1第5章數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)2

進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。3電機支承絲杠螺母伺服進給系統(tǒng)4

一、

伺服系統(tǒng)的組成

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進給伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)

主軸伺服系統(tǒng)——用于控制機床主軸的轉(zhuǎn)動。

第一節(jié)概述5進給伺服系統(tǒng)——是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。伺服驅(qū)動裝置組成伺服電機機械傳動機構(gòu)執(zhí)行部件6

進給伺服系統(tǒng)的作用：

1、接受數(shù)控裝置發(fā)出的進給速度和位移指令信號。

2、由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大。

3、經(jīng)伺服電機和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給或快速運動。

根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。7進給伺服系統(tǒng)的定義及組成.定義

進給伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)——以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。8

組成：

位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動元件(電機)；檢測與反饋單元；機械執(zhí)行部件。實際速度反饋位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-機械執(zhí)行部件CNC插補指令+-電機9二、NC機床對數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的要求1.調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性

調(diào)速范圍：

一般要求：

穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。102.輸出位置精度要高?靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)定位誤差要小。(尺寸精度)?

動態(tài)：跟隨精度，這是動態(tài)性能指標，用跟隨誤差表示。(輪廓精度)

?靈敏度要高，有足夠高的分辯率。11

負載特性要硬

?當負載變化時，輸出速度應(yīng)基本不變，即△F盡可能??；?當負載突變時，要求速度的恢復(fù)時間短且無振蕩，即△t盡可能短；?應(yīng)有足夠的過載能力。即，要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動態(tài)剛度。

tF△t△F12響應(yīng)速度快且無超調(diào)這是對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，即在無超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立時間tp

應(yīng)盡可能短。通常要求從0→Fmax（Fmax→0），其時間應(yīng)小于200ms，且不能有超調(diào)，否則對機械部件不利，有害于加工質(zhì)量。tFtp13綜上所述：?對伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面；?對高精度的數(shù)控機床，對其動態(tài)性能的要求更嚴。5.能可逆運行和頻繁靈活啟停。6.系統(tǒng)的可靠性高，維護使用方便，成本低。14第二節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)、概述

1.進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)由進給伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機及其控制和驅(qū)動裝置組成。2.驅(qū)動電機是進給系統(tǒng)的動力部件，它提供執(zhí)行部分運動所需的動力，在數(shù)控機床上常用的電機有：步進電機

直流伺服電機交流伺服電機直線電機153.速度單元是上述驅(qū)動電機及其控制和驅(qū)動裝置，通常驅(qū)動電機與速度控制單元是相互配套供應(yīng)的，其性能參數(shù)都是進行了相互匹配，這樣才能獲得高性能的系統(tǒng)指標。4.速度控制單元主要作用：接受來自位置控制單元的速度指令信號，對其進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)運算(目的是穩(wěn)速)，將其變換成電機轉(zhuǎn)速的控制量(頻率，電壓等)，再經(jīng)功率放大部件將其變換成電機的驅(qū)動電量，使驅(qū)動電機按要求運行。

即，調(diào)節(jié)、變換、功放。16進給驅(qū)動系統(tǒng)的特點（與主運動（主軸）系統(tǒng)比較）：功率相對較??；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是動態(tài)性能。17、步進電機及其驅(qū)動裝置

步進電機流行于70年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當?shù)氖袌觥Ｄ壳安竭M電機僅用于小容量、低速、精度要求不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控、打印機、繪圖機等計算機的外部設(shè)備。18步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為機械角位移的電磁機械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達。

步進電機和一般電機不同，一般電機通電后連續(xù)轉(zhuǎn)動，而步進電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步。每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角。

?步進電機19

步進電機的角位移量和輸入的脈沖數(shù)成正比。在時間上與輸入的脈沖同步。

因此，只需要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電相序，便可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。

在無脈沖輸入時，步進電機在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。?步進電機20?步進電機的分類

