数控机床伺服系统研究

《数控机床伺服系统研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、数控机床伺服系统研究　　摘要：数控机床是典型的机电一体化系统，随着数控技术的迅速发展，数控机床的普及日渐成为机械行业的潮流。这对数控机床制造行业在研发、生产、维护等方面如何提高效率、提高质量提出了越来越高的要求。本文着重研究了数控机床伺服系统中的伺服电机和控制方式，对机床伺服系统的建立有着重要的意义。　　关键词：数控机床；伺服电动机；半闭环伺服系统　　1.伺服电动机　　伺服电动机的特性可以分为两个区域：连续工作区和断续工作区。两区的交界线为连续工作时输出转矩的上限，在连续工作区中，额定转矩随转速的升高而略有下降，但变化

2、不大，基本上是恒转矩输出。断续工作区的上限是这种电机的最大输出转矩，用于执行部件的快移。这时工作时间很短，而且最大转矩仅发生于启动的瞬间。用以克服惯性。电动机虽发热较多，但工作时间短，故仍能保证温度不致过高。　　中、小型数控机床的进给伺服电动机根据下述三个指标选择。　　（1）最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩。折算电动机轴的最大切削负载转矩T为：　　式中Fmax为丝杠上的最大轴向载荷，等于进给力加摩擦力；Ph为丝杠导程；η5为滚珠丝杠的机械效率；TP0为因滚珠丝杠螺母预加载荷引起的附加摩擦力矩；TF0滚珠丝杠轴承

3、的摩擦力矩；U伺服电机至丝杠的传动比。　　（2）电动机的转子惯量JM应与负载惯量JL相匹配。通常，JM应不小于JL。但也不是越大越好。因JM越大，总惯量J也就越大。为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏，将不得不采用过大的伺服电动机和伺服控制系统。重型机床的负载惯量JL很大，如果伺服电动机与丝杠直联，以上条件很难满足。常用的办法是电动机通过降速后传动丝杠。　　负载惯量JL按动能守恒定理折算：　　JK为各旋转件的转动惯量；wk为各旋转件的角速度；mi为各直线运动件的质量；vj各直线运动件的速度；　　w为伺服电动机的角速度；

4、　　（3）快移时，转矩不得超过伺服电动机最大转矩。当执行部件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快移）速度时，所需的转矩最大。所需转矩Ta为：　　式中：nmax为电动机在执行部件快移时的转速；tac为加速时间；在阶跃指令下，电动机转速按指数曲线上升。经过电动机的机械时间常数tm，电动机的转速可达到要求转速的63.2%；经过2tm，达86.5%；经过3tm达95%；经过4tm达98.2%。因此，通常认为加速时间tac为电动机机械时间常数tm的3～4倍。伺服电动机的功率是区分电动机大小的公称值，并不按此选择。这是与主电机不同。

5、　　2.伺服系统5　　数控机床多坐标联动加工直线和曲线时，是把曲线分成许多小段，一段一段地加工的。每个小段的长短取决于曲线的形状、进给速度和插补时间。在一段插补时间内，计算机完成一次插补运算，给出各坐标下一段运动的数字量。显然，插补时间应等于或小于完成一小段加工所用的时间。插补时间与计算机的时钟频率与字长有关，通常在2～20ms范围内。计算机的时钟频率越高，插补时间就越短，曲线上被分割的小段就越短，精度也越高。　　计算机输出的各坐标运动的数字量-位置指令被送到各坐标的伺服系统，控制伺服电动机的转动，再经过机械传动机构拖

6、动执行部件。　　半闭环直流伺服系统的工作见图2.1。数控系统送来的位置指令值Do与反馈系统检测出的实际位置值Da在位置偏差检测器1中比较。其差值为，通过位置控制放大器2放大后成为速度指令值So。Do、Da、ΔD、So都是数字量。So经数/模（D/A）转换器3转换为与So值成正比的模拟量――速度指令电压Uc。这个电压在速度偏差检测器4内与速度反馈电压Ug相比较，其差值为速度偏差电压Ua。Ua经速度控制放大器5放大为速度电压UM，加到直流伺服电动机6上，使电动机获得一定的角速度θm，经机械传动转化为执行部件9的速度移动V，

7、交流伺服系统的工作原理与图2.1相似，只是5为逆变器。Ua控制逆变器5的输出频率为fM，使交流伺服电动机获得一定的角速度θm。　　与伺服电动机同步转动的编码器7发出反馈信号，即实际位置检测值Da，输往位置偏差检测器1。反馈信号又经频率-电压转换器8转换为角速度的模拟电压Ug，输往速度偏差检测器4。　　伺服系统是一个自动调节系统。如果执行部件的实际位置未到达程序规定的位置，则位置误差ΔD将使执行部件得到一定的速度。Δ5D越大，则速度越高。这就使执行部件总是跟随着程序规定的轨迹运动。系统的放大倍数越大，则为得到一定的速度，

8、ΔD可以越小，即精度越高。但是，ΔD不能消除，因为闭环自动控制系统是靠误差控制的。系统的放大倍数也不是越高越好。因放大倍数越大，系统的灵敏度也越高。由于惯性的存在，执行部件的实际位置有可能超过规定位置，使ΔD成为负值，影响系统的稳定性，产生振荡。　　图中，各个K是各环节的传递函数。通常，各环节的固有频率远高于工作频率，故可近似地按