数控技术—第六章 伺服电机.ppt

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Henan Polytechnic University
主讲:秦歌
答疑时间:周二晚J407
机械与动力工程学院
2013-05
数控技术
School of Mechanical and Power Engineering
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第六章数控机床的伺服系统
本章内容:
概述
开环步进式伺服系统
位置检测装置
闭环(交直流)伺服系统
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伺服来自英文单词Servo, ““伺服(SERVO)”在中英文里一个音、意都相同的词,顾名思义,它表示“伺候服侍”,指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动。在数控机床中,伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现,这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程,而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。
在20世纪60年代,最早是直流电机作为主要执行部件。
在70年代以后,交流伺服电机的性价比不断提高,逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。
控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制,包括力矩、速度和位置等。通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。
第一节概述
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现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域,比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械。伺服用量最大的行业依次是:机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械,合计超过75%。
在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准,部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。90年代以来,欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床,高速电主轴单元转数在30000rpm~100000rpm,工作台的进给速度在分辨率为1μm时达到100m/min,甚至200m/min以上, ,在24m/min以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点,对位置系统的要求包括:定位速度和轮廓切削进给速度;定位精度和轮廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。
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国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用,但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难,性能是一个重要方面,还有就是稳定性和可靠性,或许品牌效应也是难以短时间逾越的障碍。
近几十年来,伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应用。数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统,又称为随动系统。数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号,经过一定的信号变换及电压、功率放大,驱动机床运动部件实现运动,并保证动作的快速性和准确性。
数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节,是数控机床的重要组成部分,数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。因此,对高性能伺服系统的研究和开发一直是现代数控机床的关键技术之一。
第一节概述
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一、伺服系统的组成、作用和特点:
组成
伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系;机械传动部件和执行件组成机械传动系。
第一节概述
数控伺服系统的基本组成
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伺服系统的作用:
接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号,经过一定的信号转换的转换和电压、功率放大后,经伺服驱动装置和机械传动机构,驱动机床的工作台、刀架等执行部件进行工作进给和快速进给。主要通过步进电机、交/直流伺服电动机等进给驱动元件来实现。
伺服系统可被看作是一个独立部分,与数控系统和机床本体并列为数控数控机床的三大组成部分。
第一节概述
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特点:
能根据指令信号自动精确的控制执行部件运动的位移、方向和速度,使数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。
性能:
最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能, 取决于各个组成环节的特性和各个环节性能参数的合理匹配。
第一节概述
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数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大,为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。
第一节概述
二、数控机床对进给伺服系统的要求

可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中,机床工作台处于随动状态,根据加工轨迹的要求,随时实现正向或反向运动。
要求在方向变化时,不应有反向间隙和运动损失。
从能量角度看,应该实现能量的可逆转换,