第7章 数控机床的伺服系统PPT讲稿.ppt

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1、第7章 数控机床的伺服系统第1页，共70页，编辑于2022年，星期一l数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。l指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移大小。l开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。l结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、中小型数控系统。第2页，共70页，编辑于2022年，星期一（2）闭环伺服系统l有位

2、置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的实际位移。l利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行位置控制。l精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误差无关。l适用于大型或比较精密的数控设备。（3）半闭环伺服系统l有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移，间接获得工作台的位移。l精度比闭环控制低，滚珠丝杠的精度影响位置检测的精度。适用于中小型数控机床。第3页，共70页，编辑于2022年，星期一2.按使用的驱动元件分类（1）电液伺服系统l执行元件：电液脉冲马达或电液伺服马达。l驱动元件：液动机或液压缸。l优点：低速高输出力矩，刚性好，时间常数小，反应快，速度

3、平稳。l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l执行元件：伺服电机（步进电机、交流或直流伺服电机）。l驱动元件：电力电子器件。l现代数控机床均采用电气伺服系统。第4页，共70页，编辑于2022年，星期一3.按被控对象分类（1）进给伺服系统l控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削所需的转矩。l包括速度控制环和位置控制环。（2）主轴伺服系统l控制机床主轴的旋转运动，提供所需的驱动功率和切削力。l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。l刀库的位置控制是简单的位置伺服控制。第5页，共70页，编辑于

4、2022年，星期一4.按反馈比较控制方式分类（1）数字脉冲比较伺服系统l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l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l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l由位置、速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化。第6页，共70页，编辑于2022年，星期一7.1.2 伺服系统的组成l由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。（1）控制器

5、：由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单元组成。l控制器最多构成三闭环控制：外环为位置环，中环为速度环，内环为电流环。（2）功率驱动装置：由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。l功能：一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上，调节电机力矩的大小；另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电。（3）位置检测装置：闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置，其安装位置不同；开环伺服系统无位置检测装置。（4）伺服电机：闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机；开环伺服系统采用步进电机。第7页，共70页，编辑于2022年，星期一伺服系统结构第8页，共70页，编辑于2022年，星期

6、一7.1.3 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。l调速范围：机械装置要求电机能提供的最高进给速度相对于最低进给速度之比。l为保证所有加工条件下，均能得到最佳切削条件和加工质量，就要求进给速度在较大的范围内变化。l低速切削要求电机输出较大的转矩，避免出现低速爬行现象。（2）精度高。l精度：伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。l为保证数控加工精度要求，主要保证机床的定位精度和进给跟踪精度。第9页，共70页，编辑于2022年，星期一（3）快速响应无超调。l快速响应反映系统的跟踪精度。（4）稳定性好，可靠性高。l稳定性：系统在给定输入或外界干扰作用

7、下，能经过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态。l系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀、平稳。（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。第10页，共70页，编辑于2022年，星期一2.数控机床对主轴伺服系统的要求（1）足够的输出功率。l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。l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。l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。l

8、在加工中为自动换刀，要求主轴具有高精度的准停功能。第11页，共70页，编辑于2022年，星期一7.2 步进电机伺服系统l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。l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。7.2.1 步进电机驱动控制线路驱动控制线路步进电机步进电机工作台工作台指令脉冲指令脉冲丝杠丝杠开环步进式伺服系统组成框图开环步进式伺服系统组成框图第12页，共70页，编辑于2022年，星期一步进式开环伺服系统工作原理l步进式伺服系统受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电信号通过步进电动机转变

9、为具有一定大小和方向的机械角位移，通过齿轮和丝杠带动工作台移动。1.工作台位移量的控制l数控装置发出N个进给脉冲，使步进电动机定子绕组的通电状态变化N次，则步进电动机转过的角位移量 =N（为步距角）。该角位移经丝杠螺母副之后转化为工作台的位移量L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量。2.工作台运动方向的控制l当数控装置发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路之后，步进电动机的定子绕组按一定顺序依次通电、断电。当进给脉冲是反向时，定子各相绕组则按相反的顺序通电、断电。第13页，共70页，编辑于2022年，星期一l改变进给脉冲的方向，可改变定子绕组的通电顺序，使步进电动机正转或反转，从而改变工作台

