数控机床与编程 教学课件 作者 刘战术 3.ppt

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1、第3章数控机床伺服系统3.1数控机床伺服系统的组成及分类3.2步进伺服系统3.3直流伺服系统3.4交流伺服系统3.5数控机床的检测装置3.1数控机床伺服系统的组成及分类3.1.1数控机床伺服系统的组成3.1.2数控机床对伺服系统的要求1.高精度2.可逆运行和频繁灵活启停3.速度范围宽4.具有高的速度稳定性和足够的传动刚性5.快速晌应并无超调6.低速大转矩8.伺服系统对伺服电机的要求7.系统可靠性高，维护使用方便，成本低3.1.3数控机床伺服系统的分类1.按有无反馈分类1）开环伺服系统（见图3-2）2）闭环伺服系统（见图3-3）3）半闭环伺服系统（见图3-4）2.按使用的伺服

2、电机分类步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。步进伺服结构简单，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。1）步进伺服系统步进伺服系统的驱动装置为步进电机2）直流伺服系统直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。直流伺服系统的驱动装置为直流伺服电机缺点是：直流伺服电动机引入了机械换向装置，其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花

3、而影响生产，并对其它设备产生电磁干扰；同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度3）交流伺服系统交流伺服系统的驱动装置为交流伺服电机特点是：宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。现在，有些国家的厂家，已全部使用交流伺服系统。4）直线伺服系统直线伺服系统的驱动装置为直线电机，该伺服系统是一种有发展前途的伺服系统3.按进给驱动和主轴驱动分类1）进给伺服系统进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，是数控机床中要求最高的伺服控制，包括速度控制环和位置控制环。一般的主轴控制仅是一个速度控制系统。但具有C轴控

4、制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。2）主轴伺服系统此外，为了控制在刀库的不同位置进行选择刀具，也需要为刀库配备位置控制系统，但其位置控制与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统1）脉冲、数字比较伺服系统（见图3-5）4.按反馈比较控制方式分类2）相位比较伺服系统（见图3-6）3）幅值比较伺服系统（见图3-7）在这三种系统中，相位比较伺服系统应用没有脉冲数字比较伺服系统广泛，幅值比较伺服系统应用较少。4）全数字伺服系统其由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，软件数字PID使用灵活，柔性好。随着更多新的控制技术发展和采用，全

5、数字伺服系统的伺服性能得到了进一步的提高和完善，使得控制的精度和品质获得了极大的提高。3.2步进伺服系统3.2.1步进电动机的种类结构及其工作原理用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类:反应式步进电动机和混合式步进电动机，我们以一台三相反应式步进电动机为例来分析步进电机的工作原理，如图3-8所示电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角。上述通电方式称为三相单三拍。所谓“单”，是指每次通电时，只有一相绕组通电；所谓“三拍”，是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。显然，在这种通电方式时，三相步进电

6、动机的步距角应为30o。三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还有三相单、双六拍的通电方式。这时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，或为A-AC-C-CB-B-BA-A。这种通电方式下，三相步进电动机的步距角应15o。在实际使用中，通常将采用“双三拍”通电方式，很少采用单三拍通电方式。在数控机床中通常采用的是小步距角的步进电动机。图3-9所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机。它的定子上有6个极，上面装有绕组，并接成A、B、C三相，并且每段极弧上各设有5个齿。转子上均匀分布着40个齿，定子转子的齿宽和齿距都相同。故转子每个齿的齿距应为360。/40=

7、9。；而每个定子磁极的极距为360。/6=60°，所以每一个极距所占的齿距数不是整数。图3-10所示为步进电动机的展开图。当A极下的定、转子齿对齐时，B极和C极下的齿就分别和转子齿错开三分之一的转子齿距。当控制绕组按A-B-C-A顺序循环通电时，若断开A相绕组而接通B相绕组，转子按顺时针方向转过3°，从而使定子B极下的齿和转子齿对齐。若按A--AB-B-BC-C-CA-A顺序循环通电，每一脉冲仅转动1.5°3.2.2步进电机的特性及选用1.静特性矩角特性和最大静转矩当步进电动机某相通以直流电流时，如果在电动机轴上加