数控机床的伺服驱动系统介绍23286.pptx

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1、第五章第五章 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统概述概述开环步进式伺服驱动系统开环步进式伺服驱动系统闭环伺服控制原理与系统闭环伺服控制原理与系统CNC伺服系统伺服系统 数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院5-15-1 概述概述伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统接接接接收收收收数数数数控控控控单单单单元元元元的的的的位位位位移移移移/速速速速度度度度控控控控制制制制指指指指令令令令,驱驱驱驱动动动动工工工工作作作作台台台台/主主主主轴轴轴轴按按按按照照照照控控控控制制制制指指指指令

2、令令令的的的的要求进行运动。要求进行运动。要求进行运动。要求进行运动。伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统直直直直接接接接影影影影响响响响移移移移动动动动速速速速度度度度、跟跟跟跟踪踪踪踪精精精精度度度度、定定定定位位位位精精精精度度度度等等等等一一一一系系系系列列列列重重重重要要要要指指指指标标标标，是是是是数数数数控控控控机床的关键技术。机床的关键技术。机床的关键技术。机床的关键技术。数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院机床的伺服驱动机床的伺服驱动数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控

3、机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院UmrichterSIMODRIVE 611 digital mit CNCSINUMERIK 840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfront mit PCU 20/50/70Drehstrom-ServomotorenPeripherieSIMATIC S7-300Drehstrom-Hauptspindelmotor数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院一、数控机床伺服驱

4、动系统的基本组成一、数控机床伺服驱动系统的基本组成比较控制环节比较控制环节比较控制环节比较控制环节驱动控制单元驱动控制单元驱动控制单元驱动控制单元执行元件执行元件执行元件执行元件反馈检测单元反馈检测单元反馈检测单元反馈检测单元机床机床机床机床进给进给进给进给 指令指令指令指令注注注注:开环、闭环、开环、闭环、开环、闭环、开环、闭环、CNCCNC（比较由软件实现）（比较由软件实现）（比较由软件实现）（比较由软件实现）数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院二、伺服驱动系统的性能二、伺服驱动系统的性能1.1.进

5、给速度调速范围大：进给速度调速范围大：进给速度调速范围大：进给速度调速范围大：5mm/min5mm/min，10m/min10m/min2.2.位位位位移移移移精精精精度度度度要要要要高高高高：全全全全程程程程积积积积累累累累误误误误差差差差5555m m m m，与与与与脉脉脉脉冲冲冲冲当量有关，当量有关，当量有关，当量有关，；3.3.3.3.跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好；跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好；跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好；跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好；4.4.4.4.伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统的的的的工工工工作作作作稳稳稳稳定定定定性性

6、性性要要要要好好好好：抗抗抗抗干干干干扰扰扰扰能能能能力力力力强强强强，速速速速度度度度均均均均匀匀匀匀、平平平平稳稳稳稳，粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度低低低低，过过过过载载载载4 4 4 46 6 6 6倍倍倍倍，低低低低速速速速爬爬爬爬行行行行工作可靠，抗干扰性强；工作可靠，抗干扰性强；工作可靠，抗干扰性强；工作可靠，抗干扰性强；数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院三、数控机床伺服驱动系统的分类三、数控机床伺服驱动系统的分类按用途和功能分按用途和功能分按用途和功能分按用途和功能分按控制原理和有无检测分按

7、控制原理和有无检测分按控制原理和有无检测分按控制原理和有无检测分按执行元件和动作原理分按执行元件和动作原理分按执行元件和动作原理分按执行元件和动作原理分按控制方式分按控制方式分按控制方式分按控制方式分数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院1.1.按用途和功能分按用途和功能分进给驱动：进给驱动：进给驱动：进给驱动：转距大小转距大小转距大小转距大小,调速范围调速范围调速范围调速范围,调节精度调节精度调节精度调节精度,动态响应速度等；动态响应速度等；动态响应速度等；动态响应速度等；主轴驱动：主轴驱动：主轴驱动：