10、的进给方向。3.工作台进给速度的控制l若数控装置发出的进给脉冲的频率为f，经驱动控制线路后，转换为控制步进电动机定子绕组的通电、断电的电平信号变化频率，由于进电动机转子的转速=60f（为脉冲当量），所以定子绕组通电状态的变化频率决定步进电动机转子的转速。l该转速经过丝杠副螺母副传递之后，转化为工作台的进给速度，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。同时，在相同脉冲频率f的条件下，脉冲当量越小，则进给速度越小，进给运动的分辨率和精度越高。l综上所述，进给脉冲的数量、频率和方向决定了机床工作台综上所述，进给脉冲的数量、频率和方向决定了机床工作台的位移量、速度和方向。的位移量、速度和方向。第14页

11、，共70页，编辑于2022年，星期一步进电机的驱动控制线路 l脉冲混合电路：将数控装置送来的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。l加减脉冲分配电路：将脉冲混合电路输出的进给脉冲转换成为同一方向的正向（或反向）的进给脉冲。脉脉冲冲混混合合电电路路加加减减脉脉冲冲分分配配电电路路加加减减速速电电路路环环形形分分配配器器功功率率放放大大器器正向进给脉冲正向进给脉冲反向进给脉冲反向进给脉冲进给脉冲进给脉冲步进电步进电机绕组机绕组加加减减步进电机驱动控制线路的组成步进电机驱动控制线路的组成第15页，共70页，编辑于2022年，星期一l当机床在向着正（或负）向进给

12、脉冲的控制下正沿着正（或负）方向进给时，由于各种补偿脉冲的存在，使得可能还会出现极个别的负（或正）向脉冲。这种极个别的脉冲的出现意味着步进电机正在沿着一个方向旋转时，再向相反的方向旋转极个别个步距角。为了达到这一目的，通常采用从正在进给方向的进给脉冲中抵消相同数量的反向补偿脉冲 l加减速电路：由于进给脉冲经过加减脉冲分配电路后其频率的变化有跳跃，为了使进入步进电机的电信号的频率变化平滑，就使用加减速电路进行缓冲。l环形分配器：把来自加减速电路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，使其正向运转或反向运转。l功率放大器：功率放大。第16页，共70页，编辑于2022

13、年，星期一1.步进电机的类型分类方式具体类型转矩产生原理反应式（磁阻式）；永磁式；永磁感应式（混合式）。输出力矩大小伺服式：输出力矩在百分之几至十分之几（Nm），只能驱动较小的负载，要求与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载。功率式：输出力矩在5-50（Nm）以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载。相数三相；四相；五相；六相。各相绕组分布径向分相式：电机各相按圆周依次排列。轴向分向式：电机各相按轴依次排列。运动方式旋转运动式；直线运动式；平面运动式；滚动运动式。定子数单定子式；双定子式；三定子式；多定子式。第17页，共70页，编辑于2022年，星期一2.步进电机的结构（1）反应

14、式步进电机l步进电机由定子和转子组成，定子分定子铁芯和定子励磁绕组。1定子绕组；2转子铁芯；3A相磁通；4定子铁芯。l定子铁芯由电工硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯6个均匀分布的齿上的线圈，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。l步进电机可构成A、B、C三相控制绕组，称为三相步进电机。若任一相绕组通电，就形成一组定子磁极。第18页，共70页，编辑于2022年，星期一l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。l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。l三相定子磁极上的小齿在空间位

15、置上依次错开1/3齿距。第19页，共70页，编辑于2022年，星期一l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。l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l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。l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l转子由环行磁钢及两段铁芯构成。第20页，共70页，编辑于2022年，星期一3.反应式步进电机工作原理l步进电机：基于电磁力的吸引和排斥产生转矩。l定

16、子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，也称为脉冲电机。l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；脉冲数增加，角位移也增加；无脉冲时，电机停止。l改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向改变。l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。第21页，共70页，编辑于2022年，星期一4.反应式步进电机主要特征（1）步距角和静态步距误差l步进电机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，即有：360/(mzk)。l其中：m相m拍时，k1

17、；m相2m拍时，k2，依此类推。例如，三相三拍，z40时，360/(3401)3。l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。l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。第22页，共70页，编辑于2022年，星期一（2 2）静态转矩与矩角特性）静态转矩与矩角特性l静态转矩：当步进电机某相通电时，转子处于不同状态，此时在电机轴上加一个负载转矩，转子就按一定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩。l矩角特性：静态转矩M与的关系。第23页，共70页，编辑于2022年，星期一（3）启动频率l启

