术23感应同步器的特点及使用注意事项感应同步器的特点及使用注意事项q 特点特点精度高：平均自补偿特性；精度高：平均自补偿特性；对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；力强；维护简单、寿命长
18、：非接触测量，无磨损，精度保持维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。性好。第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术24三.脉冲编码器脉冲编码器 脉脉冲冲编编码码器器又又称称码码盘盘，是是一一种种回回转转式式数数字字测测量量元元件件，通通常常装装在在被被检检测测轴轴上上，随随被被测测轴轴一一起起转转动动，可可将将被被测测轴轴的的角角位位移移转转换换为为增增量量脉脉冲冲形形式式或或绝绝对对式式的的代代码码形形式式。根根据据内内部部结结构构和和检检测测方方式式码码盘
19、盘可可分分为为接接触触式式、光光电电式式和和电电磁磁式式3 3种种。其其中中，光光电电码码盘盘在在数数控控机机床床上上应应用用较较多多，而而由由霍霍尔尔效效应应构构成成的的电电磁磁码码盘盘则则可可用用作作速速度度检检测测元元件件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术251.增量脉冲编码器增量脉冲编码器qq 结构及工作原理结构及工作原理 信号处理装置信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光
20、欄板节距m+/4第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术26信号处理装置信号处理装置abz节距m+/4AAa第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术27 光光电电码码盘盘随随被被测测轴轴一一起起转转动动，在在光光源源的的照照射射下下，透透过过光光电电码码盘盘和和光光欄欄板板形形成成忽忽明明忽忽暗暗的的光光信信号号，光光敏敏元元件件把把此此光光信信号号转转
21、换换成成电电信信号号，通通过过信信号号处处理理装装置置的的整整形形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：放大等处理后输出。输出的波形有六路：其中，其中，是是 的取反信号。的取反信号。第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术28qq 输出信号的作用及其处理输出信号的作用及其处理 A A、B B两相的作用两相的作用根根据据脉脉冲冲的的数数目目可可得得出出被被测轴的角位移；测轴的角位移；根根据据脉脉冲冲的的频频率率可可得得被被测测轴的转速；轴的转速；根根据据A A、B B两两相相
22、的的相相位位超超前前滞滞后后关关系系可可判判断断被被测测轴轴旋旋转方向。转方向。Z Z相的作用相的作用 被测轴的周向定位基准信被测轴的周向定位基准信号；号；被测轴的旋转圈数记数信被测轴的旋转圈数记数信号。号。AB90OZ码盘转一圈第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术29qq增量式码盘的规格及分辨率增量式码盘的规格及分辨率 规格规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从现在市场上提供的规格从 36
23、36线线线线/转转转转 到到 1010万线万线万线万线 /转转转转 都有；都有；选择：选择：伺服系统要求的分辨率；伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）分辨率（分辨角）设增量式码盘的规格为设增量式码盘的规格为 n n 线线/转：转：第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术303.光电编码器的特点光电编码器的特点qq非非接接触触测测量量，无无接接触触磨磨损损，码码盘盘寿寿命命长长，精精度度保保证证性好；性好；qq允许测量转速高，
24、精度较高；。允许测量转速高，精度较高；。qq光电转换，抗干扰能力强；光电转换，抗干扰能力强；qq体积小，便于安装，适合于机床运行环境；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；qq结构复杂，价格高，光源寿命短；结构复杂，价格高，光源寿命短；qq码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术31内容小结内容小结1 1、进给伺服系统的定义及组成进给伺服系统的定义及组成 2 2、数控数控机床对数控进给伺服系统的要求
25、机床对数控进给伺服系统的要求 。3 3、位置检测装置的分类。、位置检测装置的分类。4 4、感应同步器感应同步器 5 5、脉冲编码器脉冲编码器 3:30 PM数控技术32习题与思考题习题与思考题1 1、名词解释：、名词解释：进给伺服系统进给伺服系统2 2、简述、简述数控数控机床对数控进给伺服系统的要求机床对数控进给伺服系统的要求。3 3、简述位置检测装置的分类。、简述位置检测装置的分类。4 4、简述、简述感应同步器的工作原理。感应同步器的工作原理。5 5、简述增量脉冲编码盘中、简述增量脉冲编码盘中A A、B B、Z Z三相输出信号三相输出信号的作用。的作用。3:30 PM数控技术33第三节第三节
26、进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术34第三节第三节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统一、概述、概述 1.1.进给伺服驱动系统：进给伺服驱动系统：进给伺服驱动系统：进给伺服驱动系统：由进给伺服系统中的由进给伺服系统中的 电机及其电机及其电机及其电机及其控制和驱动装置控制和驱动装置控制和驱动装置控制和驱动装置 组成。组成。2.2.电机电机电机电机：进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所：进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所需的动力，在数控机床上目前常用的电机有：需的动力，在数控机床上目前常用的电机有
27、：qq步进电机步进电机 qq直流伺服电机直流伺服电机qq交流伺服电机交流伺服电机qq直线电机。直线电机。第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术353.3.速度单元：电机的控制和驱动装置速度单元：电机的控制和驱动装置速度单元：电机的控制和驱动装置速度单元：电机的控制和驱动装置，通常驱动电机与，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。4.4.速度控制单元主要作用速度控制单元主要作用速度控制
28、单元主要作用速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳速目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等频率，电压等)，再，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。简言之：电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放调节、变换、功放调节、变换、功放调节、变换、功放。第三节第三节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:3
