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第4章數控機床伺服系統(tǒng)4.1數控機床伺服系統(tǒng)概述4.2直流伺服系統(tǒng)4.3交流伺服系統(tǒng)4.4位置檢測裝置第4章數控機床伺服系統(tǒng)4.1數控機床伺服系統(tǒng)概述4.1數控機床伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)是以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng),是一種位置隨動系統(tǒng)。數控機床的伺服系統(tǒng)有兩種,即進給伺服系統(tǒng)與主軸伺服系統(tǒng)。4.1數控機床伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)是以4.1.1伺服系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)系統(tǒng),內環(huán)是速度環(huán),外環(huán)是位置環(huán)。4.1.1伺服系統(tǒng)的組成4.1.2數控機床對伺服系統(tǒng)的要求1.進給調速范圍寬最高轉速與最低轉速之比。2.位置精度高保證數控機床的定位精度和進給跟蹤精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的分辨率可以達到1m,數控裝置的分辨率可以達0.1m。4.1.2數控機床對伺服系統(tǒng)的要求3.速度響應快4.低速大轉矩伺服驅動系統(tǒng)在低速進給時,要有大的輸出轉矩。3.速度響應快4.1.3伺服系統(tǒng)的分類1.按有無反饋分類(1)開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)無位置反饋裝置,是數控機床中最簡單的伺服系統(tǒng)。4.1.3伺服系統(tǒng)的分類圖4.2開環(huán)伺服系統(tǒng)圖4.2開環(huán)伺服系統(tǒng)(2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動系統(tǒng)。圖4.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)(2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖4.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)(3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖4.4半閉環(huán)伺服系統(tǒng)(3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖4.4半閉環(huán)伺服系統(tǒng)2.按驅動裝置類型分類(1)電液伺服系統(tǒng)(2)電氣伺服系統(tǒng)2.按驅動裝置類型分類3.按進給驅動和主軸驅動分類(1)進給伺服系統(tǒng)(2)主軸伺服系統(tǒng)3.按進給驅動和主軸驅動分類4.按反饋比較控制方式分類(1)脈沖、數字比較伺服系統(tǒng)(2)相位比較伺服系統(tǒng)(3)幅值比較伺服系統(tǒng)(4)全數字伺服系統(tǒng)4.按反饋比較控制方式分類4.2直流伺服系統(tǒng)
4.2.1直流伺服電機分類1.高速直流伺服電動機2.低速大扭矩寬調速電動機4.2直流伺服系統(tǒng)4.2.1直流伺服電機4.2.2永磁直流伺服電動機1.永磁直流伺服電機的結構與特點4.2.2永磁直流伺服電動機圖4.8永磁式直流寬調速伺服電動機圖4.8永磁式直流寬調速伺服電動機2.永磁直流伺服電機的選用(1)對直流伺服電機的要求(2)直流伺服電動機的選用2.永磁直流伺服電機的選用4.2.3直流伺服系統(tǒng)主電路4.2.4晶閘管觸發(fā)電路4.2.5直流電機晶閘管供電的速度控制系統(tǒng)4.2.6晶體管直流脈寬(PWM)調速系統(tǒng)4.2.3直流伺服系統(tǒng)主電路4.3交流伺服系統(tǒng)4.3.1交流伺服電機固有缺點,如電刷和換向器易于磨損,需經常維護;換向時換向器會產生火花,直流電機結構復雜,制造困難,交流電機的輸出功率可比直流電機提高10%~70%。此外,交流電機的容量可比直流電機做得大。4.3交流伺服系統(tǒng)4.3.1交流伺服電機1.交流伺服電機的分類和特點(1)異步交流伺服電機(IM)(2)同步交流伺服電機(SM)1.交流伺服電機的分類和特點2.