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第五章 伺服驱动系统

§ 5-1 概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 § 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动 § 5-7 位置控制. 第五章 伺服驱动系统. 立式铣床. § 5-1 概述. 带制动器伺服电机. 加工中心. 主轴电机. 刀库刀具定位电机. 机械手旋转定位电机. 伺服电机. 伺服驱动系统 ( Servo System). CNC 系统. 控制信号. 驱动电机. 光栅尺. 反馈信号. 检测装置. 伺服驱动系统. 一、数控机床伺服系统的定义

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第五章 伺服驱动系统

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  1. § 5-1概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 § 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动 § 5-7 位置控制 第五章 伺服驱动系统

  2. 立式铣床 § 5-1概述

  3. 带制动器伺服电机 加工中心 主轴电机 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机 伺服电机

  4. 伺服驱动系统(Servo System) CNC系统 控制信号 驱动电机 光栅尺 反馈信号 检测装置 伺服驱动系统

  5. 一、数控机床伺服系统的定义 伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 CNC装置是数控机床的“大脑” , “指挥机构” 伺服系统是数控机床的“四肢” ,“执行机构”。 伺服系统的组成 检测装置:感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。 驱动电机:步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机

  6. 数控加工与传统加工的比较 本质区别 • 由人操作,机床进给系统能保证切削过程继续进行,不能控制执行件的位移和轨迹. • 由CNC装置按照零件程序完成零件的加工。能精确地控制执行件的速度、方向、和位置,且可使几个执行件按一定的运动规律合成轨迹。

  7. 二、数控机床伺服系统的分类 • 1、按伺服系统控制方式分 • 开环系统步进电机,无位置反馈,投资低,精度低 • 闭环系统直接测量实际位移进行反馈,精度高 • 半闭环系统间接测量位移进行反馈,精度低于闭环 2、按控制对象和使用目的不同分 • 进给伺服系统 控制各坐标轴的切削进给运动 • 主轴驱动伺服系统 控制主轴的旋转运动 • 辅助伺服系统 控制刀库、料库等辅助系统的运动,多采用建议的位置控制。

  8. 二、数控机床伺服系统的分类(续) 3、按反馈比较控制方式分 • 脉冲比较伺服系统 • 相位比较伺服系统 • 幅值比较伺服系统 • 全数字伺服系统。 4、按所用驱动元件的类型分 • 步进电动机驱动系统 • 直流伺服驱动系统 • 交流伺服驱动系统 • 直线电动机驱动系统

  9. 三、数控机床对伺服系统的要求 • 高精度 要求定位准确(定位误差持别是重复定位误差要小),跟随精度高(跟随误差小)。一般定位精度要求达到mm级,高的达0.01~0.005 mm。 • 灵敏度高,响应快提高生产率和保证加工质量,一般电机升降速过渡过程,时间在0.2s以下。另外,当负载突变时,要求速度的恢复时间短,且无振荡,这样才能得到光滑的加工表面。 • 调速范围宽保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量,一般要求调速范围 :最低转速/最高转速=1/1000~1/10000,且通常是无级调速。 • 低速大转矩一般是在低速进行重切削,所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。 • 可靠性高 对环境的适应性强,性能稳定,使用寿命长。

  10. § 5-2 检测装置 • 检测装置是伺服系统的重要组成部分。 • 作用检测位置和速度,发送反馈信号,构成闭环或半闭环, 对驱动装置进行控制。 • 要求工作可靠,抗干扰能力强 满足精度、分辨率、测量范围 使用维修方便、成本低 • 性能指标 系统精度:是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值,如±0.002~0.02mm/m,±10"/360°等。 系统分辨率:是测量元件所能正确检测的最小位移量,如目前直线位移的分辨率为0.001~0.01mm。角位移分辨率为2"。

  11. 检测装置的分类 按检测信号分:数字式、模拟式 按测量基准分:增量式、绝对式 按安装位置关系分:直接测量、间接测量 常见检测装置

  12. 一、旋转变压器 旋转变压器是一种角度测量装置。 1.旋转变压器的结构 在结构上和两相绕线式异步电动机相似,由定子和转于组成。 • 定子绕组为变压器的一次绕组 • 转子绕组为变压器的二次绕组。 • 根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分 • 有刷式 • 无删式

  13. 旋转变压器的内部结构图

  14. 2.旋转变压器 的工作原理 根据互感原理工作的,定子绕组加上励磁电压,通过电磁耦合,转子绕组产生感应电功势。 输出感应电功势大小与转子位置有关,就是通过测量被测轴的转速来间接测量工作台的位移。

  15. 3.旋转变压器的应用 • 特点 结构简单,动作灵敏,对环境无特殊要求,维护方便.输出信号幅度大,抗干扰能力强,工作可靠,广泛应用于数控机床上。 • 应用 实际使用中采用的是正余弦旋转变压器,其定子和转子均由两组匝数相等、互相 垂直的绕组构成。

