数控机床的伺服驱动系统学习教案

会计学1数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动(q dn)系统系统第一页，共59页2第1页/共59页第二页，共59页3第2页/共59页第三页，共59页4发来的运动命令，精确控制执行发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位部件的运动方向，进给速度与位移量第3页/共59页第四页，共59页5第4页/共59页第五页，共59页6伺服系统（伺服系统（Servo System)CNC系统系统(xtng)驱动驱动(q dn)电机电机检测检测(jin c)装置装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺第5页/共59页第六页，共59页7第6页/共59页第七页，共59页8第7页/共59页第八页，共59页9第8页/共59页第九页，共59页10自行停转第9页/共59页第十页，共59页11测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制 ,对驱动装置进行控制常用的检测装置有：感应同步器、旋转变压器、光栅(gungshn)、脉冲编码器等第10页/共59页第十一页，共59页12进给驱动进给驱动(q dn)(q dn)系统系统l用途用途(yngt)(yngt)和功能和功能主轴主轴(zhzhu)(zhzhu)驱动系统驱动系统电液伺服系统电液伺服系统l驱动元件驱动元件的类型的类型直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统电气驱动系统电气驱动系统交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统开环系统开环系统l控制原理控制原理半闭环系统半闭环系统闭环系统闭环系统伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。

步进电机伺服驱动系统步进电机伺服驱动系统第11页/共59页第十二页，共59页13主要(zhyo)内容开环控制开环控制(kngzh) (Open-Loop Servo-Drive)电机电机(dinj)机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补插补指令指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算 脉冲环形脉冲环形分配变换分配变换功率功率放大放大p按控制原理分类按控制原理分类采用步进电机作为驱动元件；采用步进电机作为驱动元件；无位置反馈，其精度主要取无位置反馈，其精度主要取 决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度 ；结构简单、结构简单、调试维修方便，调试维修方便，工作稳定、工作稳定、设备投资低，设备投资低，一般用于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的经济一般用于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的经济型数控机床型数控机床第12页/共59页第十三页，共59页14步进电机步进电机(dinj)步进电机步进电机(dinj)第13页/共59页第十四页，共59页15半闭环控制半闭环控制 (Half-Closed-Loop Servo-Drive)速度速度(sd)(sd)控制控制电路电路(dinl)(dinl)工作台工作台伺服电机伺服电机位置位置(wi zhi)(wi zhi)比较比较电路电路指令脉冲指令脉冲速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈检测元件检测元件半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用伺常用伺服电机服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。

测运动部件的实际位置p按控制原理分类按控制原理分类第14页/共59页第十五页，共59页16精度也较高，因而在现代精度也较高，因而在现代CNC机床中得机床中得到了广泛应用到了广泛应用第15页/共59页第十六页，共59页17交流交流(jioli)伺服电机伺服电机第16页/共59页第十七页，共59页18主要(zhyo)内容闭环控制闭环控制 (Closed-Loop Servo-Drive )位置反馈位置反馈速度控制速度控制电路电路工作台工作台伺服电机伺服电机位置比较位置比较电路电路指令脉冲指令脉冲速度反馈速度反馈p按控制原理按控制原理(yunl)(yunl)分类分类第17页/共59页第十八页，共59页19该系统主要用于精度要求很高的镗该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等大型的数控机床等闭环控制闭环控制 (Closed-Loop Servo-Drive )第18页/共59页第十九页，共59页20光栅尺光栅尺光栅尺光栅尺第19页/共59页第二十页，共59页21p 按驱动电机按驱动电机(dinj)(dinj)的的类型分：类型分：第20页/共59页第二十一页，共59页。

22p 按驱动按驱动(q dn)(q dn)电机的电机的类型分：类型分：第21页/共59页第二十二页，共59页23p 按驱动电机按驱动电机(dinj)(dinj)的的类型分：类型分：第22页/共59页第二十三页，共59页24p 按驱动按驱动(q dn)(q dn)电电机的类型分：机的类型分：直线(zhxin)电机第23页/共59页第二十四页，共59页251. 精度要高精度要高2. 数控机床伺服系统的精度是指机床工作的实际位数控机床伺服系统的精度是指机床工作的实际位置复现插补器指令信号的精确程度置复现插补器指令信号的精确程度 3. 静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小高档数控机床微米级差和重复定位误差要小高档数控机床微米级 ，超精密超精密(jngm)机床亚微米级机床亚微米级 （以保证尺寸精（以保证尺寸精度）度）4. 动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示 （以保证轮廓精度）（以保证轮廓精度） 5. 灵敏度要高：有足够高的分辩率灵敏度要高：有足够高的分辩率第24页/共59页第二十五页，共59页。

