1、第七章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)第一節(jié)概 述面亠服亠紊-統(tǒng)伺服系統(tǒng)是以控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位移、轉(zhuǎn)角（或轉(zhuǎn)速）為主要目的的數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)可分為開 環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。、數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求1. 寬調(diào)速z高速時(shí)能保證轉(zhuǎn)矩要求 一般速比應(yīng)大于I低速時(shí)保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性2控制精度高3快速響應(yīng)好V 0.2秒幾十毫秒4抗干擾能力強(qiáng)（ 主要表現(xiàn)在 系統(tǒng)剛度 和伺服剛度 方面 ）二、 常 用的伺服驅(qū)動(dòng)元件除上述對(duì)伺服系統(tǒng)的要求外，驅(qū)動(dòng)元件還需 要： 負(fù)載特性硬 可頻繁啟動(dòng)、停止及換向1 5060年代，步進(jìn)電機(jī) 為主（目前用于經(jīng)濟(jì)型 ）27080年代，直流伺服電機(jī) 為主390

2、 年代至今， 直仍占多數(shù)， 00年后交流伺服電機(jī)ff,新的設(shè)計(jì)交流伺服電機(jī) 的使用已占多數(shù)。第二節(jié) 步 進(jìn) 電 機(jī)一、 特點(diǎn)1轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)角 與脈沖輸入 數(shù)目 成正比 ； 轉(zhuǎn)子 速度 與脈沖輸入 頻率 成正比 。2只要維持控制繞組電流不變， 則具有自整步 能力 （即具有制動(dòng)能力）3有一定的步距精度， 沒有累積誤差 （即周累積 誤差為零）4缺點(diǎn)：效率低； 拖動(dòng)負(fù)載能力不大； 調(diào)速范圍小； 脈沖當(dāng)量（ 步距角 ）不能太小。5使用：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使用于 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 ； 一般用于 開環(huán)系統(tǒng) 。注脈沖當(dāng)量一一每對(duì)應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)的一個(gè)脈沖，機(jī)床執(zhí)行件走過 的一個(gè)位移（或轉(zhuǎn)角）。二、分類-反應(yīng)式（轉(zhuǎn)子鐵心）

3、1 .按工作原理分-永磁式 轉(zhuǎn)子（永）磁鋼 電磁式-永磁感應(yīng)子式（混合式）2. 按運(yùn)動(dòng)方式分（如直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、 ）3按結(jié)構(gòu)分（如單段式、多段式）4按相數(shù)分（如3相、4相、）三、步進(jìn)電機(jī)工作原理（以反應(yīng)式為例）1.通電方式（1）三相單三拍（單相輪流通電）（K = 1）A B C A（每轉(zhuǎn)步數(shù)mz步）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖%柑通電B柑通電（柑通電定子繞組f 2 Ba C三相（m轉(zhuǎn)子；4齒（z） 每通一次電，轉(zhuǎn)過30°=磐（2）三相雙三拍（雙相輪流通電）（K = 1）C i CA i A（每轉(zhuǎn)步數(shù)mz步）（3）三相六拍（單雙相輪流通電）（K = 2）（每轉(zhuǎn)步數(shù)2mz步）2 步距角BB

4、每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度360°"mzK由于步進(jìn)電機(jī)一旦制造好，其相數(shù)和齒數(shù)即已確定，所以 每一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的步距角是確定的，因通電方式不同有兩個(gè) 值。 聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛氌譴凈。一個(gè)步距角對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖當(dāng)量2步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n60fmzK1、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)（一）基本要求1）能夠迅速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)及在很大范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)。2）加工精度高。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不得失步。3）輸出轉(zhuǎn)矩大，可直接帶動(dòng)負(fù)載。（二）性能指標(biāo)1 矩角特性與最大靜轉(zhuǎn)矩定子一相繞組通電，則：空載時(shí)轉(zhuǎn)子齒與通電相定子齒對(duì)齊；帶著載荷時(shí)在外轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子齒與通電相 定子齒被拉動(dòng)錯(cuò)

5、移。只要通電相位不變，則電機(jī)不轉(zhuǎn)（即具有制動(dòng)功能）。轉(zhuǎn)子齒與通電相定子齒被拉動(dòng)錯(cuò)移后產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩M越大，其帶動(dòng)負(fù)載能力越強(qiáng)，運(yùn)行的快速性和穩(wěn)定性也越好。2空載起動(dòng)頻率起動(dòng)頻率要低。 這是因?yàn)槠饎?dòng)要克服慣性矩的影響， 具體 說就是克服加速度的影響。3起動(dòng)矩頻特性 帶動(dòng)負(fù)載時(shí)的起動(dòng)頻率，隨著所帶負(fù)載的增加而降低。 （見圖 7-8）4空載運(yùn)行頻率空載起動(dòng)后，連續(xù)提高脈沖頻率至電機(jī)不失步運(yùn)行的最高 頻率，稱為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率。5運(yùn)行矩頻特性步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)， 轉(zhuǎn)矩和頻率的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻 特性。（見圖 7-9）注 運(yùn)行頻率遠(yuǎn)高于起動(dòng)頻率第三節(jié) 直 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)、小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)

