数控技术 第7章 数控机床的伺服系统.ppt

7.1.1 伺服系统的分类 1. 按照调节理论分类 （1）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统 2. 按使用的驱动元件分类 （1）电液伺服系统 执行元件：电液脉冲马达或电液伺服马达。 驱动元件：液动机或液压缸。 优点：低速高输出力矩，刚性好，时间常数小，反应快，速度平稳。 缺点：需要供油系统，体积大，产生噪声和漏油等问题。 （2）电气伺服系统 执行元件：伺服电机（步进电机、交流或直流伺服电机）。 驱动元件：电力电子器件。 现代数控机床均采用电气伺服系统。 3. 按被控对象分类 （1）进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削所需的转矩。 包括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动，提供所需的驱动功率和切削力。 一般的主轴控制只有一个速度控制系统，具有C轴控制的主轴伺服系统与进给伺服系统相同，是一般概念的位置伺服控制系统。 刀库的位置控制是简单的位置伺服控制。 4. 按反馈比较控制方式分类 （1）数字－脉冲比较伺服系统 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测量的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，产生位置差值，形成闭环和半闭环控制。 （2）相位比较伺服系统 采用相位工作方式，指令信号与反馈信号均以相位形式表示并进行比较。 （3）幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小，并与指令信号进行比较。 （4）全数字控制伺服系统 由位置、速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化。 7.1.2 伺服系统的组成 伺服系统结构 7.1.3 数控机床对伺服系统的要求 1. 数控机床对进给伺服系统的要求 （1）调速范围大，低速转矩大。 （2）精度高。 （3）快速响应无超调。 （4）稳定性好，可靠性高。 （5）足够的传动刚性，较强的过载能力，电机的惯量与移动部件的惯量相匹配，伺服电机能够频繁启停和可逆运行。 2. 数控机床对主轴伺服系统的要求 （1）足够的输出功率。 主轴转速高，输出转矩小；主轴转速低，输出转矩大。要求主轴驱动装置具有恒功率性质。 （2）调速范围宽。 数控机床的变速依照指令自动执行，要求能够在较宽的转速范围内进行无级调速，较少中间传递环节，简化主轴箱。 （3）定位准停功能。 为使得数控车床具有螺纹切削等功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制。 在加工中为自动换刀，要求主轴具有高精度的准停功能。 7.2 步进电机伺服系统 步进电机：一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。 数控装置输出的进给脉冲数量、频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后，可以转换为工作台的位移量、进给速度和方向。 1. 步进电机的类型 2. 步进电机的结构 定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着5个小齿，呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为9°。 转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，其大小和间距与定子上的完全相同。 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。 当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，即3°；C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。 步距角：步进电机每走一步所转过的角度，其大小等于错齿的角度。 （2）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢，另一方由软磁材料制成，其上由励磁绕组。绕组通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。 （3）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成。 3. 反应式步进电机工作原理 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，即送给步进电机一个电流脉冲，其转子就转过一个确定的角度，即步距角α；脉冲数增加，角位移也增加；无脉冲时，电机停止。 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向改变。 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转速度越快，即脉冲频率越高，转子转速越高；但脉冲频率不能过高，否则产生失步或超步。 4. 反应式步进电机主要特征 （1）步距角和静态步距误差 步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，即有：α＝360°/(mzk)。 其中：m相m拍时，k＝1；m相2m拍时，k＝2，依此类推。例如，三相三拍，z＝40时，α＝360°/(3×40×1)＝3°。 静态步距误差：在空载情况下，理论的步距角与实际的步距角之差，以分表示，一般在10′之内。 步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。 （2）静态转矩与矩角特性 静态转矩：当