按運動方式分：旋轉(zhuǎn)運動、直線運動式步進電機

按工作原理分：反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式；

按結(jié)構(gòu)分：單段式（徑向式）、多段式（軸向式）

按使用場合分：功率步進電機和控制步進電機；

按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相、八相等

按使用頻率分：高頻率和低頻步進電機

不同的步進電機，其工作原理、驅(qū)動裝置也不完全一樣。2122圖6-6三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)步進電機結(jié)構(gòu)：定子轉(zhuǎn)子23?步進電機的工作原理如圖所示，三相反應(yīng)式步進電機工作原理圖。由轉(zhuǎn)子和定子組成。定子上有A、B、C三對磁極繞組，分別為A相、B相、C相。轉(zhuǎn)子是硅鋼片軟磁材料迭合成的帶齒廓形狀的鐵心。

如果在定子上的三對繞組中通直流電流，就會產(chǎn)生磁場。B相通電A相通電C相通電24BACBCABACBCABACBCA12341234逆時針回轉(zhuǎn)300逆時針回轉(zhuǎn)300當A、B、C三對磁極的繞組依次輪流通電，則A、B、C三對磁極依次產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動?！坍擜相通電時，B相和C相不通電，電機鐵心的AA軸方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子1、3齒與A相磁極對齊，2、4兩齒與B、C兩磁極相對錯開30025√當B相通電時，C相和A相斷電，電機鐵心的BB軸方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)300，2、4齒與B相磁極對齊。1、3兩齒與C、A兩磁極相對錯開300√當C相通電時，A相和B相斷電，電機鐵心的CC軸方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)300，1、3齒與C相磁極對齊。2、4兩齒與A、B兩磁極相對錯開300

若按A

B

C。。。通電相序連續(xù)通電，則步進電機就連續(xù)地沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，每換接一次相序，步進電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)動300，即步距角為300。26

若按A

C

B。。。進行，則轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。上述通電方式稱為三相單三拍通電方式。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電的意思?！獭耙慌摹薄獜囊幌嗤姄Q接到另一相通電稱為一拍?！獭叭摹薄恳慌霓D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角，這樣“三拍”是指通電換接三次后完成一個通電周期。

三相六拍通電方式——即按AABBBCCCA相序通電。（見下圖）27B相通電BC相通電C相通電AB相通電A相通電CA相通電工作原理：當A相通電，1、3齒與A相磁極對齊。當A、B兩相同時通電，因A極吸引1、3齒，B極吸引2、4齒，轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)150。隨著A相斷電，只有B相通電13A吸1、3兩齒A吸1、3兩齒B吸2、4兩齒B吸2、4兩齒B吸2、4兩齒C吸1、324C吸1、3A吸2、4C吸1、328轉(zhuǎn)子又逆時針轉(zhuǎn)150，2、4齒與B相磁極對齊，如果繼續(xù)按BCCCAA。。。相序通電，步進電機就沿著逆時針方向，以150的步距角一步一步移動。這種通電方式采用單、雙相輪流通電，在通電換接時，總有一相通電，所以工作較平穩(wěn)。實際使用的步進電機，一般都要求有較小的步距角，因為步距角越小所達到的位置精度越高。以上所述，步進電機的步距角大小不僅與通電方式有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有關(guān)。計算公式為：mzk360=

m——定子勵磁繞組相數(shù)Z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)K——通電方式，單為1，雙為229步進電機轉(zhuǎn)速計算：360

o=n

60f=6

fo式中：n——轉(zhuǎn)速（r/min);f——脈沖頻率，即每秒輸入步進電機的脈沖數(shù)；

——用度數(shù)表示的步距角。式中，當轉(zhuǎn)子的步距角一定時，步進電機的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比。30步進電機的特點：（1）步進電機的輸出轉(zhuǎn)角與脈沖頻率嚴格成正比，所以控制輸入步進電機的脈沖個數(shù)就能控制位移量。（2）步進電機的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，只要控制脈沖頻率就能調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速。（3）當停止送入脈沖時，只要維持繞組內(nèi)電流不變，電機軸可以保持在某固定位置上，不需要機械裝制裝置。（4）改變通電相序即可改變電機轉(zhuǎn)向。（5）步進電機存在齒間相鄰誤差，但不存在累積誤差31第三節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)一、開環(huán)進給伺服系統(tǒng)(Open-LoopSystem)不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)；驅(qū)動電機只能用步進電機；主要用于經(jīng)濟型數(shù)控或普通機床的數(shù)控化改造A’相、B’相C’相、…A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f和脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大步進電機32環(huán)分功能也能用軟件實現(xiàn)。步進電動機的軟件環(huán)分電路