262. 工作稳定性好工作稳定性好工作稳定性是指伺服系统在突变指令信号或外工作稳定性是指伺服系统在突变指令信号或外界干扰的作用下，能够界干扰的作用下，能够(nnggu)快速的达到新快速的达到新平衡状态或恢复原有平衡状态的能力平衡状态或恢复原有平衡状态的能力 工作稳定性越好，机床运动平稳性越高，工作稳定性越好，机床运动平稳性越高，工件的加工质量就越好工件的加工质量就越好 速度稳定性：指输出速度的波动要少，尤其速度稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要是在低速时的平稳性显得特别重要 较强的抗干扰能力是获得均匀进给速度的重要较强的抗干扰能力是获得均匀进给速度的重要保证 第25页/共59页第二十六页，共59页27加工过程中，进给伺服驱动系加工过程中，进给伺服驱动系统跟踪指令信号的速度要快，统跟踪指令信号的速度要快，过渡时间要短，且无超调，这过渡时间要短，且无超调，这样跟随误差才小否则对机械样跟随误差才小否则对机械(jxi)部件不利，有害于加工质部件不利，有害于加工质量过渡过程一般应在几十毫秒以过渡过程一般应在几十毫秒以内 t F tp3.响应速度快，无超调响应速度快，无超调 快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标(zhbio)，它反映了系统对插补指令的跟踪精度。

它反映了系统对插补指令的跟踪精度第26页/共59页第二十七页，共59页284. 4. 调速范围要宽调速范围要宽 调速范围是指电机在额定负载时所能提供的最调速范围是指电机在额定负载时所能提供的最高转速和最低转速之比为保证在任何切削条件高转速和最低转速之比为保证在任何切削条件(tiojin)(tiojin)下都能获得最佳的切削速度，要求进给下都能获得最佳的切削速度，要求进给伺服驱动系统必须提供较大的调速范围，一般调速伺服驱动系统必须提供较大的调速范围，一般调速范围应达到范围应达到1 120002000现有的高性能进给伺服系统已现有的高性能进给伺服系统已具备无级调速，且调速范围在具备无级调速，且调速范围在1 11000010000以上 第27页/共59页第二十八页，共59页295. 低速转矩要大低速转矩要大 在切削加工中，粗加工一般要求低进给速度、大在切削加工中，粗加工一般要求低进给速度、大切削量，为此，要求进给伺服驱动系统在低速进给切削量，为此，要求进给伺服驱动系统在低速进给时输出足够大的转矩，提供良好时输出足够大的转矩，提供良好(lingho)的切削的切削能力6. 能可逆运行和频繁灵活启停。

能可逆运行和频繁灵活启停7. 可靠性高可靠性高第28页/共59页第二十九页，共59页30n3角度分度控制n有两种类型：n一是固定的等分角度控制；n二是连续的任意角度控制称为“C”轴控制）第29页/共59页第三十页，共59页31p步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移(wiy)或线位移或线位移(wiy)的控制电动机的控制电动机 步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动 对步进电机施加一个对步进电机施加一个(y )(y )电脉冲信号时，步进电机就旋转一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个(y )(y )固固定的角度，称为一步每一步所转过的角度叫做步距角定的角度，称为一步每一步所转过的角度叫做步距角例：步进电机每转例：步进电机每转400步，即步，即步距角步距角为：为： 9 . 0400360若丝杠的导程为若丝杠的导程为1010mm，齿轮传动比是，齿轮传动比是1，系统的脉冲当量系统的脉冲当量为：为：)(025. 01013609 . 0360mmti第30页/共59页第三十一页，共59页。

32l步进电机的角位移量和输入的电脉冲数成正比步进电机的角位移量和输入的电脉冲数成正比l步进电机的转速与输入的电脉冲信号的频率成正比步进电机的转速与输入的电脉冲信号的频率成正比l步进电机的转动方向与步进电机的工作方式步进电机的转动方向与步进电机的工作方式( (通电顺序通电顺序) )有有关l只需要控制只需要控制(kngzh)(kngzh)输入脉冲的数量、频率及电机绕组通输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转动方向电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转动方向l 在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态第31页/共59页第三十二页，共59页33n了低速振动n应用：要求一般的开环伺服驱动系统(xtng)，如经济型数控机床的进给驱动第32页/共59页第三十三页，共59页34步进电机的步距角大小与那些因素步进电机的步距角大小与那些因素(yn s)有关？有关？l定子定子(dngz)励磁绕组相数、通电方式励磁绕组相数、通电方式 和和 转子的齿转子的齿数。

