数控技术 第四章开环伺服系统.ppt
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1、第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统第一节第一节第一节第一节 概述概述概述概述第二节第二节第二节第二节 开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统第三节第三节第三节第三节 闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统提提要要v本本章章介介绍绍进进给给伺伺服服系系统统的的构构成成及及工工作作原原理理,叙叙述述步步进进电电机机、直直流流伺伺服服电电机机、交交流流伺伺服服电电机机等等伺伺服服驱驱动动元元件件的的结结构构及及调调速速方方法法,阐阐述述开开环环伺伺服服系系统统、闭闭环环伺伺服服系系统统的的构构成成及及控控制制原理。原理。返回返回提要提要第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统下
2、一页下一页上一页上一页目目标标 掌握伺服系统的功能、分类及其特点:数控机床掌握伺服系统的功能、分类及其特点:数控机床 对伺服系统的要求对伺服系统的要求 掌握开环伺服系统的组成及工作原理掌握开环伺服系统的组成及工作原理 步进电机的工作原理、脉冲分配方式、驱动电源步进电机的工作原理、脉冲分配方式、驱动电源 的类型及工作原理的类型及工作原理 掌握感应同步器、光栅等检测元件的工作原理掌握感应同步器、光栅等检测元件的工作原理 掌握直流伺服电机位置控制原理掌握直流伺服电机位置控制原理 了解交流伺服电机位置控制原理了解交流伺服电机位置控制原理 了解提高步进开环伺服系统精度的措施了解提高步进开环伺服系统精度的
3、措施返回返回目标目标第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统下一页下一页上一页上一页建建议议v本本章章内内容容既既有有理理论论分分析析,又又有有实实验验研研究究,同同时时还还涉涉及及设设计计计计算算方方法法。学学习习中中,应应特特别别注注意意各各种种伺伺服服驱驱动动元元件件的的调调速速方方法法和和调调速速原原理理,了了解解各各种种驱驱动元件之间的性能比较及其应用场合动元件之间的性能比较及其应用场合。返回返回建议建议第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统下一页下一页上一页上一页第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统l第一节第一节概述概述一、作用一、作用 以以位置位置和和速度速度作为控制量的作为控制
4、量的自动控制系统自动控制系统CNCCNC装置与机床的装置与机床的联系环节联系环节其性能直接决定和影响其性能直接决定和影响CNCCNC系统的系统的快快速性速性、稳定性稳定性、精确性精确性返回返回下一页下一页上一页上一页第一节 概述ll指令信息指令信息动作动作l 位置、速度位置、速度 位移、速度位移、速度 CNC伺服系统伺服系统 机床机床第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 步进伺服系统步进伺服系统 伺服系统构成伺服系统构成 CNC步进电机步进电机 驱动放大驱动放大 工作台工作台返回返回一一.构成构成下一页下一页上一页上一页返回返回二二.要求要求第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统准确、可靠地
5、执行指令准确、可靠地执行指令调速范围宽调速范围宽-1000010000:1 1以上,且稳定性好以上,且稳定性好 带负载能力强带负载能力强-负载特性硬;足够大的加(减)速力矩负载特性硬;足够大的加(减)速力矩 动态响应快动态响应快-快速跟随指令脉冲,可频繁起、停、反向;快速跟随指令脉冲,可频繁起、停、反向;尽快消除负载扰动尽快消除负载扰动 误差无累积误差无累积 位置精度高位置精度高 返回返回下一页下一页上一页上一页返回返回开环进给伺服系统开环进给伺服系统闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统三三.分类分类第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统返回返回按按有有无无反反