圖5-10軟件完成的環(huán)分框圖P1.0P1.2P1.18031ABC33

以三相反應(yīng)式步進電機的環(huán)形分配器為例，說明查表法工作原理。

步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)34步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)16進制35步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)：MOVDPTR，#2A00HMOVR0，#00LOOP：MOVA，R0MOVCA，@A+DPTRMOVP1，ALCALLDELAYINCR0CJNER0，#06H，LOOPAJMP2100DB01H，03H，02H，06H，04H，05HDELAY：MOVR3，#FFDT1：MOVR4，#FFDT2：DJNZR4，DT2DJNZR3，DT1RET01H03H02H06H04H05H2A00H2A01H2A02H2A03H2A04H2A05H36.步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

要解決的主要問題：

①動力計算②傳動計算③驅(qū)動電路設(shè)計或選擇目的：傳動計算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當量

和進給速度F的要求。圖中：f—脈沖頻率（HZ

）

α—步距角（度）

Z1、Z2—傳動齒輪齒數(shù)

t—螺距(mm)

—脈沖當量（mm）步進電機Z1Z2

tf，

37

傳動比選擇：

為了湊脈沖當量

mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比

i=Z1/Z2與α、

、t之間有如下關(guān)系：

α—步距角，

－－脈沖當量，

t－－絲杠導(dǎo)程。38例1：

=0.01mm,t=6mm,α=0.75°步進電機Z1Z2

tf，

39

進給速度F：一般步進電機：若：δ=0.01mm則：若δ=0.001mm則：因此，當一定時，與δ成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應(yīng)指明是在多大的脈沖當量δ下的,否則是沒有意義的。40.提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動

精度的措施?概述

影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：步進電機的步距角精度；機械傳動部件的精度；絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；傳動件和支承件的變形。提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；采取各種精度補償措施。41

?傳動間隙補償在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機構(gòu)傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。

42?螺距誤差補償利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺距累積誤差，以提高進給位移精度。方法：首先測量出進給絲杠螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償。43例2設(shè)X-Y工作臺由步進電機直接經(jīng)絲桿螺母副驅(qū)動，絲桿螺距為5mm，步進電機步距角為150，工作方式三相六拍，工作臺最大行程為400mm，求：（1）脈沖當量；（2）微機發(fā)出的脈沖總數(shù)是多少？步進電機Z1Z2

tf，

44(2)計算脈沖數(shù)n，由

n

=L(工作臺最大行程）所以，脈沖數(shù)為：n=L/=400/0.02083=19200步解：

（1）由計算脈沖當量：360=

L0

已知，

L0=5mm，

=150求脈沖當量

=？=5/3601.5=0.02083(mm)45例3步進電機直接經(jīng)絲桿螺母驅(qū)動工作臺，步進電機步距角0.720,工作臺質(zhì)量為100kg，負載質(zhì)量為50kg，切削負載為4000N，絲桿螺距為5mm，如果步進電機從500Hz線性加速到2000Hz，加速時間為0.2S，求步進電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)距？解：（1）忽略滾珠絲扛及電機的轉(zhuǎn)動慣量，則折算到電機軸上等效轉(zhuǎn)動慣量：V=f·=500

0.01=5mm/s360=

L0=0.01mmJ=m(V

)246J=m(V

)2所以，=（100+50）

（5/2

）=95.0810-6(kg.m)22(2)求電機軸的等效轉(zhuǎn)矩：

T=F（）V

F——為切削負載4000N;V——5mm/s=4000（5/2

）=3184.7N.mm=3.184N.M(3)步進電動機的角加速度：

=d

dt=dfdt

=(

t

–

0)t2

3600.72.=2000–5000.2

2

360

0.72=94.2rad/s247所以，步進電機的啟動轉(zhuǎn)矩為：Tq

T+JT——等效轉(zhuǎn)矩；J——空載啟動時,產(chǎn)生最大加速度所需的轉(zhuǎn)矩;

——步進電動機的角加速度。所以，

Tq

T+J=3.184+95.0810-694.2=3.27N·m48例4

一臺五相步進電機，五相五拍運行時其步距角是1.50，此電動機轉(zhuǎn)子上應(yīng)有幾個齒？齒距角是多少？此電動機若按十拍運行，齒距角度是多少度？按五拍和十拍運行時，每走一步對應(yīng)的電角度是多少？解：（1）步距角：360=mKz