永磁式交流伺服電機(1)結構永磁式交流伺服電機由定子、轉子和檢測元件三部分組成。如圖4.26、圖4.27所示。2.永磁式交流伺服電機圖4.26永磁交流伺服電機橫截面圖4.26永磁交流伺服電機橫截面圖4.27永磁交流伺服電機縱剖面圖4.27永磁交流伺服電機縱剖面(2)工作原理(3)永磁式伺服電機的性能①永磁式伺服電機的性能可用轉矩—速度特性曲線描述。②高可靠性。③主要損耗在定子繞組與鐵心上,故散熱容易,便于安裝時采取熱保護措施;而直流電機損耗主要在轉子上,散熱困難。④轉子慣量小,其結構允許高速工作。⑤體積小、質量輕。(2)工作原理4.3.2交流永磁電機調速系統(tǒng)1.交流電機的一般調速方法2.交流變頻調速系統(tǒng)3.交流永磁同步電機調速系統(tǒng)4.3.2交流永磁電機調速系統(tǒng)4.3.3交流主軸驅動系統(tǒng)1.交流主軸電機2.幾種新型主軸電機3.交流主軸電機的控制方法4.主軸準停控制4.3.3交流主軸驅動系統(tǒng)4.4位置檢測裝置4.4.1數控機床對檢測元件的要求與檢測元件的分類主要要求是:①壽命長,可靠性高,抗干擾能力強;②滿足精度和速度要求;③使用維護方便,適合機床運行環(huán)境;④成本低;⑤便于與計算機聯(lián)接。4.4位置檢測裝置4.4.1數控機床對檢測數控機床原理-第04章課件常用位置檢測元件主要有脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器和光柵。常用位置檢測元件主要有4.4.2旋轉變壓器1.旋轉變壓器的工作原理2.旋轉變壓器的工作方式4.4.2旋轉變壓器4.4.3脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器。1.脈沖編碼器的工作原理4.4.3脈沖編碼器圖4.45光電盤工作原理示意圖圖4.45光電盤工作原理示意圖2.脈沖編碼器結構3.絕對值脈沖編碼器通過讀取編碼盤上的圖案確定軸的位置。2.脈沖編碼器結構圖4.48光電絕對值編碼器圖4.48光電絕對值編碼器4.4.4光柵(1)直線光柵(即長光柵)①玻璃透射光柵。②金屬反射光柵。(2)圓光柵(3)計量光柵的精度4.4.4光柵數控機床原理-第04章課件2.工作原理(a)結構圖(b)輸出波形圖4.51透射直線式光柵原理圖2.工作原理(a)結構圖3.光柵檢測裝置(1)光柵讀數頭(2)辨向方法3.光柵檢測裝置4.4.5感應同步器是一種電磁式位置檢測元件。一般可分為直線式和旋轉式兩種。1.感應同步器結構4.4.5感應同步器圖4.58直線感應同步器圖4.58直線感應同步器第4章數控機床伺服系統(tǒng)4.1數控機床伺服系統(tǒng)概述4.2直流伺服系統(tǒng)4.3交流伺服系統(tǒng)4.4位置檢測裝置第4章數控機床伺服系統(tǒng)4.1數控機床伺服系統(tǒng)概述4.1數控機床伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)是以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng),是一種位置隨動系統(tǒng)。數控機床的伺服系統(tǒng)有兩種,即進給伺服系統(tǒng)與主軸伺服系統(tǒng)。4.1數控機床伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)是以4.1.1伺服系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)系統(tǒng),內環(huán)是速度環(huán),外環(huán)是位置環(huán)。4.1.1伺服系統(tǒng)的組成4.1.2數控機床對伺服系統(tǒng)的要求1.進給調速范圍寬最高轉速與最低轉速之比。2.位置精度高保證數控機床的定位精度和進給跟蹤精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的分辨率可以達到1m,數控裝置的分辨率可以達0.1m。4.1.2數控機床對伺服系統(tǒng)的要求3.速度響應快4.低速大轉矩伺服驅動系統(tǒng)在低速進給時,要有大的輸出轉矩。3.速度響應快4.1.3伺服系統(tǒng)的分類1.按有無反饋分類(1)開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)無位置反饋裝置,是數控機床中最簡單的伺服系統(tǒng)。4.1.3伺服系統(tǒng)的分類圖4.2開環(huán)伺服系統(tǒng)圖4.2開環(huán)伺服系統(tǒng)(2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動系統(tǒng)。