6、控機(jī)床誕生之初， 沒有能夠滿足數(shù)控機(jī)床要 求的專用電機(jī)。 遂將普通的直流電機(jī)加以改進(jìn) （最主要的是將轉(zhuǎn)子的慣量減小到 1/10，以滿足快速響應(yīng)的 要求），這就是早期使用的數(shù)控機(jī)床電機(jī)。后經(jīng)不斷改進(jìn)、 定型后主要有： 直流印刷電樞 電動(dòng)機(jī)、杯式轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)等。 （現(xiàn)僅偶爾應(yīng)用于 一些小型數(shù)控機(jī)床中） 釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。、大慣量（寬調(diào)速）直流伺服電動(dòng)機(jī)1特點(diǎn)1）轉(zhuǎn)矩大2）調(diào)速范圍大（130000）mm/min 3） 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好（一般在0.Is, 最快可幾十毫秒）4） 過載能力強(qiáng)（允許短時(shí)過載510倍）注近幾十年來，資料所述對(duì)伺服系統(tǒng)的要求基本是以此電機(jī)為準(zhǔn)提出的2工作原理（圖 7-25）電流

7、方向f左手定則 f轉(zhuǎn)矩方向?yàn)榱吮ＷC電樞始終朝同一方向旋轉(zhuǎn)，必須要有能夠不斷改 變電流方向的專用裝置，即具有 換向片與電刷的“換流裝 1=7=1 ”置。彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。3 電機(jī)機(jī)械特性liii > Ua2 > Us > Gj7-27機(jī)械特性此特性圖表明：1）隨著負(fù)載變大，轉(zhuǎn)速將降低 （B越小，表明機(jī)械特性越硬）2）負(fù)載不變，提高電樞電壓可提高轉(zhuǎn)速3）轉(zhuǎn)速不變，提高電樞電壓可加大轉(zhuǎn)矩4 電機(jī)調(diào)節(jié)特性7-28調(diào)節(jié)特性此特性圖表明：1）電機(jī)起動(dòng)后，逐漸提升電樞電壓，則轉(zhuǎn)速也隨之升高， 直到正常連續(xù)旋轉(zhuǎn)。2）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)（M。= 0）,電樞電壓從零開始升高, 則轉(zhuǎn)速也同步升高

8、。3）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于零時(shí)，電樞電壓從零開始升高到某一值時(shí)，轉(zhuǎn)速才開始升高；這一滯后區(qū)域稱為“死區(qū)”5 電機(jī)工作特性轉(zhuǎn)矩極限線電機(jī)工作曲線轉(zhuǎn)速極限線Z額定犠矩連續(xù)工作區(qū)短時(shí)工作區(qū)嶙時(shí)加減速區(qū)此工作曲線圖表明:1）電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) （即連續(xù)工作區(qū)I ）,可以任何的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速組合長時(shí)間地連續(xù)工作。2）電機(jī)在短時(shí)工作區(qū)U，可在不超過圖中限定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 范圍內(nèi)，連續(xù)工作不超過規(guī)定時(shí)間。（例如，電機(jī)性能指標(biāo)為：30min轉(zhuǎn)矩=100Nm表明，電機(jī)可在不超過30min的任意時(shí)間段，高于額定轉(zhuǎn)矩、低于100Nm 情況下連續(xù)工作 ） 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。注 工作一定時(shí)間后停止，則必須停止相同時(shí)間

9、及以上才允許重新起動(dòng)。3）瞬時(shí)加減速區(qū)川 是電機(jī)在起動(dòng)或停止的極短時(shí)間內(nèi)允許 存在的工作區(qū)域。注 目前說“直流伺服電機(jī)” ，通常指的就是“大慣量 ”。 最初“小慣量”的目的是為了“快速響應(yīng)” ，但“小慣 量”帶負(fù)載能力太差。 改進(jìn)：在不降低“快速響應(yīng)”的基礎(chǔ)上，不斷加大電機(jī) 慣量。 除極小型機(jī)床外， 小慣量直流伺服電機(jī)必須依靠減速器 才能帶動(dòng)負(fù)載。 大慣量直流伺服電機(jī)則可以直接帶動(dòng)負(fù)載 （交流伺服電機(jī) 同此），這就使設(shè)計(jì)以及機(jī)床結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。 大慣量直流伺服電機(jī)內(nèi)部裝有編碼器 （交流伺服電機(jī)同 此），這就說明，只要采用大慣量直 （交流 ）即已構(gòu)成半第四節(jié)交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)交流異步（感應(yīng)）

10、電機(jī)交流同步電機(jī)按產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式一永磁式電磁式交流異步電機(jī)比交流同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、成本 低，但交流同步電機(jī)具有較好的調(diào)速性能，這一點(diǎn)在數(shù)控機(jī) 床中尤為重要。 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。與電磁式相比，永磁式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、 效率較高；缺點(diǎn)是體積較大、起動(dòng)特性較差。但永磁式在結(jié) 構(gòu)上采取措施后，有了很大改進(jìn)。 鵝婭盡損鶴慘歷蘢鴛賴。綜合分析，數(shù)控機(jī)床多采用永磁式交流同步伺服電機(jī)，、工作原理（圖 7-15）八特點(diǎn)交流伺服電機(jī)（與直流伺服電機(jī)相比）1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低2 轉(zhuǎn)子慣量較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好3.沒有換向器和電刷，不需經(jīng)常維護(hù)4 .沒有換向火花問題，最高轉(zhuǎn)速可更高二、電機(jī)工作特性21100電機(jī)工作曲線與直流伺服電機(jī)比，交流伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩線更趨水平，表明機(jī)械特性更硬；短時(shí)工作區(qū)域范圍更大，尤其是在高速區(qū)域，這有利于提高電動(dòng)機(jī)的加、減速能力。籟叢媽羥為贍債蟶練淨(jìng)