29、0 PM数控技术365.进给驱动系统的特点（进给驱动系统的特点（进给驱动系统的特点（进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：与主运动（主轴）系统比较）：qq功率相对较小；功率相对较小；qq控制精度要求高；控制精度要求高；qq控制性能要求高，尤其是动态性能。控制性能要求高，尤其是动态性能。第三节第三节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术37二、步进电机及其驱动装置、步进电机及其驱动装置 步进电机流行于步进电机流行于7070年代，该系统结构简单、控制年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制
30、为全数字化。随着计算机技容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。等计算机的外部设备。第三节第三节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统
31、统3:30 PM数控技术38三、直流伺服电机及驱动、直流伺服电机及驱动 直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：他激式、他激式、并激式、并激式、串激式、串激式、复激式、复激式、永磁式。永磁式。永磁式。永磁式。20 20世纪世纪80908090年代中期，永磁式直流伺服电机年代中期，永磁式直流伺服电
32、机在在NCNC机床中广泛采用。机床中广泛采用。第三节第三节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术39直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长；过载倍数大，时间长；具有大的转矩具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。惯量比，电机的加速大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联。调速范围大：调速范围大：1 1 20002000。带有高精度的速度和角位置检测元件；带有高精度的速度和角位置检测元件；电机允许温度达电机允许温度达150150以上，由于温升高，影响机床精度
33、以上，由于温升高，影响机床精度因转子惯性大，电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大。因转子惯性大，电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大。电刷、维护不便电刷、维护不便第三节第三节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术40四、交流伺服电机及驱动、交流伺服电机及驱动 由于直流伺服电机具有优良的调速性能，由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80 80年代初至年代初至9090年代年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地
34、位。但其却存在一些固有的缺点，即：一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：电刷和换向器易磨损，维护麻烦电刷和换向器易磨损，维护麻烦 结构复杂，制造困难，成本高结构复杂，制造困难，成本高 而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%10%70%70%，且可达到的，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。取代直流电机调速的方案。第三节第三节 进给伺服驱动
35、系统进给伺服驱动系统第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术41分分 类类第三节第三节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术42第四节第四节典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术43第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)一.开环进给伺服系统开环进给伺服系统(Open-Loop System)Open-Loop S
36、ystem)q不带位置测量反馈装置的系统；不带位置测量反馈装置的系统；q驱动电机只能用步进电机；驱动电机只能用步进电机；q主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造A相、B相C相、A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进电机第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术441.步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计qq 步进电机开环系统设计要解决的主要问题：步进电机开环系统设计要解决的主要问题：动力计算动力计算 、传动
37、计算、传动计算、传动计算、传动计算、驱动电路设计或选择驱动电路设计或选择 目的：目的：目的：目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量 和进和进 给速度给速度F F的要求。的要求。图中：图中：f f 脉冲频率（脉冲频率（H HZ Z ）步距角步距角 （度）（度）Z Z1 1、Z Z2 2 传动齿轮齿数传动齿轮齿数 t t 螺距螺距(mmmm)脉冲当量（脉冲当量（mmmm）步进电机Z1Z2tf，第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术45q
38、q 传动比选择：传动比选择：为了凑脉冲当量为了凑脉冲当量 mmmm，也为了增大传递的扭矩，在也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比传动比i=Zi=Z1 1/Z/Z2 2与与、t t之间有如下关系：之间有如下关系：例：例：例：例：=0.01 =0.01 =0.01 =0.01 t=6 mm t=6 mm t=6 mm t=6 mm =0.75=0.75=0.75=0.75第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统
39、3:30 PM数控技术46qq 进给速度进给速度F F：一般步进电机：一般步进电机：若：若：=0.01 mm =0.01 mm 则：则：若若 =0.001mm =0.001mm 则：则：因此，当因此，当 一定时，一定时，与与 成正比，故我们在成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量大的脉冲当量 下的下的 否则是没有意义的。否则是没有意义的。第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术472.提高