0Z——齒數(shù)；m——相數(shù)；K——1五拍（單拍）2十拍（雙拍）49所以，五拍運行時：360=mKz

0=1.5

0K=1m=5Z=360

0/51=48齒十拍運行時：360=5

248

0=0.75

0(2)齒距角：

c=360

48

0=7.5

0齒距角的電角度：

e=360mK

0五拍運行時：

e=36051

0=72

050十拍運行時：

e=36052

=36

0

051例5

設(shè)有一步進電機驅(qū)動的工作臺，步進電機通過減速齒輪副驅(qū)動滾珠絲桿，其參數(shù)符號如下：脈沖當量，滾珠絲桿的基本導(dǎo)程為L。步進電機的步距角為，減速齒輪比為1：i。問題：（1）試寫出、、L、i之間的關(guān)系；（2）若=0.001mm，L。=5mm;減速比為1：5，問選擇步進電機的步距角應(yīng)為多少？52360=L0

i

=36050.001/5=0.36

0

0360=

L0

0i解：（1）求脈沖當量：(2)步進電機的步距角53二、直流伺服電機及驅(qū)動

直流電機的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機中的氣隙磁場，直流電機的勵磁繞組所建立的磁場是電機的主磁場，按對勵磁繞組的勵磁方式不同，直流電機可分為：他勵式、并勵式、串勵式、復(fù)勵式、永磁式。

20世紀80~90年代中期，永磁式直流伺服電機在NC機床中廣泛采用。直流電機

5455直流伺服電機的特點

過載倍數(shù)大，時間長；

具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比，電機的加速大，響應(yīng)快。

低速轉(zhuǎn)矩大，慣量大，可與絲桿直接相聯(lián)，省去了齒輪等傳動機構(gòu)?？商岣吡藱C床的加工精度。

調(diào)速范圍大，與高性能的速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時，調(diào)速范圍超過1∶2000。56

直流伺服電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，80年代初至90年代中，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點，即：電刷和換向器易磨損，維護麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10%～70%，且可達到的轉(zhuǎn)速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調(diào)速方案來取代直流電機調(diào)速的方案。571.分類三、交流伺服電機及驅(qū)動58交流伺服電動機

交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90

的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動機結(jié)構(gòu)圖單相異步電機單相異步電動機單相異步電動的磁場單相異步電動機定子繞組為單相，轉(zhuǎn)子一般為鼠籠式。定子接入單相交流電時，在定、轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生一個交變脈動、但在空間并不旋轉(zhuǎn)的磁場，只是磁通或磁感應(yīng)強度的大小隨時間作正弦變化：所以轉(zhuǎn)子不能自行啟動，但在外力作用下卻可以轉(zhuǎn)動起來。單相異步電動機單相異步電動的磁場可分解成兩個轉(zhuǎn)速相等而方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場；脈動磁場變化一個周期，兩個旋轉(zhuǎn)磁場正好各轉(zhuǎn)一圈；旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與三相異步電動機相同。

脈動磁場的T—S曲線合成T-S曲線單相異步電動機單相異步電動的磁場n=0,S=1時，正反向轉(zhuǎn)矩大小相等，合成轉(zhuǎn)矩T=0，轉(zhuǎn)子不能自行啟動。

如外力撥動轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，則合成轉(zhuǎn)矩T為正，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)，直至穩(wěn)定運行。同理，如沿反方向撥動轉(zhuǎn)子，則電動機就反向旋轉(zhuǎn)。所以，單相異步電動機主要要解決的啟動問題。

63

調(diào)頻調(diào)壓電源的分類nr＝ns＝60f1／p

64

電壓型變頻器工作原理LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABC結(jié)論：變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)壓的關(guān)鍵是逆變器控制端獲得要求控制波形（如SPWM波）。65

控制波形的實現(xiàn)方式（電機調(diào)速的控制方式）：

相位控制

矢量變換控制

PWM控制

磁場控制

66PWM調(diào)速控制系統(tǒng)控制電路簡單，不需附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好。廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)67直流電機電壓的平均值:

T—脈沖周期，Ton—導(dǎo)通時間682.閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)?閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)方案分類和特征按系統(tǒng)的控制信號類型分：模擬型系統(tǒng)、數(shù)字型系統(tǒng)。模擬型系統(tǒng)：特征：這類系統(tǒng)全部采用模擬元件構(gòu)成；其輸入（控制）信號、輸出的位置、速度信號也是模擬量；速度和位置檢測元也是模擬式的。69優(yōu)點：抗干擾能力強，一般不會因峰值誤差導(dǎo)致致命的誤動作?？捎贸Ｒ?guī)儀器儀表（示波器，萬用表等）直接讀取信息，易于隨時把握系統(tǒng)工作的基本情況。70缺點：對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。在零點附近容易受到溫度漂移的影響，使位置控制產(chǎn)生漂移誤差。位置、速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整困難，適應(yīng)負載變化的能力較差。

模擬系統(tǒng)這種本質(zhì)缺陷，使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐漸被數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代。71

數(shù)字型系統(tǒng)：特征：這類系統(tǒng)是指至少其位置環(huán)控制與調(diào)節(jié)采用數(shù)字控制技術(shù)，即位置指令和反饋信號都不再是模擬信號改用數(shù)字信號（邏輯電平脈沖信號）的系統(tǒng)。72特點：可以通過增加數(shù)字信息的字長，來滿足要求的控制精度。對邏輯電平以下的漂移、噪聲不予響應(yīng)，零點定位精度可以得到充分保證。容易對其結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行修改（根據(jù)控制要求），且易于與計算機進行數(shù)據(jù)交換。噪聲峰值大于邏輯電平時，對數(shù)據(jù)的最高位和最低位的干擾出錯程序是相同的，這種錯誤可能導(dǎo)致系統(tǒng)致命的危害。傳送數(shù)據(jù)的數(shù)字電路要求具有很寬的頻帶。以保證脈沖上、下降沿有足夠的陡峭度。抑制干擾、防止數(shù)據(jù)出錯，是數(shù)字伺服系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。73.數(shù)字伺服系統(tǒng)的類型位置環(huán)速度環(huán)電流環(huán)74交流伺服電動機計算機控制系統(tǒng)75

全硬件伺服系統(tǒng)

全硬件伺服系統(tǒng)又稱脈沖比較伺服系統(tǒng)，其典型的組成方式如圖所示：_

NC裝置－F/V偏差計數(shù)器D/A速度控制與驅(qū)動單元A、B、Z++_++－整形.倍頻.辨向工作臺PG電壓Z76

構(gòu)成：該系統(tǒng)中，位置閉環(huán)的控制與調(diào)節(jié)運算主要由偏差計數(shù)器（一般為可逆計數(shù)器）和D/A完成。

柔性差：系統(tǒng)全由硬件構(gòu)成，使得它的各調(diào)節(jié)器參數(shù)在機電聯(lián)調(diào)整定后就固定下來了，不易改變，這對負載慣量變化不大的位置伺服系統(tǒng)（如車床刀架進給控制），可獲得滿意的控制性能。而對某些負載慣量較大的系統(tǒng)，則很難在整個范圍內(nèi)（負載慣量變化）都獲得滿意的控制效果。77

零漂將影響精度：這類系統(tǒng)依靠D/A，將位置調(diào)節(jié)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬電壓作速度指令信號。提供給速度伺服單元，因此，其零點漂移將影響定位精度。78+調(diào)節(jié)運算零漂補償硬件速度控制與驅(qū)動單元D/A軟件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍頻計數(shù)器工作臺PG電機+DAV1△SV0U0UA△D△U實際位置計算△DA指令位置計算△D0/nZ

半軟件型伺服系統(tǒng)79

位置控制的軟件現(xiàn)可以由NC裝置的CPU實現(xiàn)，也可以由位置控制板上自帶的CPU實現(xiàn)。

位置控制的調(diào)節(jié)運算部分由軟件實現(xiàn)，增加了靈活性：調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以通過進行修改、設(shè)定調(diào)節(jié)算法可以采用較復(fù)雜的算法，以提高控制性能（變結(jié)構(gòu)、變增益）可增加許多輔助功能（故障診斷、脈沖當量變換等）零點漂移可通過軟件進行補償80