18、动频率：空载时，步进电机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率。l步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低，并随负载增加而进一步降低。（4）连续运行的最高工作频率l最高工作频率：步进电机启动后，保证连续不丢步运行的最高工作频率。l决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率，即决定了步进电机的最高转速。（5）加减速特性l加减速特性：步进电机由静止刀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。第24页，共70页，编辑于2022年，星期一（6）矩频特性与动态转矩l矩频特性：描述步进电机连续稳定运行时输出转矩M与连续运行频率f之间的关系。l动态转矩：

19、矩频特性曲线上每个频率对应的转矩。l步进电机正常运行时，动态转矩随连续运行频率的上升而下降。第25页，共70页，编辑于2022年，星期一7.2.2 步进电机的驱动控制器l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。l驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成。第26页，共70页，编辑于2022年，星期一1.环形脉冲分配器l功能：将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）。即将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端，以控制励磁绕组的通、断电。l分类

20、：硬件环形分配器和软件环形分配器。l硬件环形分配器：步进电机驱动装置本身带有环形分配器。l软件环形分配器：驱动装置本身无环形分配器，环形分配需要软件完成。第27页，共70页，编辑于2022年，星期一硬件环形分配器l输入、输出信号一般为TTL电平，输出信号A、B、C为高电平时表示相应绕组通电，低电平时表示相应绕组失电。lCLK为数控装置发出的脉冲信号，每个脉冲信号的上升或下降沿到来时，输出改变一次绕组的通电状态。lDIR为数控装置发出的方向信号，其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变，即步进电机的正、反转。lFULL/HALF控制电机的整步或半步。第28页，共70页，编辑于2022年，星期一三相六

21、拍环形脉冲分配器原理图第29页，共70页，编辑于2022年，星期一软件环形脉冲分配器l软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法、比较法、移位寄存器法等。l如图所示，8031单片机的P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大后分别与电机的A、B、C连接。l采用三相六拍方式时，电机正转的通电顺序为AABBBCCCAA。l电机反转的通电顺序为AACCCBBBAA。第30页，共70页，编辑于2022年，星期一2.功率放大器l功能：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电机。（1）单电压功率放大器第31页，共70页，编辑于2022年，星期一（2）高低电压功率放大器第32页，共70页，编辑于20

22、22年，星期一（3）斩波恒流功率放大器第33页，共70页，编辑于2022年，星期一（4）调频调压功率放大器第34页，共70页，编辑于2022年，星期一7.2.3 提高步进伺服系统精度的措施1.传动间隙补偿l提高机床传动元件的齿轮、丝杠制造装配精度并采取消除传动间隙的措施，只能减少不能完全消除传动间隙。l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。l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N，驱动步进电机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉冲动

23、作。第35页，共70页，编辑于2022年，星期一传动间隙补偿示意图第36页，共70页，编辑于2022年，星期一2.螺距误差补偿l传动链中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。l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。l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。第37页，共70页，编辑于2022年，星期一3.细分线路l细分驱动：将一个步距角细分为若干步的驱动方法。第38页，共70页，编辑于2022年，星期一7.3 直流伺服电机与速度控制7.3.1 直流伺服电机1.直流伺服电机的类型l按

24、电枢的结构和形状分：平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。l按定子磁场产生方式分：永磁式和他励式。l按转子转动惯量大小分：大惯量、中惯量和小惯量伺服电机。2.直流伺服电机的结构（1）定子：产生定子磁极磁场。（2）转子：表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。（3）电刷与换向片：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，换向片与电枢线圈连接。第39页，共70页，编辑于2022年，星期一3.直流伺服电机的工作原理（1）永磁式直流电机工作原理l直流电压加在A、B两电刷之间，电流从A流入，从B流出，导体ab和cd受到逆

25、时针方向作用力，转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转。l当电枢转过90，电枢线圈处于磁极的中性面，电刷与换向片断开，无电磁转矩作用。l在惯性作用下，电枢继续转动一个角度，当电刷与换向片再次接触时，导体ab和cd交换了位置，ab和cd中的电流也发生改变，从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变，因此，电枢可以连续转动。第40页，共70页，编辑于2022年，星期一（2）他励式直流电机工作原理l定子上有磁励绕住和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。l转子磁场与定子磁场始终正交，产生转矩，转子旋转。第41页，共70页，编辑于2022年，星期一7.3.2 直流进给速度控制单元l直流电机地机械特性公式l公式中，n为