圖4.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)(2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖4.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)(3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖4.4半閉環(huán)伺服系統(tǒng)(3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖4.4半閉環(huán)伺服系統(tǒng)2.按驅動裝置類型分類(1)電液伺服系統(tǒng)(2)電氣伺服系統(tǒng)2.按驅動裝置類型分類3.按進給驅動和主軸驅動分類(1)進給伺服系統(tǒng)(2)主軸伺服系統(tǒng)3.按進給驅動和主軸驅動分類4.按反饋比較控制方式分類(1)脈沖、數字比較伺服系統(tǒng)(2)相位比較伺服系統(tǒng)(3)幅值比較伺服系統(tǒng)(4)全數字伺服系統(tǒng)4.按反饋比較控制方式分類4.2直流伺服系統(tǒng)
4.2.1直流伺服電機分類1.高速直流伺服電動機2.低速大扭矩寬調速電動機4.2直流伺服系統(tǒng)4.2.1直流伺服電機4.2.2永磁直流伺服電動機1.永磁直流伺服電機的結構與特點4.2.2永磁直流伺服電動機圖4.8永磁式直流寬調速伺服電動機圖4.8永磁式直流寬調速伺服電動機2.永磁直流伺服電機的選用(1)對直流伺服電機的要求(2)直流伺服電動機的選用2.永磁直流伺服電機的選用4.2.3直流伺服系統(tǒng)主電路4.2.4晶閘管觸發(fā)電路4.2.5直流電機晶閘管供電的速度控制系統(tǒng)4.2.6晶體管直流脈寬(PWM)調速系統(tǒng)4.2.3直流伺服系統(tǒng)主電路4.3交流伺服系統(tǒng)4.3.1交流伺服電機固有缺點,如電刷和換向器易于磨損,需經常維護;換向時換向器會產生火花,直流電機結構復雜,制造困難,交流電機的輸出功率可比直流電機提高10%~70%。此外,交流電機的容量可比直流電機做得大。4.3交流伺服系統(tǒng)4.3.1交流伺服電機1.交流伺服電機的分類和特點(1)異步交流伺服電機(IM)(2)同步交流伺服電機(SM)1.交流伺服電機的分類和特點2.永磁式交流伺服電機(1)結構永磁式交流伺服電機由定子、轉子和檢測元件三部分組成。如圖4.26、圖4.27所示。2.永磁式交流伺服電機圖4.26永磁交流伺服電機橫截面圖4.26永磁交流伺服電機橫截面圖4.27永磁交流伺服電機縱剖面圖4.27永磁交流伺服電機縱剖面(2)工作原理(3)永磁式伺服電機的性能①永磁式伺服電機的性能可用轉矩—速度特性曲線描述。②高可靠性。③主要損耗在定子繞組與鐵心上,故散熱容易,便于安裝時采取熱保護措施;而直流電機損耗主要在轉子上,散熱困難。④轉子慣量小,其結構允許高速工作。⑤體積小、質量輕。(2)工作原理4.3.2交流永磁電機調速系統(tǒng)1.交流電機的一般調速方法2.交流變頻調速系統(tǒng)3.交流永磁同步電機調速系統(tǒng)4.3.2交流永磁電機調速系統(tǒng)4.3.3交流主軸驅動系統(tǒng)1.交流主軸電機2.幾種新型主軸電機3.交流主軸電機的控制方法4.主軸準停控制4.3.3交流主軸驅動系統(tǒng)4.4位置檢測裝置4.4.1數控機床對檢測元件的要求與檢測元件的分類主要要求是:①壽命長,可靠性高,抗干擾能力強;②滿足精度和速度要求;③使用維護方便,適合機床運行環(huán)境;④成本低;⑤便于與計算機聯(lián)接。4.4位置檢測裝置4.4.1數控機床對檢測數控機床原理-第04章課件常用位置檢測元件主要有脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器和光柵。常用位置檢測元件主要有4.4.2旋轉變壓器1.旋轉變壓器的工作原理2.旋轉變壓器的工作方式4.4.2旋轉變壓器4.4.3脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器。1.脈沖編碼器的工作原理4.4.3脈沖編碼器圖4.45光電盤工作原理示意圖圖4.45光電盤工作原理示意圖2.脈沖編碼器結構3.絕對值脈沖編碼器通過讀取編碼盤上的圖案確定軸的位置。2.脈沖編碼器結構圖4.48光電絕對值編碼器圖4.48光電絕對值編碼器4.4.4光柵(1)直線光柵(即長光柵)①玻璃透射光柵。②金屬反射光柵。(2)圓光柵(3)計量光柵的精度4.4.4光柵數控機
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