6、馈馈分分下一页下一页上一页上一页三三.分类分类按按控控制制信信号号分分按按控控制制元元件件分分数字伺服系统数字伺服系统模拟伺服系统模拟伺服系统数字模拟混合伺服系统数字模拟混合伺服系统步进伺服系统步进伺服系统直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统下一页下一页上一页上一页返回返回返回返回第一节第一节 概述概述习 题第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统1.1.数控机床对伺服驱动系统有哪些要求?数控机床对伺服驱动系统有哪些要求?返回返回(1)调速范围宽并有良好的稳定性,尤其是低速时的平稳性;调速范围宽并有良好的稳定性,尤其是低速时的平稳性;(2)负载特
7、性硬,即使在低速时也应有足够的负载能力;负载特性硬,即使在低速时也应有足够的负载能力;(3)动态响应速度快;动态响应速度快;(4)高的位移精度;高的位移精度;(5)能够频繁地启动;能够频繁地启动;下一页下一页上一页上一页2.伺服系统伺服系统按按有无反馈有无反馈可分为可分为、三类。三类。习 题开环进给伺服系统开环进给伺服系统闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统3.伺服系统伺服系统按按控制信号控制信号可分为可分为、三类。三类。数字伺服系统数字伺服系统模拟伺服系统模拟伺服系统数字模拟混合伺服系统数字模拟混合伺服系统第一节第一节 概述概述下一页下一页上一页上一页返回返回
8、4.伺服系统伺服系统按按控制元件控制元件可分为可分为、三类。三类。第一节第一节 概述概述习 题步进伺服系统步进伺服系统直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统下一页下一页上一页上一页返回返回第二节第二节 开环伺服系统开环伺服系统 l一、组成一、组成 伺服驱动单元、执行元件、传动机构伺服驱动单元、执行元件、传动机构 二、步进电机二、步进电机将将电脉冲电脉冲转变成转变成机械角位移机械角位移的装置的装置 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 CNC步进电机步进电机 驱动放大驱动放大 工作台工作台返回返回下一页下一页上一页上一页返回返回1.1.分类分类第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统v
9、按按输出转矩输出转矩分:分:快速快速步进电机步进电机、功率功率步进电机。步进电机。v按按励磁相数励磁相数分:分:三相三相、四相四相、五相五相、六相六相、八相八相 等等 v按按工作原理工作原理分:分:反应式反应式、激磁式激磁式、混合式混合式(永磁反应式永磁反应式)返回返回下一页下一页上一页上一页2.2.步进电机的结构步进电机的结构第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统v步进电机由步进电机由转子转子和和定子定子两部分组成两部分组成定子定子上有绕组分为上有绕组分为若干相若干相,每相每相磁极上有磁极上有极齿极齿。左图为左图为三相三相定子:定子:AA,BB,CCA、B、C三相每相两极,三相每相两极,每极
10、上五个齿每极上五个齿1)定子定子五个极齿五个极齿2.2.步进电机的结构步进电机的结构第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法下一页下一页上一页上一页返回返回2.2.步进电机的结构步进电机的结构2)转子转子第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统转子转子上有上有均匀分布均匀分布的的齿,没有绕组。齿,没有绕组。转子齿转子齿间夹角为间夹角为9o左图为一转子示意图:左图为一转子示意图:以以四十齿四十齿为例来说明为例来说明步进电机的原理步进电机的原理下一页下一页上一页上一页返回返回3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章
11、进给伺服系统进给伺服系统3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章
12、进给伺服系统进给伺服系统3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统3.3.3.3.步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图步进电机的实物图 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统4.4.工作原理工作原理如果如果A相通电则转子齿与相通电则转子齿与A相极齿对齐,这时在相极齿对齐