  16. 二、感应同步器 感应同步器是旋转变压器演变而来,也是一种电磁感应式的位移检测装置。 • 感应同步器的结构 • 圆型感应同步器 由定子和转子组成,用 于测量角位移 • 直线型感应同步器 由定子和转子组成,用 于测量直线位移

  17. 2. 直线感应同 步器的结构 利用两个平面形印刷绕组,其间保持均匀气隙约为(0.25±0.05)mm 作相对平行移动,根据交变磁场和互感原理而工作的。

  18. L1 W1 a1 片宽a2 W2 间隔b2 1 2 1' b1 2' 定尺为连续绕组,节距W2=2(a2+b2),其中a2为导电片宽,b2为片间间隙,定尺节距即为检测周期W,常取W=2mm。 滑尺为分段绕组,分为正弦和余弦绕组两部分, 两绕组的节距都为W1=2(a1+b1),其中a1为导电片宽,b1为片间间隙,一般取W1=W2或W1=W2/3。

  19. τ/2 定尺 E i2 滑尺 i1 余弦绕组 正弦绕组 Vs Vc 3. 直线感应同步器的工作原理 根据交变磁场和互感原理而工作的。 滑尺上有正弦和余弦励磁绕组,在空间位置上相差1/4节距,定尺和滑尺绕组的节距相同。若滑尺绕组加励磁电压,则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压,其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。

  20. W 可以看出:滑尺在移动一个节距的过程中,感应电势变化了一个周期。 若励磁电压u=Umsinωt,那么在定尺绕组产生的感应电势e为 e=kUmcosθcos ωt

  21. 若励磁电压 u=Umsinωt 则定尺绕组产生的感应电势e e=kUmcosθcos ωt 式中 Um—励磁电压幅值(V); ω—励磁电压角频率(rad/s); k—比例常数,其值与绕组间 最大互感系数有关; θ—滑尺相对定尺在空间的相 位角。 在一个节距W内,位移x与θ的关系应为 θ=2πx/W 感应同步器就是利用感应电势的变化,来检测在一个节距W内的位移量,为绝对式测量。

  22. 3. 感应同步器输出信号的处理方式 常用的有鉴相方式和鉴幅方式 滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差90°的交流电压,即 us=Umsinωt uc=Umcosωt us和uc单独励磁,在定尺绕组上感应电势分别为 es=kUmcosθcosωt ec=-kUmcos(θ+ π/2)sinωt =kUmsinθsinωt (1)鉴相方式 根据感应输出电压的相位来检测位移量

  23. 根据叠加原理,定尺绕组上总输出感应电势e为根据叠加原理,定尺绕组上总输出感应电势e为 e=es+ec =kUmcosθcosωt+kUmsinθsinωt =kUmcos(ωt-θ) =kUmcos(ωt- 2πx/W) 根据上式,通过鉴别定尺输出的感应电势的相位,即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。 感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。 例:感应电势与励磁电压相位差θ=1.8°,节距W=2mm, 由θ= 2πx/W=0.01mm

  24. (2)鉴幅方式 根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。 滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位,但不同幅值,即 us=Umsinθdsinωt uc=Umcosθdsinωt 式中θd—励磁电压的给定相位角 分别励磁时,在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为 es=kUmsinθdcosθcosωt ec=kUmcosθdcos(θ+π/2)cosωt =-kUm cosθd sinθcosωt

  25. 根据叠加原理,定尺上输出总感应电势为 e=es + ec =k Um (sinθd cosθ-cosθd sinθ) cosωt =k Um sin(θd-θ) cosωt =k Um sin(θd- 2πx /W) cosωt 设初始状态θd=θ,则e=0。当滑尺相对定尺有一位移,使θ变为θ+Δθ,则感应电势增量为 Δe≈k UmΔx cosωt 式中Δθ= 2π Δx / W 由此可知,在Δx较小的情况下,Δe与Δx成正比,也就是鉴别Δe幅值,即可测Δx大小。当Δx较大时,通过改变θd,使θd=θ,使Δe=0,根据θd可以确定θ,从而确定位移量Δx。

  26. 4.感应同步器的特点 • 精度高输出的电压是许多对极感应电压的平均值 • 适用性强电磁感应,不怕油污和灰尘,不易受干扰 • 可用于长距离测量 可多根定尺接长 • 使用寿命长,维护简单 • 工艺性好,成本低 应用广泛

  27. 透射光栅 反射光栅 物理光栅 计量光栅 圆光栅 直线光栅 三、光栅 光栅属于光学元件,是一种高精度的位移传感器。 1. 光栅的种类 主要介绍一下直线计量透射光栅。