由于其速度單元仍是模擬型的，全硬件型系統(tǒng)中存在的問題并未明顯解決，如它的內(nèi)環(huán)參數(shù)（速度、電流）和位置環(huán)中D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)依然是固定的。因此難以兼顧負載慣量大的變化。由于利用軟件采用一些補償措施，這就使得半軟件位置伺服系統(tǒng)的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系統(tǒng)。81

全軟件位置伺服系統(tǒng)除電流環(huán)仍為模擬結(jié)構(gòu)外，位置、速度控制均由微機通過控制軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)組成如圖所示：

NC系統(tǒng)微機位、速度控制(D/A輸出)模擬電流控制與功放整形.倍頻.辨向A、BZ工作臺PG電壓82全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)

自軟件位置伺服系統(tǒng)誕生以來，人們就一直致力于用軟件盡可能多地去取代硬件的工作，以降低成本，提高性能。隨著可直接用邏輯電平控制通斷的電子半導(dǎo)體器件——功率晶體管，功率場效應(yīng)管的商品化，以及高性能單片機的出現(xiàn)，使得全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)成為現(xiàn)實。

83

NC裝置單片微機位置速度電流控制(PWM輸出)晶體管放大器電流檢測整形、倍頻、辨向A.B工作臺PG電壓全數(shù)字、脈寬調(diào)制（PWM——pulsewidthmodulation）位置伺服系統(tǒng)84.典型閉環(huán)伺服系統(tǒng)示例以半軟件型位置伺服系統(tǒng)為例+調(diào)節(jié)運算零漂補償硬件速度控制與驅(qū)動單元D/A軟件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍頻計數(shù)器工作臺PG電機+DAV1△SV0U0UA△D△U實際位置計算△DA指令位置計算△D0/

nZ85第四節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析

前面各節(jié)我們重點討論了進給伺服系統(tǒng)的組成原理與實現(xiàn)方法，然而該系統(tǒng)要能真正實現(xiàn)預(yù)期的快速、準確及平穩(wěn)驅(qū)動的要求.

一個重要的問題是如何根據(jù)要求，進行閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計和調(diào)試。例如，開環(huán)增益，阻尼系數(shù)等參數(shù)對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)性能影響很大，這將是本節(jié)討論的重點。建立伺服驅(qū)動系統(tǒng)的傳遞模型86二、進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型及傳遞函數(shù)閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)：位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動位置檢測單元位置控制單元速度控制單元++-－電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令UgUpUθmθDXD速度檢測裝置XAXCXD△D控制量的傳遞87整個進給伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由圖可知：X0

是對XC

和FD

兩個激勵的響應(yīng)，根據(jù)疊加原理，可先分別求出每個激勵單獨作用的響應(yīng)，然后進行疊加。KNKfP+－XAXCKASKV+－UG△U+－++－+＋+Up半閉環(huán)閉環(huán)88進給伺服系統(tǒng)KNKfP+－XAXCKASKV+－UG△U+－++－+＋+Up89伺服驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型U(1)位置控制(2)速度控制90電機驅(qū)動進給傳遞函數(shù)91機械進給傳遞函數(shù)92939495進給伺服系統(tǒng)控制原理圖96

當FD=0時，僅有XC

激勵的傳遞系數(shù)97

當XC

,FD同時激勵時系統(tǒng)的響應(yīng)98三、進給伺服系統(tǒng)的性能分析

系統(tǒng)增益KS(開環(huán)增益，速度增益)

KS是進給伺服系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，為了說明其物理意義，可對上述系統(tǒng)進行一些簡化：假設(shè)上述各環(huán)節(jié)均是理想的，即各環(huán)節(jié)均是無慣量，無阻尼，剛度為無窮大，且無速度環(huán)，則：99XCKNKAKfPKM+-△DUPUθmX0100KS對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響

進給伺服系統(tǒng)的輸入通常是斜坡激勵：FT（1/KS）tKSFT（1/KS）t101

討論

KS與輸出速度的關(guān)系當KS

↑時，到達F

所需的時間越短，系統(tǒng)的響應(yīng)加快，靈敏度增高。

KS與系統(tǒng)的加速度的關(guān)系當KS

↑

時，系統(tǒng)的加速度增大，尤其是在剛啟動時，它使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，但對系統(tǒng)的沖擊也大，尤其對慣性較大的系統(tǒng)，將產(chǎn)生很大的沖擊力，另外，加速度太大也可能系統(tǒng)超調(diào)，引起系統(tǒng)失穩(wěn)。102KS

