2022年河南科技大学教案 .pdf

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1、名师精编精品教案河南科技大学教案首页课程名称数控技术及装备任课教师张丰收第 四 章进给伺服系统计划学时10教学目的和要求：通过本章的学习， 使学生掌握数控机床伺服机构和位置检测装置的工作原理和选用方法。要求了解伺服系统的组成和分类， 掌握步进电机及其驱动装置和常用数控机床的位置检测装置的工作原理。重点：伺服电机及其驱动；常用位置检测装置的工作原理。难点：数控机床常用伺服电机及其驱动和调速控制。思考题：4-1试述进给他伺系统的组成以及各组成环节的作用和联系。4-2简述闭环进给伺服系统的控制原理。4-3简述步进电机的工作原理和使用特性。4-4 哪些因素影响开环进给伺服系统的精度，哪些措施可以提高系

2、统的精度？4-5试述位置检测装置的类型有哪些？常用的有哪些？精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 34 页名师精编精品教案第一节概述一. 进给伺服系统的定义及组成1. 定义：进给伺服系统 (Feed Servo System) 以移动部件的位置和速度 作为控制量的自动控制系统。2. 组成：进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件 ( 电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。二、NC 机床对数控进给伺服系统的要求1. 调速范围要宽且要有良好的稳定性( 在调速范围内 )调速范围：一般要求：稳定性：指输

3、出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。2. 输出位置精度要高静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。( 尺寸精度 )动态：跟随精度，这是动态性能指标， 用跟随误差表示。 ( 轮廓精度 )灵敏度要高，有足够高的分辩率。3. 负载特性要硬精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 34 页名师精编精品教案在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即F尽可能小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即t 尽可能短；应有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。4. 响应

4、速度快且无超调这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间tp 应尽可能短。通常要求从 0 Fmax （Fmax 0），其时间应小于 200ms ，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量5. 能可逆运行和频繁灵活启停。6. 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：. 对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；. 对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 34 页名师精编精品教案第二节 进给伺服系统的位置检测装置一、概 述组成 ：位置测量装

5、置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。作用 ：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。1. 进给伺服系统对位置测量装置的要求高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；能满足精度和速度的要求：位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；位置检测装置最高允许的检测速度

6、应数控机床的最高运行速度。使用维护方便，适应机床工作环境；成本低。3. 位置检测装置的分类按输出信号的形式分类：数字式和模拟式按测量基点的类型分类：增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型常用位置检测装置分类表二、感应同步器1. 感应同步器的结构及分类结构精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 34 页名师精编精品教案. 分类2. 感应同步器的工作原理感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。 感应同步器滑尺上的绕组是励

7、磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 34 页名师精编精品教案感应同步器的工作原理感应同步器的信号处理原理滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uos=KUScos1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uoc=KUccos（1+/2 ） =K Ucsin 1滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：Uo =Uos+ Uos=KUScos 1K

8、 Ucsin 1K 电磁感应系数1 定尺绕组上的感应电压的相位角滑尺与定尺相对位移量 x 的求取： 2 : 2 = x : 1 x = 1 结论：相对位移量 x 与 相位角1 呈线性关系， 只要能测出相位角 1 ，就可求得位移量 x 。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不同可构成不同检测系统 -鉴相型系统和鉴幅型系统3. 鉴相型系统的工作原理在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为/2 的交变电压： US = Um sin t UC = Um cost则： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin 1= K Um sin t cos 1K Um cos

9、t sin 1= K Um sin （t 1）结论： 只要能测出 Uo与US相位差 1 ，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 34 页名师精编精品教案4. 鉴幅型系统的工作原理在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压： US = Um sin 2sin t UC = Um cos2sin t2= x 2（ x 2是指令位移值）Uo = Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin 1= K Um sin 2 cos 1sin t K Um cos2sin tsin 1

10、 = K Um sin （21）sin t 结论： 只要能测出 Uo与UC相位差 1 ，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x 。5. 几点说明感应同步器的测量周期为其绕组的节距2（2mm ）感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便地采用现代的数字处理技术6. 感应同步器的特点及使用注意事项特点精度高：平均自补偿特性；对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。串联方式 n伺服驱动系统n 的2-3倍。各个环节的n应相互错开，以

11、免发生振动耦合现象。各个环节的n应避开系统的工作频率范围，以免在工作频率上发生共振。2. D 对园弧轮廓加工精度的影响D 对园弧轮廓加工精度的影响可用加工圆弧的半径变动量R描述。通常R 的变化较为复杂，为此，可先讨论下面条件下的情况：KSX = KSY = KS然后再定性的讨论其它较为复杂的情况R的求取精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 34 页名师精编精品教案讨论在条件一定的情况下：轮廓误差 R 与 KS 的平方成反比； 轮廓误差 R与 F 的平方成正比。 因此，KS 或 F可大大提高轮廓加工精度。轮廓误差 R 与加工园

12、弧的半径R 成反比。在小圆弧加工时，要保证加工精度，进给速度 F不能太高。在数控系统中，各轴进给伺服系统的增益均稍有差别，在进行轮廓加工时会产生轮廓误差，因此，要求各轴的KS值尽量接近，尤其是在低增益系统。目前先进的 CNC 系统均带有跟随误差 D的监视和KS值的显示功能。3. 跟随误差对拐角加工精度的影响在轮廓加工过程中，常要求坐标轴瞬时启停或改变速度，这时进给伺服系统的跟随误差就会影响轮廓精度。当在铣床上加工工件的内、 外拐角时， 其影响尤其明显。解决上述问题的办法是：在编程时使第一段先减速到零，然后再启动第二轴，在数控系统中由实现这种功能的指令，如G09 、G60 等，除此之外，合理选择

13、KS也是至关重要的。1. 低速进给运动平稳性的概念精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 34 页名师精编精品教案进给系统在低速进给时，在驱动速度是均匀的情况下，当系统的刚度不足、摩擦力偏大等系统参数不恰当时，就会出现执行部件运动时快时慢、甚至停顿的现象，这种现象称为爬行现象 。它是低速运动不平稳的体现。2. 爬行现象产生的原因精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页，共 34 页名师精编精品教案3. 爬行对加工精度的影响爬行是在低速运动时产生的， 因此，在低速加工

14、过程中易产生爬行现象，其危害是影响进行运动平稳性 ( 即均匀性 ) ，其结果是；使被加工零件的加工精度和表面光洁度变差；机床的定位精度降低；加剧导轨的磨损4. 抑制爬行产生的措施衡量进行运动平稳性的指标精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 33 页，共 34 页名师精编精品教案临界爬行速度Vc。爬行其本质是自激振动，可以证明Vc 与下列参数的关系为：措施（减小 Vc 的办法）改善导轨面间和摩擦特性滚动-静压-滑动 ( 塑料)提高传动刚度减轻运动件的重量增加系统的阻尼精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 34 页，共 34 页