13、,这时在B相两极下相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐,而是转子齿中心线较定定子齿与转子齿中心线并不对齐,而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向子齿中心线反时针方向落后落后1/3齿齿距,即距,即3o。因此,当通电状态由因此,当通电状态由A相变为相变为B相时,转子顺时针方向相时,转子顺时针方向转过转过3o,C相通电再转相通电再转3o。C相下,转子齿超前相下,转子齿超前6o。第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统4.4.工作原理工作原理第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统三拍三拍通电激磁,步距角通电激磁,步距角=3=3o o一般一般=m绕组相数;绕组相数;Z转子齿数,单拍转子齿数,单拍k=1,
14、双拍双拍k=2。六拍六拍通电激磁,步距角通电激磁,步距角=1.5o下一页下一页上一页上一页返回返回返回返回4.4.工作原理工作原理第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统定子绕组定子绕组通断电顺序通断电顺序 转子转子转向转向定子绕组定子绕组通断电转换频率通断电转换频率 转子转子转速转速 定子绕组定子绕组通断电次数通断电次数 转子转子转角转角三相单三拍三相单三拍 A B C A A B C A (K=1K=1)三相双三拍三相双三拍 AB BC CA AB AB BC CA AB (K=1K=1)三相六拍三相六拍 A AB B BC C CA A A AB B BC C CA A(K=2K=2)v
15、通断电方式通断电方式下一页下一页上一页上一页返回返回5 5.主要控制特性主要控制特性第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统最高工作频率(最高工作频率(f fmaxmax)加减速特性加减速特性 启动矩频特性启动矩频特性 运行矩频特性运行矩频特性 启动频率(启动频率(f fstst)步距角(步距角()及步距误差及步距误差下一页下一页上一页上一页1)1)步距角(步距角()及步距误差及步距误差 步距角步距角是两个是两个相临脉冲时间相临脉冲时间内内转子转子转过的角度转过的角度,一般来一般来说说步距角越小步距角越小,控制越精确。控制越精确。第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统5 5.主要控制特性主要控制
16、特性步距误差步距误差直接影响执行部件的直接影响执行部件的定位精度定位精度.步进电动机单相通电时步进电动机单相通电时,步距误差步距误差取决于取决于定子和转子定子和转子的的分齿分齿精度精度,和各相定子和各相定子错位角度的精度错位角度的精度。多相通电时多相通电时,其不仅与上述因素有关其不仅与上述因素有关,还和还和各相电流大小各相电流大小,磁磁路性能路性能有关。有关。返回返回下一页下一页上一页上一页2 2)最高启动频率)最高启动频率第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统5 5.主要控制特性主要控制特性空载时空载时,步进电机由,步进电机由静止突然启动静止突然启动,并,并不失步不失步的进入稳速的进入稳速运
17、行,所允许的运行,所允许的启动频率的最高值启动频率的最高值为为最高启动频率最高启动频率.启动频率启动频率大于比值时步进电机不能正常工作,大于比值时步进电机不能正常工作,最高启动频率最高启动频率与与步进电机的步进电机的惯性负载有关惯性负载有关.3 3)最高工作频率)最高工作频率步进电机工作频率连续上升时,电动机不失步运行的最步进电机工作频率连续上升时,电动机不失步运行的最高频率称为高频率称为最高工作频率最高工作频率。它的值也和它的值也和负载负载有关。很显然,在同样负载下,有关。很显然,在同样负载下,最高工最高工作频率远大于己于启动频率作频率远大于己于启动频率.第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系
18、统5 5.主要控制特性主要控制特性在在连续运行状态连续运行状态下,步进电机的下,步进电机的电磁力矩电磁力矩随随频率频率的的升高升高而而急剧下降急剧下降,这两者的关系称为,这两者的关系称为矩频特性矩频特性.4 4)矩频特性)矩频特性第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统5 5.主要控制特性主要控制特性4 4)矩频特性)矩频特性返回返回6.6.步进电机的选择步进电机的选择第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统1)1)步进电机选择原则:步进电机选择原则:步矩角步矩角 与机械系统相匹配,以得到系统所需的与机械系统相匹配,以得到系统所需的 保证电机保证电机输出转矩输出转矩,大于负载所需转矩,大于负载所需
