机电一体化系统设计课程设计指导书 教学课件 作者 尹志强 王玉林 第四章 机电一体化系统进给伺服系统设计.pptVIP

第四章 机电一体化系统进给伺服系统设计 第一节 概述 第二节 机械系统运动参数的计算 第三节 步进电动机及其选择 第四节 步进电动机的控制与驱动 第五节 增量式旋转编码器与直线光栅 第六节 交流伺服系统 第一节 概述 机电一体化设备的进给伺服系统，大多是以运动部件的位置和速度作为控制量。对于数控机床来说，进给伺服系统的主要任务是，接收插补装置生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及功率放大后，驱动执行元件（伺服电动机，包括交、直流伺服电动机和步进电动机等），从而控制机床工作台或者切削刀具的运动。 一、进给伺服系统的组成 进给伺服系统一般包括位置控制模块、速度控制模块、伺服电动机、被控对象、速度检测装置以及位置检测装置等 。 二、进给伺服系统的分类 1. 按调节理论分类 （1）开环伺服系统 如图4-1所示，这类系统的驱动元件主要是步进电动机或电液脉冲马达。系统工作时，驱动元件将数字脉冲转换成角度位移，转过的角度正比于指令脉冲的个数，转动的速度取决于指令脉冲的频率。系统中无位置反馈，也没有位置检测元件。 图4-1开环伺服系统结构图 开环伺服系统的结构简单，控制容易，稳定性好，但精度较低，低速有振动，高速转矩小。一般用于轻载或负载变化不大的场合，比如经济型数控机床上。 （2）闭环伺服系统 如图4-2所示，这类系统是误差控制随动系统，驱动元件为交流或直流伺服电动机，电动机带有速度反馈装置，被控对象装有位移测量元件。 图4-2闭环伺服系统结构图 由于闭环伺服系统是反馈控制，测量元件精度很高，所以系统传动链的误差、环内各元件的误差以及运动中造成的随机误差都可以得到补偿，大大提高了跟随精度和定位精度。 图4-3 半闭环伺服系统结构图 （3）半闭环伺服系统 如图4-3所示，这类系统的位置检测元件不是直接安装在进给系统的最终运动部件上，而是经过中间机械传动部件的位置转换，称为间接测量。半闭环系统的驱动元件既可以采用交流或直流伺服电动机，也可以采用步进电动机。该类系统的传动链有一部分处在位置环以外，环外的位置误差不能得到系统的补偿，因而半闭环系统的精度低于闭环系统，但调试比闭环系统方便，所以仍有广泛应用。 2. 按使用的驱动元件分类 （1）步进伺服系统 驱动元件为步进电动机。常用于开环/半闭环位置伺服系统，控制简单，性能/价格比高，维修方便。缺点是低速有振动，高速输出转矩小，控制精度偏低。 （2）直流伺服系统 驱动元件为小惯量直流伺服电动机或永磁直流伺服电动机。小惯量伺服电动机最大限度地减低了电枢的转动惯量，所以能获得较好的快速性；永磁直流伺服电动机能在较大的负载转矩下长时间工作，电动机的转子惯量大，可与丝杠直接相联。 （3）交流伺服系统 驱动元件为交流异步伺服电动机或交流永磁同步伺服电动机。可以实现位置、速度、转矩和加速度等的控制。 3. 按进给驱动和主轴驱动分类 （1）进给伺服系统 进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪的功能，是机电一体化设备中要求较高的伺服控制系统。 （2）主轴伺服系统 严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程所需要的转矩和功率，并且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。在数控机床中，具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。 三、对进给伺服系统的基本要求 1．工作精度 为了保证加工出高精度的零件，伺服系统必须具有足够高的精度，包括定位精度和零件综合加工精度。定位精度是指工作台由某点移至另一点时，指令值与实际移动距离的最大误差值。 2．调速性能 伺服系统在承担全部工作负载的条件下，应具有宽的调速范围，以适应各种工况的需要。 3．负载能力 在足够宽的调速范围内，承担全部工作负载，这是对伺服系统的又一个要求。 4．响应速度 一方面，在伺服系统处于频繁的启动、制动、加速、减速等过程中，为了提高生产效率、保证产品加工质量，要求加、减速时间尽量短（一般电动机由零速升到最高速，或从最高速降到零速，时间应控制在几百毫秒以内，甚至少于几十毫秒）；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间也要短而且无振荡，这样才能获得光滑的加工表面。 5．稳定性 稳定性是伺服系统能否正常