26、电机转速，Ua为电枢外加电压，Ce为反电动势常数，为电机磁通量，Ra为电枢电阻，Cm为转矩常数，M为电磁转矩。l直流电机的三种调速方法。l改变电枢外加电压Ua。该方法可以得到调速范围较宽的恒转矩特性，机械特性好，适用于主轴驱动的低速段和进给驱动。l改变磁通量。可得到恒功率特性，适用于主轴驱动的高速段，不适合于进给驱动。l改变电枢电路的电阻Ra。该方法得到的机械特性较软，不能实现无级调速，也不适合于数控机床。第42页，共70页，编辑于2022年，星期一1.晶闸管直流调速系统l三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路。l两组正负对接的晶闸管，一组用于提供正向电压，供电机正转。l一组提供反向

27、电压，供电机反转。第43页，共70页，编辑于2022年，星期一双环调度系统l速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的PI调节器。l速度环起主导作用，电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流。第44页，共70页，编辑于2022年，星期一2.晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统（1）PWM系统的组成及工作原理l脉宽调制：使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出，从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。l脉宽连续变化，使得电枢电压平均值连续变化，进而导致电机转速连续变化。第45页，共70页，编

28、辑于2022年，星期一7.4 交流伺服电机与速度控制7.4.1 交流伺服电机1.交流伺服电机的类型l永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机l共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定子旋转磁场一起运转。l不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即电机的转速等于旋转磁场的同步转速；而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩，因此，电机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。第46页，共70页，编辑于2022年，星期一2.永磁交流伺服电机结构与工作原理l电机结构：由定子、转子和检测元件组成，其中1定子；2转子；3压板；4定子三相绕组；5脉冲编码器

29、；6接线盒。l工作原理：定子三相绕组接上电源后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n0旋转；l定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引，并带动转子以同步转速n0一起旋转；l当转子轴上加有负载转矩后，造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，相差一个角，负载转矩发生变化时，角也发生变化。l只要不超过一定限度，转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速n0旋转。第47页，共70页，编辑于2022年，星期一7.4.2 交流进给速度控制单元1.交流伺服电机调速原理l电机调速的三种方法：（1）改变磁极对数P：有级调速方法，通过对定子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现。（2）改变转差率s：只适合于异步型交流电机

30、的调速。（3）变频调速：通过改变电机电源的频率f而改变电机的转速。2.SPWM变频调速l（1）SPWM调制原理l（2）SPWM变频器的功率放大电路第48页，共70页，编辑于2022年，星期一（3）SPWM变频调速系统l速度给定器：给定信号，控制频率、电压及正反转。l平稳启动回路：使启动加、减速时间可随机械负载设定，以达到软启动的目的。l函数发生器：在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定，补偿定子电压降的影响。第49页，共70页，编辑于2022年，星期一l电压频率变压器：将电压转换为频率，经分频器、环形计数器产生方波，和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路。l电压调节器：产生频率和幅度可调的

31、控制正弦波，送入调制回路，送入调制回路，在调制回路中进行SPWM变换，产生三相的脉冲宽度调制信号。在基极回路中输出信号至功率晶体管基极，即对SPWM的主回路进行控制，实现对永磁交流伺服电机的变频调速。l电流检测器：过载保护。第50页，共70页，编辑于2022年，星期一7.5 直线电机伺服系统l与传统数控机床进给系统中的“旋转伺服电机滚珠丝杠”不同，直线电机直接驱动机床工作台，取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节。7.5.1 直线电机l分为交流和直流两种，交流直线电机又分为感应异步式和永磁同步式。l直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖开，并将定子、转子圆周展开为平面和进行一些演变形成。

32、第51页，共70页，编辑于2022年，星期一感应异步式直线电机演变过程第52页，共70页，编辑于2022年，星期一永磁同步式直线电机演变过程第53页，共70页，编辑于2022年，星期一2.直线电机的工作原理l基本原理：利用电磁作用将电能转换为动能。（1）感应异步式直线电机的结构及工作原理（2）永磁同步式直线电机工作原理3.直线电机的特点l调节速度方便。l加速度大，响应快。l定位精度和跟踪精度高。l行程不受限制。第54页，共70页，编辑于2022年，星期一7.5.2 直线电机伺服系统第55页，共70页，编辑于2022年，星期一直线电机进给控制系统l双环系统，内环为速度环，外环为位置环。l位置环：

33、接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号的比较信号，来控制速度环的指令速度，从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致。l速度环：根据位置环的指令速度快速而准确控制电机，使得其不受负载转矩大小和方向的影响，并快速跟踪指令速度的变化。第56页，共70页，编辑于2022年，星期一7.5.3 直线电机对控制质量的影响1.路径生成问题l三个方面：加加速度、插补和对加工程序段的预处理。2.直线电机对负载刚性的影响l三个因素：速度控制环比例增益、积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益。3.影响定位时间的因素l四个因素：最大加速度、速度、加加速度和位置控制进给前馈实际增益。4.影响加工路径精度的因