與跟隨誤差△D

的關(guān)系。KS↑→△D↓即：有利于提高系統(tǒng)的跟隨精度。結(jié)論：KS的選擇，要綜合考慮，折衷選取，才能獲得優(yōu)良的綜合性能。第五章進給伺服系統(tǒng)103KS的初選方法

在工程調(diào)試中，KS可按下列方式初選：

Mm、ML：分別是電機的輸出轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩；

GDm2、GDL2：分別是電機轉(zhuǎn)子和負載等效飛輪慣量104

數(shù)控系統(tǒng)中KS的設(shè)定方法由前面的推導(dǎo)可知：

KN：位置環(huán)增益；KA：速度環(huán)增益

Km：電機增益L/2π：機械系統(tǒng)增益其中：KA、Km、L/2π

在數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機械系統(tǒng)選定后便確定了，而KN

是作為可調(diào)參數(shù)，允許用戶根據(jù)具體情況選定，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速度性的要求。105.定位精度

定位精度的檢查通常是在空載的情況進行的，即無負載力（Fc=0）。只有摩擦力，而且系統(tǒng)接受的是階躍位置指令，即：

閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差為：106107

半閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差108

討論

由可知，為減小定位誤差可采用下列措施：減小傳動間的摩擦力Fcr，如采用滾動傳動取代滑動。增大KN、KA，其實質(zhì)增大KS(在系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍內(nèi))。減小KR

（=Ra/KT），即選擇KT

大的伺服電機。在半閉環(huán)系統(tǒng)中，要盡可能增大傳動機構(gòu)的剛度K，這是因為當K較小時，將產(chǎn)生較大的彈性變形，從而加大定位誤差。109四、進給伺服系統(tǒng)參數(shù)的匹配

進給伺服系統(tǒng)是由電氣、液壓、機械等環(huán)節(jié)組成的一個整體，其組成環(huán)節(jié)的特性參數(shù)對整體系統(tǒng)的特性的影響。從理論上講，可以根據(jù)要求與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型確定其參數(shù)，但是由于進給伺服系統(tǒng)工作條件復(fù)雜多變，尤其是機械系統(tǒng)的阻尼、剛度、慣量等參數(shù)，尚無完善的計算方法。因此在進行設(shè)計和調(diào)試時，除必要的理論計算外，還必輔之以實驗分析和類比法，利用已有的系統(tǒng)的參數(shù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行新的設(shè)計，這是目前常用的辦法。下面定性分析和介紹幾個重要參數(shù)對系統(tǒng)性能影響及其確定方法。110.阻尼阻尼主要與伺服驅(qū)動裝置的電感、電阻、電機機械部件、機械傳動機構(gòu)的摩擦阻尼和粘性阻尼有關(guān)，它對系統(tǒng)的影響是：阻尼大則系統(tǒng)的伺服剛度高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性高。系統(tǒng)的定位精度低，定位的離散程度大。

由此可知，這兩方面的矛盾的，應(yīng)在精度與伺服剛度之間折衷考慮。例如，采用滾動、靜壓導(dǎo)軌就是減少機械系統(tǒng)的阻尼。它可有效提高定位精度，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度將減小，因此，現(xiàn)在有些進給系統(tǒng)設(shè)置了可調(diào)阻尼器，或者采用軟件的方法來改變系統(tǒng)的阻尼參數(shù)。1112.慣量執(zhí)行部件的慣量越小越好，因為慣量越大，時間常數(shù)越大，系統(tǒng)的靈敏度變差，且固有頻率降低（），易發(fā)生共振。但由于剛度、強度等方面的原因，慣量的降低受到的限制。一般要求（交流伺服電機）：