8、主轴驱动：足够的功率足够的功率足够的功率足够的功率,宽的恒功率调节宽的恒功率调节宽的恒功率调节宽的恒功率调节范围，速度调节范围；范围，速度调节范围；范围，速度调节范围；范围，速度调节范围；数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院2.2.按控制原理和有无检测分按控制原理和有无检测分开环：开环：开环：开环：无检测无检测无检测无检测,经济型数控和老设备改造经济型数控和老设备改造经济型数控和老设备改造经济型数控和老设备改造闭环：闭环：闭环：闭环：半闭环（检测丝杠转角）和全闭环半闭环（检测丝杠转角）和全闭环半闭环（检

9、测丝杠转角）和全闭环半闭环（检测丝杠转角）和全闭环（检测工作台直线位移）（检测工作台直线位移）（检测工作台直线位移）（检测工作台直线位移）数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院3.3.按执行元件和动作原理分按执行元件和动作原理分电液伺服驱动：电液伺服驱动：电液伺服驱动：电液伺服驱动：由电液伺服阀、低速大由电液伺服阀、低速大由电液伺服阀、低速大由电液伺服阀、低速大转矩液压马达或液压缸，位置检测等元转矩液压马达或液压缸，位置检测等元转矩液压马达或液压缸，位置检测等元转矩液压马达或液压缸，位置检测等元件组成件组

10、成件组成件组成电气伺服驱动：电气伺服驱动：电气伺服驱动：电气伺服驱动：步进电机、直流伺服电步进电机、直流伺服电步进电机、直流伺服电步进电机、直流伺服电机（频繁起动，制动，快速定位等优点，机（频繁起动，制动，快速定位等优点，机（频繁起动，制动，快速定位等优点，机（频繁起动，制动，快速定位等优点，但有电刷，需要维护），交流伺服电机但有电刷，需要维护），交流伺服电机但有电刷，需要维护），交流伺服电机但有电刷，需要维护），交流伺服电机（易于维护，制造简单）（易于维护，制造简单）（易于维护，制造简单）（易于维护，制造简单）数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电

11、学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院4.4.按控制方式分按控制方式分模拟伺服方式模拟伺服方式模拟伺服方式模拟伺服方式数字伺服方式数字伺服方式数字伺服方式数字伺服方式数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院5-25-2 开环步进式伺服驱动系统开环步进式伺服驱动系统执行元件是步进电机执行元件是步进电机执行元件是步进电机执行元件是步进电机开环，无检测装置开环，无检测装置开环，无检测装置开环，无检测装置结构简单、容易调整结构简单、容易调整结构简单、容易调整结构简单、容易调整控制精度低，速度受到限制。控制精

12、度低，速度受到限制。控制精度低，速度受到限制。控制精度低，速度受到限制。驱动控制单元驱动控制单元驱动控制单元驱动控制单元执行元件执行元件执行元件执行元件机床机床机床机床进给进给进给进给 指令指令指令指令数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院一、步进电机的种类、结构及工作原理一、步进电机的种类、结构及工作原理数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院1.1.步进电机的种类步进电机的种类 按产生力矩原理分：按产生力矩原理分：

13、按产生力矩原理分：按产生力矩原理分：反应式、激磁式反应式、激磁式反应式、激磁式反应式、激磁式 按输出力矩大小分：按输出力矩大小分：按输出力矩大小分：按输出力矩大小分：伺服式、功率式伺服式、功率式伺服式、功率式伺服式、功率式 按定子数：按定子数：按定子数：按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子单定子、双定子、三定子、多定子单定子、双定子、三定子、多定子单定子、双定子、三定子、多定子 按各相绕阻分布：按各相绕阻分布：按各相绕阻分布：按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式径向分相式、轴向分相式径向分相式、轴向分相式径向分相式、轴向分相式数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床

14、原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院2.2.步进电机的结构步进电机的结构数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院3.3.步进电机的工作原理步进电机的工作原理数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院基本结论基本结论步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转过一

15、个固定的角度，即电机的步距角；转过一个固定的角度，即电机的步距角；转过一个固定的角度，即电机的步距角；转过一个固定的角度，即电机的步距角；改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方向随之改变方向随之改变方向随之改变方向随之改变;步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的转速越高的转速越高的转速越高的转速越高;步距角与定子绕阻相