数l计算公式为：计算公式为：m定子励磁绕组相数定子励磁绕组相数Z转子齿数转子齿数K通电方式通电方式，若连续两次通电相数相同为若连续两次通电相数相同为1，若不同则为，若不同则为2m相m拍，k1；m相2m拍，k2 p步距角越小所达到的位置精度越高步距角越小所达到的位置精度越高实际使用的步进电机实际使用的步进电机转子齿数很多转子齿数很多k=拍数拍数p/相数相数m3 6 0m z ka=第33页/共59页第三十四页，共59页35360mzka=3603601.53402mzka鞍=创第34页/共59页第三十五页，共59页36步进电机步进电机(dinj)转速计算：转速计算：式中，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输入式中，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输入(shr)的脉冲频率成正比的脉冲频率成正比603606fnfaa=鞍式中：式中： n转速（转速（r/min); f脉冲频率，即每秒输入步进电脉冲频率，即每秒输入步进电机机(dinj)的脉冲数；的脉冲数； 用度数表示的步距角用度数表示的步距角第35页/共59页第三十六页，共59页37n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；n步距角与定子绕阻相数 m、转子齿数 z、通电方式k有关：360mzka=第36页/共59页第三十七页，共59页。

38加减速特性(txng)；第37页/共59页第三十八页，共59页39如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式(fngsh)：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB 第38页/共59页第三十九页，共59页40永磁反应式步进电机(dinj)的定子结构与反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行这样可提高电机(dinj)的输出转矩，减少定子绕组的电流第39页/共59页第四十页，共59页41负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台功率步进电机(dinj)输出力矩在550Nm以上，能直接驱动工作台第40页/共59页第四十一页，共59页42第41页/共59页第四十二页，共59页436.3 6.3 直流伺服电动机及其速度直流伺服电动机及其速度(sd)(sd)控控制制一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 伺服电动机是指能够伺服电动机是指能够精密精密(jngm)地控制其位地控制其位置的一种电动机直流伺置的一种电动机直流伺服电动机是伺服电动机的服电动机是伺服电动机的一种1. 直流伺服电动机分类直流伺服电动机分类(fn li)及结构特点及结构特点 永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。

后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机第42页/共59页第四十三页，共59页44特点特点 小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机: 惯量小，响应速度快，惯量小，响应速度快， 但过载但过载(guzi)能力低 永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机:转矩大，惯量大，稳定性转矩大，惯量大，稳定性 好，调速范围宽好，调速范围宽但有电刷，限制速度的提高（但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）第43页/共59页第四十四页，共59页456.4 交流伺服电动机及其速度交流伺服电动机及其速度(sd)控制控制 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造困难，成本高服电动机结构复杂、制造困难，成本高 自自20世纪世纪80年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速的交流伺服系统得到迅速(xn s)发展，有逐渐代替直流伺服电发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。

机的趋势第44页/共59页第四十五页，共59页46一、交流一、交流(jioli)伺服电动机伺服电动机二、永磁同步二、永磁同步(tngb)交流伺服电动机的结构交流伺服电动机的结构三、永磁同步三、永磁同步(tngb)交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理四、同步交流伺服电动机的变频调速四、同步交流伺服电动机的变频调速第45页/共59页第四十六页，共59页47一、交流伺服电动机一、交流伺服电动机交流伺服电动机分类交流伺服电动机分类异步型异步型同步型同步型 同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式 数控机床进给伺服系统中多采用数控机床进给伺服系统中多采用(ciyng)永磁同步永磁同步交流伺服电动机交流伺服电动机2. 永磁同步交流伺服电动机的特点：永磁同步交流伺服电动机的特点：结构简单，运行可靠，效率较高结构简单，运行可靠，效率较高调速方便调速方便 由于它的转速与所接电源频率之间存在一种由于它的转速与所接电源频率之间存在一种严格关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并严格关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并且可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。

