第8章　伺服驱动系统 8.1　概    述    max.book118.com 伺服驱动系统的概念     1．什么是伺服驱动系统 伺服驱动系统亦称随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。   数控机床的进给伺服系统        它是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。   伺服驱动系统的作用    伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用可归纳如下： （1）伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力； （2）伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。   2．数控机床对伺服驱动系统的要求    （1）可逆运行  在加工过程中，随时都可能实现正向或反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。    （2）进给调速范围要宽      对一般机床而言，进给速度范围在0~24m/min时，即可满足加工要求。   具体技术要求如下。      ① 在1~24000mm/min即1∶24000调速范围内，要求均匀、稳定、无爬行，且速降小。     ② 在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，但瞬时速度要低。      ③ 在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，使定位误差不超过系统的允许范围，即零速时电动机处于伺服锁定状态。   （3）具有足够的传动刚性和速度稳定性   （4）快速响应无超调  快速响应是衡量伺服系统动态性能的一项重要性能指标，它反映了系统的跟踪精度。要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，在伺服系统处于频繁启动、制动、加速、减速等动态过程中，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒，且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短，且无振荡。   （5）高精度      为了满足数控加工精度，关键是保证数控机床的定位精度和位移精度。    ① 位移精度  位移精度是指指令脉冲要求机床进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，伺服系统的位移精度愈高。        目前，位移精度可达到在全程范围内±5μm，一般数控机床的脉冲当量为0.01~0.005mm/脉冲，高精度的数控机床其脉冲当量可达0.001mm/脉冲，甚至更高。     ② 定位精度  定位精度是指输出量能复现输入量的精确程度。进给伺服系统的定位精度一般要求能达到1μm，甚至0.1μm。 （6）低速大转矩         根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。应使动力源尽量靠近机床的执行机构，使传动装置机械部分的结构简化，系统刚性增加，传动精度提高。   max.book118.com 伺服系统的组成和工作原理    闭环伺服系统结构原理如图8-1所示：      数控机床的位置控制过程：    安装在工作台的位置检测元件把机械位移变成位置数字量，并由位置反馈电路送到微机内部，该位置反馈量与输入微机的指令位置进行比较；    如果比较结果不一致，微机送出差值信号，经驱动电路将差值信号进行变换、放大后驱动电动机，经减速装置带动工作台移动。    当比较后的差值信号为零时，电动机停止转动，此时，工作台移到指令所指定的位置。      速度控制过程：        图8-1中的测速发电机和速度反馈电路组成的反馈回路可实现速度恒值控制。        测速发电机和伺服电动机同步旋转，假如因外负载增大而使电动机的转速下降，则测速发电机的转速下降，经速度反馈电路，把转速变化的信号转变成电信号，送到驱动电路，与输入信号进行比较，比较后的差值信号经放大后，产生较大的驱动电压，从而使电动机转速上升，恢复到原先调定转速，使电动机排除负载变动的干扰，维持转速恒定不变。   伺服系统结构原理图可以用框图表示如下：       闭环伺服系统的主要组成部分：       从上述原理图及框图可知，闭环伺服系统主要由以下几个部分组成：   （1）微型计算机    它能接收输入的加工程序和反馈信号，经系统软件运行处理后，由输出口送出指令信号。   （2）驱动电路  接收微机发出的指令，并将输入信号转换成电压信号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。转速的大小由指令控制。若要实现恒速控制功能，驱动电路应能接收速度反馈信号，将反馈信号与微机的输入信号进行比较，将差值信号作为控制信号，使电动机保持恒速转动。     （3）执行元件  可以是直流电动机、交流电动机，也可以是步进电动机。采用步进电动机通常是开环控制。  （4）传动装置  包括减速箱和滚珠丝杠等。  （5）位置检测元件及反馈电路  位置检测元件有直线感应同步器、光栅和磁尺等。位置检测元件检测的位移信号由反馈电路转变成计算机能识别反馈信号送入计算机，由计算机进行数据比较后送出差值信号。  （6）测速发电机及反馈电路  测速发电机实际是小型发电机，发电机两端的电压值和发电机的转速成正比，故可将转速的变化量转变成电压的变化量。     max.book118.com 伺服系统的分类 （1）按驱动方式分  可分为液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统。 （2）按执行元件的类别分类  可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统和步进电动机伺服系统。 （3）按有无检测元件和反馈环节分类  可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。 （4）按输出被控制量的性质分类  可分为位置伺服系统、速度伺服系统。   伺服系统类型对应的数控机床精度： （1）步进电动机开环伺服系统的定位精度一般为0.01~0.005mm； （2）精度要求高的大型数控设备，通常采用交流或直流伺服电动机，闭环或半闭环伺服系统。闭环伺服系统定位精度可达0.001~0.003mm。   max.book118.com 进给电动机分类  进给驱动用的伺服电动机主要有以下几种： （1）改进型直流电动机  结构上与传统的直流电动机没有区别，只是它的转动惯量很小，过载能力很强，且具有较好的换向性能，早期的数控机床上多用这种电动机。 （2）小惯量直流电动机  它最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以获得较好的快速性，在早期的数控机床应用这类电动机也较多。   （3）步进电动机        由于步进电动机制造容易，它所组成的开环进给驱动装置也比较简单易调，在60年代至70年代初，这种电动机在数控机床上曾风行一时。       目前，经济型数控机床仍使用步进电动机；另外，在某些机床上也有用作补偿刀具磨损运动以及精密角位移的驱动。   （4）永磁直流伺服电动机   永磁直流电动机能在较大转矩下长期工作以及电动机的转子惯量较大，因此，它能直接与丝杠相连而不需要中间传动装置，且因为无励磁回路损耗，所以它的外形尺寸比励磁式直流电动机小。它还有一个特点是可在低速下运行，如能在1rpm甚至0.1rpm下平稳运行。因此，这种电动机获得广泛的应用，从70年代到80年代中期，在数控机床的进给驱动装置中，它占据着绝对的优势地位。至今，许多数控机床上仍使用永磁直流伺服电动机。   （5）
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