数控机床伺服系统的基本组成.PPT

第六章 数控机床的伺服系统 教学目的： １．掌握数控机床对伺服系统的要求； ２．掌握数控机床伺服驱动系统的基本组成与分类； ３．了解开环步进式伺服系统的工作原理； 4．掌握步进电机的工作原理； 5．了解步进电机的驱动控制线路和提高步进伺服系统精度的措施； 6．掌握常用的位置检测装置工作原理； 教学重点和难点： 重点： １．掌握数控机床伺服驱动系统的基本组成与分类； ２．掌握步进电机的工作原理； ３．掌握常用的位置检测装置工作原理； 难点： １．步进电机的工作原理； ２．常用的位置检测装置工作原理； 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统。步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定。但由于该系统没有反馈检测环节，精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。 二、步进电机 单定子反应式步进电机利用电磁铁原理，由定子和转子组成，定子分定子铁芯和定子励磁绕组。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组，构成A、B、C三相控制绕组，任一相绕组通电形成一组定子磁极。转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。 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。 （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°。 α一般较小，如：3°／1.5°,1.5°／0.75°,0.72°／0.36°等。 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，一般在10′之内。 步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子间隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。 (2) 启动频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。 (3) 连续运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。 (4)矩频特性与动态转矩 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。 当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。 功能：将具有一定频率f、一定数量N 和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通电、断电的电平信号变化频率、变化次数和通断电顺序。 其框图如下，可用硬件线路也可用软件来实现。 1.传动间隙补偿 传动元件的齿轮、丝杠制造装配误差使机械传动链在改变运动或旋转方向时，最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，造成步进电机的空走，而工作台无实际移动，从而产生传动误差。 补偿方法：先测出并存储间隙大小，接收反向位移指令时，先不向步进电机输出反向位移脉冲，而将间隙值转换为脉冲数，驱动步进电机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉冲动作。 2.螺距误差补偿 滚珠丝杠螺距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度。 补偿方法：设置若干个补偿点，在每个补偿点测量并记录工作台位移误差，确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置。设备运行时，工作台每经过一个补偿点，CNC系统就加入补偿量，补偿螺距误差。 3.细分线路：将一个步距角细分为若干步的驱动方法。 （一）直接测量和间接测量 1.直接测量 将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。 2.?间接测量 将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位