且可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围缺点缺点 体积较大，起动较困难体积较大，起动较困难第46页/共59页第四十七页，共59页48二、永磁同步二、永磁同步(tngb)交流伺服电动机的结构交流伺服电动机的结构 组成：定子、转子和检测元件 定子具有(jyu)齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热 转子由多块永久磁铁和冲片组成这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多第47页/共59页第四十八页，共59页49三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理 定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个(y )旋转磁场，以同步转速旋转磁场，以同步转速ns旋转定子旋转磁场与转子的永旋转定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转使转子也以久磁铁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转使转子也以同步转速同步转速ns旋转 当转子加上负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转当转子加上负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，其夹角为子磁极轴线不重合，其夹角为若负载发生变化，若负载发生变化，角也角也跟着变化，但只要不超过一定的限度，转子始跟着变化，但只要不超过一定的限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速速ns旋转。

转子转速为旋转转子转速为 nns60f/p (r/min)式中式中 f电源的频率电源的频率 p磁极对数磁极对数第48页/共59页第四十九页，共59页50四、同步交流伺服电动机的变频调速四、同步交流伺服电动机的变频调速1. 调速原理分析调速原理分析 根据永磁同步交流伺服电动机转子转速公式根据永磁同步交流伺服电动机转子转速公式 nns60f/p (r/min) 可以通过改变电动机电源频率可以通过改变电动机电源频率(pnl) f 来调节电动机来调节电动机的转速 此法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的此法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求变频调速的关键是设计能为电动机提供变频电源的要求变频调速的关键是设计能为电动机提供变频电源的变频器2. 变频器变频器 交交交变频器交变频器 直接将固定频率的交流电变换为另一种直接将固定频率的交流电变换为另一种(y zhn)频率的交流电频率的交流电 交交直直交变频器交变频器 先将电网交流电通过整流变为直流先将电网交流电通过整流变为直流，再经过电容或电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆，再经过电容或电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆变器逆变器输出的是电压和频率可调的交流电。

变器逆变器输出的是电压和频率可调的交流电第49页/共59页第五十页，共59页51机转化而来(r li)的1)直线电机的结构可以认为直线电机是将旋转电机沿其轴向剖开，然后将其定子和转子展开，变成如图所示的由定子和动子组成的直线电机第50页/共59页第五十一页，共59页52第51页/共59页第五十二页，共59页536.5 主轴主轴(zhzhu)驱动驱动 数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动通常为旋转运动通常为旋转运动主轴驱动的主要要求：主轴驱动的主要要求： 输出功率大输出功率大 2.2250kw，结构上不能采用永磁式，结构上不能采用永磁式 宽的调速范围宽的调速范围 1：1001000恒转矩，恒转矩，1：10恒功率调速恒功率调速 主轴既能正转、又能反转，且能快速制动主轴既能正转、又能反转，且能快速制动 特殊要求特殊要求 如：加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同如：加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；为了保证端面加工的光洁度，要求主轴驱动系统具步控制；为了保证端面加工的光洁度，要求主轴驱动系统具有恒线速切削控制；在加工中心上，由于自动换刀的需要有恒线速切削控制；在加工中心上，由于自动换刀的需要(xyo)，要求主抽驱动系统具有高精度的停位控制；有的，要求主抽驱动系统具有高精度的停位控制；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度控制功能等。

数控机床还要求主轴驱动系统具有角度控制功能等第52页/共59页第五十三页，共59页54分类分类 直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统 早期的数控机床多采用早期的数控机床多采用(ciyng)直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统 交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统 自自20世纪世纪70年代末年代末80年代初，在数控机床主轴驱动中开始采用年代初，在数控机床主轴驱动中开始采用(ciyng)交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统 现代数控机床多采用现代数控机床多采用(ciyng)交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统第53页/共59页第五十四页，共59页552. 特性特性(txng)曲线曲线基本速度以下：基本速度以下： 恒转矩范恒转矩范围，用改变转子绕组电压调围，用改变转子绕组电压调速基本速度以上：基本速度以上： 恒功率范恒功率范围，用控制定子激磁来调速围，用控制定子激磁来调速第54页/共59页第五十五页，共59页563. 速度控制速度控制 （直他激流伺服电动机）（直他激流伺服电动机） 定子磁动势：由励磁电流定子磁动势：由励磁电流(dinli)产生产生 转子反应磁动势：由转子绕组电流转子反应磁动势：由转子绕组电流(dinli)产生产生 电磁转矩：电磁转矩：eTaTCI 恒转矩调速：恒转矩调速： 用改变转子绕组电压用改变转子绕组电压(diny)调速。

调速 恒功率调速：恒功率调速： 用控制定子激磁来调速用控制定子激磁来调速第55页/共59页第五十六页，共59页57数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中第56页/共59页第五十七页，共59页58第57页/共59页第五十八页，共59页59spfn1601第58页/共59页第五十九页，共59页。