  28. 透射光栅 光栅检测装置的结构

  29. 0 1 1,1 0,0 0,1 1,0 反射光栅

  30. 2. 直线透射光栅 (1)组成 光栅检测装置基本结构示意图

  31. (2) 直线透射光栅的工作原理 由于挡光效应和光的衍射,在与线纹几乎垂直方向上,会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹,称为“莫尔条纹” 。

  32. q = w B / 2sin 2 w 由于θ很小,因此 µ B q • 莫尔条纹的特点 • 放大作用 莫尔条纹纹距B与光栅节距w和倾角θ之间的关系: 光栅横向移动一个节距w,莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B,用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。 例:当w = 0.01mm, θ= 0.01 red, 则 B = 1mm,将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。

  33. 2B B q = w B / 2sin 2 光栅尺横向莫尔条纹及其参数

  34. 莫尔条纹 移动方向 θ角的旋 转方向 光栅移 动方向 莫尔条纹的特点(续): • 均化误差作用 • 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的,栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著。 • 根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系

  35. (3) 辨向 为了辨别运动方向,需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件,使输出电信号彼此在相位上差90°,若以其中的一个作为参考信号,则另一个信号将超前或滞后参考信号90°,由此来确定运动方向。 (4) 倍频 倍频又称为细分,倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内,等距离安装的感光元件的数目,从而在一个周期内产生若干个脉冲,达到细分的目的。 提高倍频数可以提高光栅的最小读数值,提高分辨率,精密机床的测量常采用高倍频。 例:栅距w = 0.01mm,十倍频后,最小读数值1mm.

  36. 四倍频电路

  37. (5)特点 • 优点: 1)精度高 测直线:精度 0.5-3mm,分辨率0.1mm 2)易实现动态测量和自动化测量 3)较强的抗干扰能力 • 缺点: 1)对环境要求高,怕振动,怕油污 2)高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床,数显机床中也应用较多。

  38. 四、编码器 • 一种旋转式的检测角位移的传感器。 • 将角位移用数字(脉冲)形式表示,故 又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的 位置检测,也常用它作为速度检测元件。 • 1、编码器分类 • 按码盘信号的读取方式可分为:光电式、接触式和电磁式 以光电式的精度和可靠性最好,NC机床常用光电式编码器 • 按测量坐标系又可分为:增量式和绝对式 • 按每转发出的脉冲数分为:高分辨率 20000-30000p/r 普通分辨率 2000-3000p/r

  39. 2. 增量式光电脉冲编码器 (1)组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。

  40. 光电编码器在旋转工作台上的安装

  41. (2) 工作原理 光电盘按装在被测轴上,随主轴一起转动。光电盘转动时,光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号,经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号,通过计算脉冲的数目,即可测出工作轴的转角,并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率,即可测出工作轴的转速。

  42. A相 A相 A相 A相 B相 B相 B相 B相 90° 90° 90° 90° (3)脉冲编码器的辨向 光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90°),通过整形,成为两相方波信号。根据先后顺序,即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相,对应电动机正转;若B相超前A相,对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲,可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。

  43. (4)提高光电脉冲编码器分辨率的方法 • 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度,实际上是使光电盘的 狭缝变成了圆光栅线纹。 • 增加光电盘的发信码道,使盘上不仅只有一圈透光狭缝, 而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道),光电盘 回转一周发出的脉冲信号数增多,使分辨率提高。

  44. 3. 绝对式光电脉冲编码器 (1)结构 绝对式脉冲编码器结构与增量式相似,就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码,称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案)来表示轴的位置。

  45. 码盘的种类 按码制不同分二进制码、格雷码(循环码)、十进制码、六十进制码等,最常用的是二进制循环码盘。 纯二进制码有一个缺点:相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同,当数码切换时有多个数位要进行切换,增大了误读的机率。 而格雷码则不同,相邻两个二进制数码只有一个数位不同,因此两数切换时只在一位进行,提高了读数的可靠性。

  46. (3)工作原理 光源经过柱面镜,变成一束平行光照射在码盘上,通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上,光电元件的排列与码道一一对应,亮区输出为“1”,暗区输出为“0”,再经信息处理电路,进行放大、整形、锁存与译码,输出自然二进制代码,从而实现了角度的绝对值测量。

  47. (4)应用 • 在实际应用过程中,用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时,当编码器旋转超过一周时,读出准确数值的解决方法: • 在旋转轴上安装多个码盘,其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数N,而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数θ。之后将两个码盘所检测的进行(N×360°+θ)的叠加。 • 在软件设计时,设置一个专门的计数器,并规定码盘上的一个专门的代码为“零”代码,当码盘转过“零”代码时,计数器的值就被自动加一,这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。

  48. 开环伺服系统 ☆ 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件; ☆ 没有位置反馈回路和速度反馈回路; ☆ 设备投资低,调试维修方便,但精度差,高速扭矩小; ☆ 用于中、低档数控机床及普通机床改造。 

  49. 闭环伺服系统 ☆闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上; ☆检测装置构成闭环位置控制。 ☆闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。

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