40、步进电机开环伺服系统传动精度的措施提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施qq 概述概述 影响步进电机开环系统传动精度的因素：影响步进电机开环系统传动精度的因素：步进电机的步距角精度；步进电机的步距角精度；机械传动部件的精度；机械传动部件的精度；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；传动件和支承件的变形。传动件和支承件的变形。提高步进电机开环系统传动精度的措施提高步进电机开环系统传动精度的措施适当提高系统组成环节的精度；适当提高系统组成环节的精度；采取各种精度补偿措施。采取各种精度补偿措
41、施。第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术48qq 传动间隙补偿传动间隙补偿传动间隙补偿传动间隙补偿 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。qq 螺矩误差补偿螺矩误差补偿螺矩误差补偿螺矩误差补偿 虽然滚
42、珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对精确，它的虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对精确，它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处理能力，螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精度。可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精度。方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律规律)，然，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿硬件补偿、软件补偿硬件补偿、软件补偿硬件补偿、软件补偿。第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置
43、控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术49二.闭环、半闭环进给伺服系统闭环、半闭环进给伺服系统 1 1、闭环进给伺服系统的实现方案分类、闭环进给伺服系统的实现方案分类 按系统的控制信号类型分：按系统的控制信号类型分：模拟型系统、数字型系统模拟型系统、数字型系统第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术502 2、模拟型系统：、模拟型系统：特特特特征征征征：这这类类系系统统全全部部采采用用模模拟拟元元件件构构成成；
44、其其输输入入（控控制制）信信号号、输输出出的的位位置置、速速度度信信号号也也是是模模拟量；速度和位置检测元也是模拟式的。拟量；速度和位置检测元也是模拟式的。第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术51 特点特点特点特点：抗干扰能力强，一般不会因峰值误差导致致命的误动作。抗干扰能力强，一般不会因峰值误差导致致命的误动作。可可用用常常规规仪仪器器仪仪表表（示示波波器器，万万用用表表等等）直直接接读读取取信信息息，易易于于随随时把握系统工作的基本情况。时把握系统工作的基本情况。对
45、弱信号信噪分离困难，控制精度的提高受到限制。对弱信号信噪分离困难，控制精度的提高受到限制。在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产生漂移误差。在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产生漂移误差。位位置置、速速度度调调节节器器的的结结构构和和参参数数调调整整困困难难，适适应应负负载载变变化化的的能能力力较差。较差。模模拟拟系系统统这这种种本本质质缺缺陷陷，使使它它很很难难满满足足高高精精度度位位置置伺伺服服控控制制的要求，目前已逐渐被数字伺服系统所取代。的要求，目前已逐渐被数字伺服系统所取代。第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章
46、进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术523 3、数字型系统：、数字型系统：特特特特征征征征：这这类类系系统统是是指指至至少少其其位位置置环环控控制制与与调调节节采采用用数数字字控控制制技技术术，即即位位置置指指令令和和反反馈馈信信号号都都不不再再是是模模拟信号，改用数字信号（逻辑电平脉冲信号）的系统。拟信号，改用数字信号（逻辑电平脉冲信号）的系统。第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术53特点：特点：特点：特点：可以通过增加数字信息的安长
47、，来满足要求的控制精度。可以通过增加数字信息的安长，来满足要求的控制精度。对对逻逻辑辑电电以以下下的的漂漂移移、噪噪声声不不予予晌晌应应，零零点点定定位位精精度度可可以以得得到充分保证。到充分保证。容容易易对对其其结结构构和和参参数数进进行行修修改改（根根据据控控制制要要求求），且且易易于于与与计算机进行数据交换。计算机进行数据交换。噪噪声声峰峰值值大大于于逻逻辑辑电电平平时时，对对数数据据的的最最高高位位和和最最低低位位的的干干扰扰出错程序是相同的，这种错误可能导致系统致命的危害。出错程序是相同的，这种错误可能导致系统致命的危害。传传送送数数据据的的数数字字电电路路要要求求具具有有很很宽宽的
48、的频频带带。以以保保证证脉脉冲冲上上、下降沿有足够的陡峭度。下降沿有足够的陡峭度。抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键。第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术544 4、数字伺服系统的类型数字伺服系统的类型第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制)第第第第四四四四章章章章 进进进
49、进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术555 5、举例、举例半软件型伺服系统半软件型伺服系统 这这种种系系统统的的位位置置控控制制采采用用软软硬硬件件组组成成，速速度度控控制制仍采用模拟方式，系统组成如图所示：仍采用模拟方式，系统组成如图所示：+调节运算调节运算零漂补偿零漂补偿硬件硬件速度控速度控制与驱制与驱动单元动单元D/A软件软件位置控制位置控制ZA、BD0-+-F/V倍频倍频计数器计数器工作台工作台PG电机电机+DAV1SV0U0UADU实际位置计算实际位置计算DA指指令令位位置置计计算算D0 /nZ第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控
50、制)第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统3:30 PM数控技术56位位置置控控制制的的软软件件现现可可以以由由NCNC装装置置的的CPUCPU实实现现，也也可可以以由由位位置控制板上自带的置控制板上自带的CPUCPU实现。实现。位置控制的调节运算部分由软件实现，增加了灵活性：位置控制的调节运算部分由软件实现，增加了灵活性：调节器的参数可以通过进行修改、设定调节器的参数可以通过进行修改、设定调调节节算算法法可可以以采采用用较较复复杂杂的的算算法法，以以提提高高控控制制性性能能（变结构、变增益）（变结构、变增益）可增加许多辅助功能（故障诊断、脉冲当量变换等）可