第五章数控机床的伺服系统.ppt

第五章 数控机床的伺服系统,机床伺服系统是指以机械位置或角度作为被控参数的自动控制系统，有时也称为随动系统或伺服机构。在数控机床中，伺服系统接受来自插补器的进给脉冲，经变换放大后转化为机床工作台的位移。 伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；开环伺服系统和闭环伺服系统。,开环伺服系统,闭环伺服系统,步进式伺服系统,在步进式伺服系统中，步进电机作为执行元件，受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制，但它的结构简单，容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合，具有一定的使用价值。,步进电机工作原理,步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移的一种机电式数模转换器，它是根据同步电机原理制成的。下面以三相反应式步进电机为例，说明步进电机的基本工作原理,(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的步距角 ； (2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变； (3)步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； (4)步进电机的步距角 与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式K有关，可用下式表示： 式中，三相三拍时K=1；三相六拍时K=2。,例 题,如前图所示的步进电机，若转子齿数z40，以三相三拍通电时，步距角为 若以三相六拍通电方式工作时，步距角为,步进电机的类型及结构,步进电机的结构形式很多，其分类方式也很多。常见的分类方式是按产生力矩的原理、输出力矩的大小以及定子和转子的数量等方面来分类,目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机，如图所示。这是一台典型的单定子径向分相的三相反应式步进电机的结构原理图,单定子径向分相式三相 步进电机结构原理图,多定子轴向分相式五相步进电机结构原理图,步进电机的主要特性 步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5o3o度。通常，步进角越小，加工精度越高。 启动频率 步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。,(3) 连续运行的最高工作频率fmax 步进电机连续运行时保证不丢步的极限频率fmax称为最高工作频率。 (4) 加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。,加减速特性曲线,步进系统原理框图,步进式伺服系统的工作原理,1工作台位移量的控制 进给脉冲数N定子绕组通电状态变化次数N步进电机转子的转角工作台位移量L 2工作台进给速度的控制 进给脉冲的频率f定子绕组通电状态的变化频率f步进电机转子的转速工作台进给速度v 3工作台运动方向的控制 步进电机定子绕组的通电顺序步进电机正转或反转工作台的进给方向,步进电机的驱动控制线路,1脉冲混合电路 无论是数控装置送来的插补进给信号、齿补信号，还是手动进给、手动回原点信号等等，这些信号的目的无非是要使工作台正向进给和反向进给，因此首先应将这些信号混合为使工作台正向运行的“正向进给”信号或使之反向运行的“反向进给”信号。这就是脉冲混合电路的作用。 2加减脉冲分配电路 加减脉冲分配电路的作用，是将正反向进给脉冲，根据步进电机的原转向和可逆计数器的存数状态，决定脉冲进入可逆计数器时，应作加法计数还是减法计数。若步进电机正转，输入正向进给脉冲：步进电机反转，输入反向进给脉冲，此时不管可逆计数器是否全为零，均作加法计数。而当可逆计数器非全零时，步进电机正转，输入反向进给脉冲；步进电机反转，输入正向进给脉冲，均作减法计数。,3加减速电路(自动升降速电路) 步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲电流的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速电路缓冲后，再进入步进电机绕组，使步进电机工作正常可靠。这就是加减速电路的作用。,4环形分配器 环形分配器的作用是把来自加减速的一串进给脉冲按一定规律分成若干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使其正向运转或反相运转。,简单移相寄存器,1 0 0,0 1 0,0 0 1,5.功率放大器 从环形分配器来的脉冲电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因此需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功率驱动两部分组成。前置放大器是为了放大环形分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱动部分而设置的，一般可根据要求选择一个适当的集成元件；大功率驱动部分进一步将前置放大器送来的脉冲电流信号放大，得到步进电机各相绕组所需的脉冲电流。它既要控制步进电机各相绕组的通断电，又要起功率放大的作用，因而它是步进电机驱动线路中很重要的一部分。通常采用大功率晶体管、快速可控硅或可关断可控硅。,提高步进系统精度的措施 1细分线路 所谓细分线路，就是把步进电机的一步 再分得细一些，来减小步距角。 2齿距误差和反向间隙补偿 3混合伺服系统,两种控制线路刀具轨迹比较,间隙补偿原理,根据实际测得传动间隙或齿距误差的大小，每当出现反向或移动到有齿距误差的位置时，用补充固定的脉冲来克服。,混合伺服系统,鉴相式伺服系统组成 1基准信号发生器 2脉冲调相器 3测量元件及信号处理线路 4鉴相器 5直流放大器 6执行元件,鉴相式伺服系统框架,1脉冲调相器 脉冲调相器是将脉冲数量转换成相应的相位的装置。,频率,计数器容量,脉冲发生器的频率,若时钟脉冲是来自基准信号发生器的基准信号，则应适当选择计数器的容量N，使f 的大小等于旋转变压器或感应同步器的工作频率，即等于它们励磁信号的频率。,它利用两个容量相同的计数器， 并由同一个脉冲信号发生器不断地输入时钟脉冲，结果就在两个计数器的最后一级的输出口得到了频率大大降低的两个同频率信号。假设脉冲发生器的频率为F，计数器容量为N，则计数器的输出端的脉冲频率,鉴相式伺服系统的控制线路,输入 前后的波形变化,+x,相位角,输入-x前后的波形变化,可逆回路,可逆回路的波形功能逻辑图,2鉴相器 作用：将控制信号与反馈信号进行相位比较 (1)二极管型鉴相器 在普通的相位系统中需鉴相的信号为正弦波，常用二极管、变压器等元件组成的鉴相器 (2)门电路鉴相器 在数字脉冲相位系统中需鉴相的信号是方波，常用由触发器门电路组成的鉴相器,二极管型鉴相器,鉴相器的输出特性,输出最大直流电压为:,系统的平衡点 (机床的瞬时零点 ),触发器的减相原理,半加器鉴相线路及波形器,信号NE是用来指示误差的符号。当位置信号滞后于指令信号时，NE置“0”；反之，当位置信号超前于指令信号时，NE置“1”。,鉴相系统的性能 鉴相式伺服系统作为一个自动调节系统，它除了对机床传动系统的精度、刚度有一定要求外，还应满足以下要求： 1系统稳定性 2无负载机床丝杠的最大转速nmax 3系统静不灵敏度 4稳态误差 5动态性能指标,数字比较式伺服系统 (1)由数控装置提供的指令数字或数码； (2)反映机床工作台实际位置的反馈测量元件； (3)完成指令信号与反馈信号相比较的比较器； (4)执行元件； (5)指令数字或数码与比较器之间的数字-数码转换； (6)反馈元件与比较器之间的数字-数码转换。,数字比较系统的工作原理 及主要功能部件 1数字脉冲数码转换器 (1)数字脉冲转换为数码 (2)数码转换为数字脉冲 2比较器 (1)数字脉冲比较器 (2)数码比较器,数字脉冲转化为数码的线路,数码转化为数字脉冲线路的两种形式,数字脉冲比较器,数码比较器框图,返回首页,本章结束,