34、素l三个因素：路径生成最大加速度和位置控制进给前馈实际增益。第57页，共70页，编辑于2022年，星期一7.6 伺服系统的位置控制7.6.1 数字脉冲比较伺服系统l将指令脉冲F与反馈脉冲Pf进行比较，决定位置偏差e，再将位置偏差e放大后输出给速度控制单元和电机执行，以减少和消除位置偏差。l半闭环系统中，检测元件多采用光电编码器；闭环系统中，检测元件多采用光栅。l工作过程：当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时，计数器作加法运算；当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时，计数器作减法运算。l计数器的计算结果：l当eFPf0时，工作台正向移动；l当eFPf0时，工作台反向运动；l当eFPf0时，工作台静止。第58页

35、，共70页，编辑于2022年，星期一半闭环数值比较系统结构第59页，共70页，编辑于2022年，星期一7.6.2 相位比较伺服系统l常用检测元件是旋转变压器和感应同步器。l脉冲调相器（数字相位变化器）：将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。第60页，共70页，编辑于2022年，星期一7.6.3 幅值比较伺服系统l以位姿检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值，并以此信号作为反馈信号，转换为数字信号后与指令信号进行比较，从而获得位置偏差构成闭环控制系统。l常用检测元件：旋转变压器和感应同步器。第61页，共70页，编辑于2022年，星期一7.6.4 全数字控制伺服系统第62页，共70页，

36、编辑于2022年，星期一7.7 主轴伺服系统l提供加工各类工件所需的切削功率，主要完成主轴调速和正反转功能。7.7.1 直流主轴伺服系统l由速度环和电流环组成双环调速，控制直流主轴电机的电枢电压来进行恒转矩调速。第63页，共70页，编辑于2022年，星期一7.7.2 交流主轴伺服系统l交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机。l感应式交流伺服电机结构简单、便宜、可靠，配合矢量交换控制的主轴驱动装置，可以满足数控机床主轴驱动的要求。l主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势。l主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形，与普通感应式电机相比，其转子多为带斜槽的铸铝结构，在电机轴尾部同轴安装检

37、测用脉冲发生器和脉冲编码器。1交流主轴电机；交流主轴电机；2普通感应式普通感应式电机；电机；3冷却通风孔冷却通风孔第64页，共70页，编辑于2022年，星期一1.新型主轴电机结构（1）输出转换型交流主轴电机l在任何刀具切削速度下提供恒定的功率。（2）液体冷却主轴电机l主轴电机输出功率大，必须解决散热问题。l常采用风扇散热，而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率。l特点：在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路，采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承。（3）电主轴l电主轴：机床主轴由内装式主轴电机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现机床的“零传动”。l电主轴系统由内装式电主

38、轴单元、驱动控制器、编码系统、直流母线能耗制动器和通信电缆组成。第65页，共70页，编辑于2022年，星期一2.交流主轴电机控制单元l矢量控制是根据异步电机的动态数学模型，利用坐标变换的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流，模拟直流电机的控制方式，对电机的磁场和转矩分别控制，使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能。第66页，共70页，编辑于2022年，星期一7.7.3 主轴准停控制l主轴准停：主轴定向，指当主轴停止时，能够准确停于某一个固定位置。分为机械准停和电气准停。1.机械准停第67页，共70页，编辑于2022年，星期一2.电气准停控制（1）磁传感器准停控制l

39、主轴单元接收准停启动信号后，主轴立即减速至准停速度。l当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准），主轴立即减速至某一爬行速度。l当磁感应器信号出现时，主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制，目标位置即为准停位置。第68页，共70页，编辑于2022年，星期一（2）编码器准停控制l由数控系统发出准停启动信号，主轴驱动的控制与磁传感器控制方式相似，准停完成后相数控系统发出准停完成信号。l编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统，由数控系统向主轴驱动单元发出准停位置信号。l磁传感器控制要调整准停位置，只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现。第69页，共70页，编辑于2022年，星期一（3）数控系统准停控制l工作原理与进给位置控制相似，准停位置由数控系统内部设定。l由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统，数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较，并将差值经D/A转换后，供给主轴驱动装置，控制主轴准确停止在指令位置。第70页，共70页，编辑于2022年，星期一