16、数步距角与定子绕阻相数步距角与定子绕阻相数步距角与定子绕阻相数mm、转子齿数、转子齿数、转子齿数、转子齿数z z、通电方式、通电方式、通电方式、通电方式k k有关。有关。有关。有关。数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院4.4.步进电机的主要特征步进电机的主要特征步距角步距角步距角步距角 ：0.50.5 3 3，决定控制精度，是决定步进式伺服系统脉，决定控制精度，是决定步进式伺服系统脉，决定控制精度，是决定步进式伺服系统脉，决定控制精度，是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数冲当量的重要参数冲当量的重要参

17、数冲当量的重要参数距角特性、最大静态转距距角特性、最大静态转距距角特性、最大静态转距距角特性、最大静态转距MjmaxMjmax和启动转距和启动转距和启动转距和启动转距MqMq启动频率启动频率启动频率启动频率fq fq：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率步的正常运行所允许的最高频率步的正常运行所允许的最高频率步的正常运行所允许的最高频率连续运行的最高工作频率：连续运行的最高工作频率：连续运行的最高工作频率：连续运行的最高工作频率：保证不

18、丢步运行的极限频率保证不丢步运行的极限频率保证不丢步运行的极限频率保证不丢步运行的极限频率加减速特性：加减速特性：加减速特性：加减速特性：描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静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，定子绕阻通电状态的变化频率与时间的关系。止的加减速过程中，定子绕阻通电状态的变化频率与时间的关系。止的加减速过程中，定子绕阻通电状态的变化频率与时间的关系。止的加减速过程中，定子绕阻通电状态的变化频率与时间的关系。数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统

19、数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院二、步进式伺服驱动系统工作原理二、步进式伺服驱动系统工作原理系系统统由由 “步步进进电电机机驱驱动动线线路路”+“步步进进电电机机”组组成成，对对工工作作台台位位移移、速速度度和和运运动动方向进行控制方向进行控制步进电机驱动线路步进电机驱动线路步进电机驱动线路步进电机驱动线路步进电机步进电机步进电机步进电机机床机床机床机床进给进给进给进给 指令指令指令指令数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院1.1.1.1.工作台位移的控制工作台位

20、移的控制工作台位移的控制工作台位移的控制 进给脉冲个数进给脉冲个数进给脉冲个数进给脉冲个数NNNN定子绕阻通电状态改变次数定子绕阻通电状态改变次数定子绕阻通电状态改变次数定子绕阻通电状态改变次数NNNN角角角角位移位移位移位移=N=N=N=N工作台位移工作台位移工作台位移工作台位移 L=t/360 L=t/360 L=t/360 L=t/3602.2.2.2.工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制 进给脉冲频率进给脉冲频率进给脉冲频率进给脉冲频率ffff定子绕阻通断电状态变化频率定子绕阻通断电状态变化频率定子绕阻通断电状态变化频率定子绕阻通断电状态变化

21、频率ffff步进电机转速步进电机转速步进电机转速步进电机转速工作台进给速度工作台进给速度工作台进给速度工作台进给速度v v v v 3.3.3.3.工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制 定子绕阻通电顺序改变定子绕阻通电顺序改变定子绕阻通电顺序改变定子绕阻通电顺序改变工作台运动方向改变工作台运动方向改变工作台运动方向改变工作台运动方向改变数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院三、步进电机的驱动（控制）线路三、步进电机的驱动（控制）线路功功功功能能能能：将将将将一一

22、一一定定定定频频频频率率率率f f f f、数数数数量量量量N N N N和和和和方方方方向向向向的的的的进进进进给给给给脉脉脉脉冲冲冲冲转转转转换换换换为为为为控控控控制制制制步步步步进进进进电电电电机机机机定定定定子子子子各各各各相相相相绕绕绕绕阻阻阻阻通通通通断断断断电电电电状状状状态态态态变变变变化化化化的频率、次数和顺序的功率信号的频率、次数和顺序的功率信号的频率、次数和顺序的功率信号的频率、次数和顺序的功率信号 功率功率功率功率放大放大放大放大器器器器环形环形环形环形分配分配分配分配器器器器加减加减加减加减速电速电速电速电路路路路脉冲脉冲脉冲脉冲混合混合混合混合电路电路电路电路加减

