机床伺服系统分析设计.doc

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1、机床伺服系统分析设计数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。它是计算机、数控装置和机床的联系环节。伺服驱动系统作为一种实现刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床精度和速度等技术指标。改造之前，应通过原始资料了解机床出厂时的最基本状况，其中电气原理图、电气维修手册、控制程序，作为主要研究对象。但是有时候原始资料提供的信息不是完全正确的。国外机床厂提供的是系列型号的通用图纸，机床出厂前的电气硬件改动没有在电气资料上体

2、现。通过对照机床实物，把关键环节的每个细节一一落实，避免在改造失败。6.1伺服系统的基本组成与分类6.1.1伺服系统的基本组成数控机床伺服驱动系统一般由驱动控制单元、驱动单元、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行件所需要的信号形式。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，执行元件则将驱动控制单元转化的信号转化为相应的机械位移。检测元件与反馈电路组成检测装置，亦称检测系统[21]。6.1.2伺服系统的分类数控机床的伺服

3、驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统，闭环伺服系统根据反馈信号的检测和比较方式常用的有幅值比较方式和相位比较方式。按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统，电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。6.2进给轴及主轴的控制流程设计本机床的数控轴有X、Z及主轴。1、X、Z轴采用闭环控制流程，如图6.1所示。采用计量光栅尺为测量装置，直接测量工作台的直线位移。由工作台直接带动光栅尺移动的同时，与装在

4、机床床身上的定尺配合，测量出工作台的实际位移值。图6.1闭环控制结构原理图光栅检测系统的精度主要取决于光栅尺本体的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差。2、主轴采用半闭环控制，检测装置为脉冲编码器，输出的脉冲数为1024ppr。主轴为旋转轴，输出速度范围5～1120rpm时处于恒功率调速。主轴有定向控制要求，定向精度为±0.001°，由主轴脉冲编码器的零信号的精度保证。6.3伺服控制系统电气设计及其控制模块6.3.1伺服控制系统电气设计机床伺服系统是以工作台、滚刀等的位置和速度作为控制量的自动控制系统

5、。在数控机床中，伺服系统来接受自控制系统中的插补器（或计算机插补软件）的进给脉冲，经变换放大将其转给为机床工作台的位移。伺服系统的性能将直接影响到机床移动件对控制指令的执行情况，从而影响整机性能。伺服系统的价格又是随其性能的优劣而增减的，结合实际情况和要求，选择合适、经济的伺服系统。综合考虑数控系统及机床加工能力要求，选用了西门子611-A伺服系统控制器。611-A是一种交流数字变频调速伺服控制器。采用模块式结构分单轴驱动模块和双轴驱动模块。611-A伺服系统是数控机床专用模块。电源模块为每个轴控制模块提

6、供直流母线电压，并监控各控制模块的运行。控制模块则根据NCU的指令驱动各轴电机以某一速度运行或停止。电气控制工作原理方框图如图6.2所示。图6.2电气控制工作原理方框图6.3.2伺服电动机的速度控制由电机学原理可知，交流电机的同步转速为：由此可得异步电动机的转速为：式中f1---定子供电频率(Hz)；P---电机定子绕组磁极对数；S---转差率。由上式可见，要改变电机转速可采用以下几种方法。(1)改变磁极对数P，这是一种有级的调速方法。它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数调速的。(2)改变转差率S调

7、速，这实际上是对异步电动机转差功率的处理而获得的调速方法。常用的是降低定子电压调速、电磁转差离合器调速、线绕式异步电动机转子串电阻调速或串级调速等。(3)变频调速，变频调速是平滑改变定子供电电压频率f1而使转速平滑变化的调速方法。这是交流电机的一种理想调速方法。电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速效率和功率因数都很高。在此伺服电机的速度控制是由变频器611-A来实现的。6.4硬件位置伺服系统的设计数字式闭环位置伺服控制技术的发展，可以说都源于图6.3所示的全硬件位置伺服系统。这种系统可以看作是在调

8、速系统的外面套上一个位置环构成的。硬件位置环的典型结构如图6.4所示[22]。图6.3硬件位置伺服系统图6.4硬件位置环的构成硬件位置环的工作原理是：当指令装置发来位置指令脉冲序列和方向信号时，经方向判别和同步分离处理后进入偏差计数器。计数器对输入脉冲进行计数，相当于对其作累计求和运算，计数结果通过D/A，变换成模拟速度指令电压送往速度伺服单元，使电动机转动。这时，与电动机同轴连接的光电编码器立即产生出与电动机转角成比例的反馈