19、转矩 能与机械系统的负载能与机械系统的负载惯量相匹配惯量相匹配 为使电机具有良好的为使电机具有良好的起动起动性能及较快的性能及较快的响应响应速度速度 推荐推荐 J Jleqleq/Jm/Jm=4=4 式中式中 J Jleqleq为系统为系统等效负载等效负载转动惯量转动惯量 JmJm 为为电机电机转动惯量转动惯量 电机电机运行速度运行速度和和最高工作频率最高工作频率能满足工作台切削加工能满足工作台切削加工 和快移要求。和快移要求。=t/360it/360i下一页下一页上一页上一页返回返回2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 初定步进电机初定步进电机步距角
20、步距角,计算,计算减速比减速比,确定,确定齿轮副齿轮副初选步进电机型号,根据其工作方式,初定步距角初选步进电机型号,根据其工作方式,初定步距角 i=Z1/Z2=t/360 q 确定齿轮副齿数时,尽量选择确定齿轮副齿数时,尽量选择一级降速一级降速;q若需二级,则若需二级,则降速比大的降速比大的齿轮副应齿轮副应远离电机远离电机,以利于提高传动系统的刚度和精度。以利于提高传动系统的刚度和精度。下一页下一页上一页上一页:步进电机步距角步进电机步距角,(o)/脉冲脉冲t:滚珠丝杆导程滚珠丝杆导程,mm:脉冲当量脉冲当量,mm/脉冲脉冲返回返回第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 计算惯量计算惯量 下一
21、页下一页上一页上一页2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤设设传动系统传动系统如右图所示:如右图所示:伺服系统总惯量伺服系统总惯量JG为为JG=Jm+Jleq式中:式中:Jm步进电机步进电机转子转动惯量转子转动惯量Jleq换算到电机轴上的换算到电机轴上的等效负载转动惯量等效负载转动惯量第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤 计算惯量计算惯量nm步进步进电机速度电机速度r/minni第第i个个转动部件的转速转动部件的转速r/minJi第第i个转动部件的个转动部件的转动惯量转动惯量kg.m2Vj第第j个移动部件的个移动部件的移动速度移动速度m/minMj第
22、第j个移动部件的个移动部件的质量质量kg 计算惯量计算惯量第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤i.图示的图示的一级一级齿轮减速系统齿轮减速系统V=nz2.t式中式中V工作台移动速度工作台移动速度m/mint丝杆导程丝杆导程m 计算惯量计算惯量第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤式中式中Jz1齿轮齿轮1的转动惯量的转动惯量kg.m2Jz2齿轮齿轮2的转动惯量的转动惯量kg.m2Js丝杆丝杆2的转动惯量的转动惯量kg.m2Mw工作台的质量工作台的质量kg 计算惯量计算惯量第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2
23、)步进电机选择步骤步进电机选择步骤其中其中,齿轮、丝杆的,齿轮、丝杆的转动惯量转动惯量(J)可按圆柱体转动惯量计算可按圆柱体转动惯量计算Kg/cm3式中式中D齿轮分度圆直径或丝杆名义直径齿轮分度圆直径或丝杆名义直径mmL齿轮宽度或丝杆长度齿轮宽度或丝杆长度mm材料比重材料比重kg/cm3 计算惯量计算惯量第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤ii.对下图所示的对下图所示的二级二级齿轮减速系统齿轮减速系统 计算转矩计算转矩 系统所需转矩包括系统所需转矩包括加速转矩加速转矩和和等效负载转矩等效负载转矩i.快速空载启动时所需转矩快速空载启动时所需转矩M M=M
24、amax+Mf式中式中:Mamax快速空载启动时快速空载启动时产生最大加速度产生最大加速度所需转矩所需转矩N mMf克服摩擦力克服摩擦力所需转矩所需转矩N m2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 计算转矩计算转矩 2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统由由动力学动力学知:知:式中式中:J系统总惯量系统总惯量Nms2步进电机转子的步进电机转子的角加速度角加速度r/s2o初速度初速度r/st末速度末速度r/sT加速时间加速时间s 计算转矩计算转矩 2)2)步进电机选择步骤步进电机选择步骤第四章第四章 进给伺服系统进给
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