23、加减加减加减脉冲脉冲脉冲脉冲分配分配分配分配电路电路电路电路进给进给进给进给脉冲脉冲脉冲脉冲至步进至步进至步进至步进电机绕阻电机绕阻电机绕阻电机绕阻数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院1.1.脉冲混合电路脉冲混合电路脉冲混合电路脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为正向或负向脉冲进给信号为正向或负向脉冲进给信号为正向或负向脉冲进给信号为

24、正向或负向脉冲进给信号2.2.加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路 将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲 数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院3.3.加减速电路加减速电路加减速电路加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的将单一方向的进给脉冲调整为符合步

25、进电机加减速特性的将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。同步器同步器同步器同步器可逆计数器可逆计数器可逆计数器可逆计数器振荡器振荡器振荡器振荡器数模转换数模转换数模转换数模转换f fa af fb b数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院4.4.环形分配器环形分配器环形分配器环形分配器 将来自加减

26、速电路的一系列进给脉冲转换成控制将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。5.5.功率放大器功率放大器功率放大器功率放大器 将环形分配器输出的将环形

27、分配器输出的将环形分配器输出的将环形分配器输出的mAmA级电流进行功率放大，级电流进行功率放大，级电流进行功率放大，级电流进行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器组成。一般由前置放大器和功率放大器组成。一般由前置放大器和功率放大器组成。一般由前置放大器和功率放大器组成。数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施影响步进式伺服驱动系统精度的因素：影响步进式伺服驱动系统精度的因素：影响步进式伺服驱动系统精度的因素：影响步进式伺服驱动系统精度

28、的因素：步进电机；步进电机；步进电机；步进电机；丝杠螺母传动幅；丝杠螺母传动幅；丝杠螺母传动幅；丝杠螺母传动幅；由于受工艺和结构的限制，常常从控制由于受工艺和结构的限制，常常从控制由于受工艺和结构的限制，常常从控制由于受工艺和结构的限制，常常从控制线路采取措施线路采取措施线路采取措施线路采取措施数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院1.1.细分电路细分电路细分电路细分电路 把步进电机的一步分得再细一些，减小脉冲当量把步进电机的一步分得再细一些，减小脉冲当量把步进电机的一步分得再细一些，减小脉冲当量把步进电

29、机的一步分得再细一些，减小脉冲当量2.2.齿隙补偿齿隙补偿齿隙补偿齿隙补偿（反向间隙补偿）（反向间隙补偿）（反向间隙补偿）（反向间隙补偿）原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在，会原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在，会原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在，会原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在，会引起步进电机的空走；引起步进电机的空走；引起步进电机的空走；引起步进电机的空走；补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换

30、向时增加输出脉冲进行补偿。时增加输出脉冲进行补偿。时增加输出脉冲进行补偿。时增加输出脉冲进行补偿。数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院3.3.螺距误差补偿螺距误差补偿螺距误差补偿螺距误差补偿原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台的位置精度，需要进行补偿。的位置精度，需要进行补偿。的位置精度，需要进行补偿。的位置精度，需要进行补偿。补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线，

31、在相应补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线，在相应补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线，在相应补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线，在相应位置时根据误差位置时根据误差位置时根据误差位置时根据误差分布分布分布分布进行补偿。进行补偿。进行补偿。进行补偿。实现方法实现方法实现方法实现方法 安置两个补偿杆安置两个补偿杆安置两个补偿杆安置两个补偿杆 按照螺距误差在补偿杆上设置档块按照螺距误差在补偿杆上设置档块按照螺距误差在补偿杆上设置档块按照螺距误差在补偿杆上设置档块 工作台移动时行程开关与档块接触时进行补工作台移动时行程开关与档块接触时进行补工作台移动时行程开关与档块接触时进行补工作台移动时行程开关与档块接触时进行补偿偿偿偿数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统数控机床原理与系统西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院西工大机电学院谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH