第七章数控机床的伺服系统.doc

个人收集整理 勿做商业用途第七章 数控机床的伺服系统第一节 概 述 伺服系统是以控制机床运动部件的位移、转角(或转速)为主要目的的数控机床的重要组成部分。伺服系统可分为开环、半闭环和闭环系统.一、 数控机床对伺服系统的要求 1宽调速 2控制精度高 3快速响应好 0.2秒 几十毫秒 4抗干扰能力强 （主要表现在系统刚度和伺服刚度方面）二、 常用的伺服驱动元件 除上述对伺服系统的要求外，驱动元件还需要: 负载特性硬 可频繁启动、停止及换向 1 5060年代，步进电机为主（目前用于经济型） 27080年代,直流伺服电机为主 390年代至今,直仍占多数， 00年后交流伺服电机，新的设计交流伺服电机的使用已占多数。第二节 步 进 电 机一、 特点 1转子转角与脉冲输入数目成正比；转子速度与脉冲输入频率成正比. 2只要维持控制绕组电流不变，则具有自整步能力（即具有制动能力） 3有一定的步距精度，没有累积误差（即周累积误差为零） 4缺点： 效率低； 拖动负载能力不大； 调速范围小； 脉冲当量（步距角）不能太小。5使用： 步进电动机使用于经济型数控机床； 一般用于开环系统。注 脉冲当量- 每对应数控系统发出一个的一个脉冲，机床执行件走过 的一个位移（或转角）。二、分类 反应式 （转子铁心) 1按工作原理分 永磁式 转子(永）磁钢 电磁式 永磁感应子式(混合式） 2按运动方式分 (如直线运动、旋转运动、） 3按结构分（如单段式、多段式） 4按相数分 （如3相、4相、）三、步进电机工作原理 （以反应式为例）1通电方式 （1）三相单三拍（单相轮流通电）（K = 1）A B C A （每转步数mz步）步进电动机工作原理图 （2）三相双三拍（双相轮流通电）(K = 1）AB BC CA AB (每转步数mz步）(3)三相六拍（单双相轮流通电）（K = 2）A AB B BC C CA A （每转步数2mz步） 2步距角 - 每输入一个脉冲，转子对应转过的角度。 由于步进电机一旦制造好,其相数和齿数即已确定，所以每一台步进电机的步距角是确定的，因通电方式不同有两个值。一个步距角对应一个脉冲，一个脉冲对应一个脉冲当量.2步进电机的转速n二、步进电机的主要性能指标（一）基本要求1） 能够迅速起动、正反转、停转及在很大范围内进行转速调节。2） 加工精度高.运转过程中,不得失步.3） 输出转矩大,可直接带动负载。（二）性能指标 1矩角特性与最大静转矩 定子一相绕组通电，则： 空载时 - 转子齿与通电相定子齿对齐; 带着载荷时 - 在外转矩作用下,转子齿与通电相定子齿被拉动错移. 只要通电相位不变，则电机不转（即具有制动功能）。 转子齿与通电相定子齿被拉动错移后产生的静态转矩M越大，其带动负载能力越强,运行的快速性和稳定性也越好。 2空载起动频率 起动频率要低。这是因为起动要克服惯性矩的影响，具体说就是克服加速度的影响。 3起动矩频特性 带动负载时的起动频率，随着所带负载的增加而降低。 （见图7-8） 4空载运行频率 空载起动后，连续提高脉冲频率至电机不失步运行的最高频率,称为步进电机的运行频率. 5运行矩频特性 步进电机在连续运行时，转矩和频率的关系称为运行矩频特性。(见图79） 注 运行频率远高于起动频率.第三节 直 流 伺 服 电 动 机一、小惯量直流伺服电动机 数控机床诞生之初，没有能够满足数控机床要求的专用电机. 遂将普通的直流电机加以改进（最主要的是将转子的惯量减小到1/10，以满足快速响应的要求），这就是早期使用的数控机床电机. 后经不断改进、定型后主要有:直流印刷电枢电动机、杯式转子直流电动机等。（现仅偶尔应用于一些小型数控机床中）二、大惯量（宽调速）直流伺服电动机 1特点 1）转矩大 2）调速范围大 （130000）mm/min 3）动态响应好 （一般在0。1s，最快可几十毫秒） 4）过载能力强 （允许短时过载510倍) 注 近几十年来，资料所述对伺服系统的要求基本是以此电机为准提出的。 2工作原理 （图725） 电流方向 左手定则 转矩方向 为了保证电枢始终朝同一方向旋转，必须要有能够不断改变电流方向的专用装置,即具有换向片与电刷的“换流装置”. 3电机机械特性此特性图表明： 1)随着负载变大，转速将降低（越小,表明机械特性越硬） 2）负载不变，提高电枢电压可提高转速 3)转速不变,提高电枢电压可加大转矩 4电机调节特性此特性图表明： 1）电机起动后，逐渐提升电枢电压，则转速也随之升高，直到正常连续旋转。 2)当负载转矩为零时（M0 = 0）,电枢电压从零开始升高，则转速也同步升高。 3）当负载转矩大于零时，电枢电压从零开始升高到某一值时，转速才开始升高；这一滞后区域称为“死区”。 5电机工作特性此工作曲线图表明：1） 电机在额定转矩和最高转速范围内（即连续工作区)，可以任何的转矩、转速组合长时间地连续工作。2）电机在短时工作区,可在不超过图中限定转矩和转速范围内，连续工作不超过规定时间。 (例如，电机性能指标为：30min转矩 = 100Nm 表明，电机可在不超过30min的任意时间段，高于额定转矩、低于100Nm情况下连续工作 ）注 工作一定时间后停止,则必须停止相同时间及以上才允许重新 起动。3)瞬时加减速区是电机在起动或停止的极短时间内允许存在的工作区域。注 目前说“直流伺服电机,通常指的就是“大惯量。 最初“小惯量的目的是为了“快速响应”，但“小惯量带负载能力太差。 改进：在不降低“快速响应”的基础上，不断加大电机惯量。 除极小型机床外，小惯量直流伺服电机必须依靠减速器才能带动负载。 大惯量直流伺服电机则可以直接带动负载（交流伺服电机同此)，这就使设计以及机床结构大为简化. 大惯量直流伺服电机内部装有编码器(交流伺服电机同此）,这就说明，只要采用大惯量直（交流）即已构成半闭环系统.第四节 交 流 伺 服 电 机 交流伺服电机 交流异步(感应）电机 交流同步电机 按产生磁场的方式 永磁式 电磁式交流异步电机比交流同步电机结构简单、重量轻、成本低，但交流同步电机具有较好的调速性能，这一点在数控机床中尤为重要. 与电磁式相比,永磁式的优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积较大、起动特性较差。但永磁式在结构上采取措施后，有了很大改进。 综合分析，数控机床多采用永磁式交流同步伺服电机。一、工作原理 （图715）二、特点 交流伺服电机（与直流伺服电机相比)： 1结构简单、成本低 2转子惯量较小，动态响应更好 3没有换向器和电刷，不需经常维护 4没有换向火花问题，最高转速可更高三、电机工作特性 与直流伺服电机比，交流伺服电机的额定转矩线更趋水平,表明机械特性更硬； 短时工作区域范围更大，尤其是在高速区域，这有利于提高电动机的加、减速能力。注 直至九十年代初,直流伺服电机还占据着绝对统治地位,随着交流伺服电机一些关键技术问题的解决,九十年代末进入市场后扩展极为迅速，正在逐步取代直流 。 直流具有更好的调速和控制性能.所以今后的趋势将是交流用于较低精度挡的数控机床,直流用于较高精度挡的。