對于直流伺服電機

式中：JL：傳動部件折算到伺服電機輸出軸上的慣量

Jm：電機的慣量112要滿足這一要求有兩個途徑：盡可能使執(zhí)行部件折算到電機軸上的慣量減小。盡可能使用本身慣量大的電機為驅(qū)動源。113.剛度

K與固有頻率

n

剛度是指系統(tǒng)抵抗變形的能力，即：

K=F/e開環(huán)系統(tǒng)：K↓→失動量↑→系統(tǒng)的死區(qū)↑閉環(huán)系統(tǒng)：K↓→

n

↓→系統(tǒng)的穩(wěn)定性↓系統(tǒng)的固有頻率

n是系統(tǒng)動剛度的重要參數(shù)，應(yīng)注意：機械傳動機構(gòu)的

n’>伺服驅(qū)動系統(tǒng)

n的2-3倍。各個環(huán)節(jié)的

n’應(yīng)相互錯開，以免發(fā)生振動耦合現(xiàn)象。各個環(huán)節(jié)的

n應(yīng)避開系統(tǒng)的工作頻率范圍，以免在工作頻率上發(fā)生共振。第五章進給伺服系統(tǒng)114內(nèi)容小結(jié)1．控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù)。2、進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型及傳遞函數(shù)。3、進給伺服系統(tǒng)的性能分析。4、進給伺服系統(tǒng)參數(shù)的匹配。115習(xí)題與思考題1、閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)由哪兒部分組成，試用框圖表示各部分之間的關(guān)系，并簡述各部分的基本功能。2、簡述系統(tǒng)增益KS對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響3、簡述減小定位誤差可采用的措施。4、簡述進給伺服系統(tǒng)參數(shù)阻尼、慣量、剛度

K與固有頻率

n的匹配原則。116

第五節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響

對于輪廓加工系統(tǒng)，要求精確地、實時地同時控制多個坐標軸的位置與速度，但由于系統(tǒng)存在著跟隨誤差△D

，將可能會影響多坐標軸運動合成軌跡的精確性，產(chǎn)生輪廓誤差。117一、跟隨誤差△D的含義及特性定義：指令位置D0i與實際位置Dai之差稱為跟隨誤差△D。跟隨誤差△D是由進給伺服系統(tǒng)各環(huán)節(jié)信息傳遞延遲效應(yīng)引起的。實際位置滯后指令位置。118當執(zhí)行部件進入勻速運動時△D為常數(shù)。當它減速并停止時，△D逐漸減少到零。當位置環(huán)為P調(diào)節(jié)時，△D與F、KS

的關(guān)系為：△D=F/KS

D0titp△DttDAD0DADFAF0FFt119二.跟隨誤差△D對輪廓加工精度的影響

△D對直線輪廓加工精度的影響加工直線時兩軸的輸入指令為：

第五章進給伺服系統(tǒng)XY△DY△DXεAA’ααβ120由于存在跟隨誤差△DX

、△DY在某時刻指令位置在A點，實際位置在A′點，則有：第五章進給伺服系統(tǒng)XY△DY△DXεAA’ααβ121輪廓誤差ε的幾何求法：KS：平均系統(tǒng)增益；△KS：兩軸系統(tǒng)增益差；△KS/

KS

：系統(tǒng)增益失配量XY△DY△DXεAA’ααβ122

討論當KSX=KSY

時，△KS=0，ε=0；這說明當兩軸系統(tǒng)增益相等時，跟隨誤差△DX

、△DY對輪廓精度無影響。XY△Dy△Dxε=0AA’ααβ123當兩軸增益不一致，但KSX、KSY常數(shù)時，Ks、△Ks為常數(shù)，則ε為常數(shù)，也就是說，直線的輪廓形狀無誤差，但位置偏離了原位置。XY△DY△DXεAA’ααβ常量124當兩軸增益不一致，且KSX、KSY不是常數(shù)時，則ε不是常數(shù)，也就是說，將產(chǎn)生輪廓形狀誤差，即加工出的輪廓就不是直線了。XY△DY△DXεAA’ααβ變量125在同等情況下：輪廓誤差ε與△KS

成正比，與KS

的平方成反比，與進給速度成F

正比。當加工45°直線時，輪廓誤差ε最大。當加工0°或90°直線時，輪廓誤差ε與增益無關(guān)。126例題

在X-Y平面上銑削工件的一個平面，該面與X軸成45°角，進給速度為：F=450mm/min

，KS為15±2%（1/s），計算最大輪廓誤差εmax。解：1272.△D對圓弧輪廓加工精度的影響

△D對圓弧輪廓加工精度的影響可用加工圓弧的半徑變動量△R描述。通常△R的變化較為復(fù)雜，為此，可先討論下面條件下的情況：

KSX