数控技术及编爱 第七讲步进式伺服驱动系统 主讲陈德道
第七讲 步进式伺服驱动系统 主讲 陈德道
第一节概述 进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，洪 ☒无法显示该图片 定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中 进给驱动 系统的研制和发展总是放在首要的位置。 数控统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统驱动机械执 行部件，最终实现机床精确的进给运动。数控机床的进拾驱动系统 是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控 系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它 的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精 度、定位精度等。 主 页 目录 一页 下一页 后退 退出
第一节 概述 进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决 定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动 系统的研制和发展总是放在首要的位置。 数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统驱动机械执 行部件，最终实现机床精确的进给运动。数控机床的进给驱动系统 是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控 系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它 的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精 度、定位精度等
第一节概述 进啦紫统是CNC装置和机床的联系环节。CNC装置发 出的控削信息，通过进给驱动系统，转换成坐标轴的运动，完 成程序所规定的操作。进给驱动系统是数控机床的重要组成部 分。进给驱动系统的作用可归纳如下： 1、放大CNC装置的控制信号，具有功率输出的能力； 2、对CNC装置发出的数字控制信号转换为相应的模拟控制 信号以实现对机床移动部件的位置和速度进行控制。 主页 目录 上一页 下一页 后退 退出
第一节 概述 进给驱动系统是CNC装置和机床的联系环节。CNC装置发 出的控制信息，通过进给驱动系统，转换成坐标轴的运动，完 成程序所规定的操作。进给驱动系统是数控机床的重要组成部 分。进给驱动系统的作用可归纳如下： 1、放大CNC装置的控制信号，具有功率输出的能力； 2、对CNC装置发出的数字控制信号转换为相应的模拟控制 信号以实现对机床移动部件的位置和速度进行控制
第一节概述 数控机末同服驱动系统的要求 ☒无法显示该围片 1. 调速沛围要宽 调速范围rn是指进给电动机提供的最高转速Nmax和最低转速 Nmin之比，即rn-Nmax/Nmin。 在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工材料、 主轴转 速以及零件加工工艺要求的不同，为保证在任何情况下都能得 到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级 调速范围 (通常大于1：10000)。尤其在低速（如<0.1/min) 时，要仍能平滑运动而无爬行现象。 脉冲当量为lu/P情况下，最先进的数控机床的进给速度从 0~240m/min连续可调。但对于一般的数控机床，要求进给驱动 系统在0~24m/min进给速度下工作就足够了 页 目录 一页 后退 出
第一节 概述 一．数控机床伺服驱动系统的要求 1．调速范围要宽 调速范围rn是指进给电动机提供的最高转速Nmax和最低转速 Nmin之比，即rn=Nmax/Nmin。 在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工材料、主轴转 速以及零件加工工艺要求的不同，为保证在任何情况下都能得 到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级 调速范围（通常大于1∶10000）。尤其在低速（如<0.1r/min） 时，要仍能平滑运动而无爬行现象。 脉冲当量为1μm/P情况下，最先进的数控机床的进给速度从 0~240m/min连续可调。但对于一般的数控机床，要求进给驱动 系统在0~24m/min进给速度下工作就足够了
第一节概述 数控机床对同服驱动系统的要求 ☒无法显示该图片 2.定位精度要高 使用数控机床主要是为了：保证加工质量的稳定性 一致性， 减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加 工精度问题，缩短制造周期等。数控机床是按预定的程序自动进 行加工的，避免了操作者的人为误差，但是，它不可能应付事先 没有预料倒的情况。就是说，数控机床不能像普通机床挪样，可 随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此 要求进给驱动系统具有较好的静态特性和较高的刚度，从而达到 较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重愎定位误 差（目前进给伺服系统的分辨率可达1um或0.1um,甚0.01um) 同时进给驱动系统还要其有较好的动态性能，以保正机床具有较 高的轮廓跟随精度。 主页 目录 上一页 下一页 后退 出
第一节 概述 一．数控机床对伺服驱动系统的要求 2．定位精度要高 使用数控机床主要是为了：保证加工质量的稳定性、一致性， 减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加 工精度问题，缩短制造周期等。数控机床是按预定的程序自动进 行加工的，避免了操作者的人为误差，但是，它不可能应付事先 没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像普通机床那样，可 随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此， 要求进给驱动系统具有较好的静态特性和较高的刚度，从而达到 较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误 差（目前进给伺服系统的分辨率可达1μm或0.1μm，甚至0.01μm）； 同时进给驱动系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较 高的轮廓跟随精度
第一节概述 数控机床对同服驱动系统的要求 ☒无法示该图片 3. 快速响：，无超调 为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精度 外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应 要快。一方面，在启、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩 短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。一般电动机的 速度从零变到最高转速，或从最高转速降至零的时间在400s以 内，甚至于几十毫秒。这就要求进给系统要快速响应 但又不 能超调，香则将形成过切，影响加工质量；另一方面，挡负载突 变时，要求速度的恢复时间也要短，且不能有振荡，这样才能得 到光滑的加工表面。 要求进给电动机必须具有较小的转动惯量和大的制劫转矩 尽可能小的机电时间常数和起动电压。电动机具有4000/s2以上的 加速度 一页 后退 出
第一节 概述 一．数控机床对伺服驱动系统的要求 3．快速响应，无超调 为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精度 外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应 要快。一方面，在启、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩 短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。一般电动机的 速度从零变到最高转速，或从最高转速降至零的时间在200ms以 内，甚至小于几十毫秒。这就要求进给系统要快速响应，但又不 能超调，否则将形成过切，影响加工质量；另一方面，当负载突 变时，要求速度的恢复时间也要短，且不能有振荡，这样才能得 到光滑的加工表面。 要求进给电动机必须具有较小的转动惯量和大的制动转矩， 尽可能小的机电时间常数和起动电压。电动机具有4000r/s2以上的 加速度
第一节概述 数控机床对同服驱动系统的要求 ☒无法显示该图片 4. 低速大转矩，过载能力强 数控机床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围，例如在加工 曲线和曲面时，拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。这就要求进 给驱动系练在低速时保持恒力矩输出，无爬行现象，并且具有长 时间内较理的过载能力，和频繁的起动、反转、制动能九。一般， 伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短 时间内可以过载4~6倍而不损坏。 5.可靠性高 数控机床，特别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续稳 定工作的能力，同时数控机床的维护、维修也较复杂，团此，要 求数控机术的进给驱动系统可靠性高、王作稳定性妤，具有较强 的温度、湿度、振动等环境适应能力，具有很强的抗干扰的能力。 主页 目录 后浪
第一节 概述 一．数控机床对伺服驱动系统的要求 4．低速大转矩，过载能力强 数控机床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围，例如在加工 曲线和曲面时，拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。这就要求进 给驱动系统在低速时保持恒力矩输出，无爬行现象，并且具有长 时间内较强的过载能力，和频繁的起动、反转、制动能力。一般， 伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短 时间内可以过载4~6倍而不损坏。 5．可靠性高 数控机床，特别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续稳 定工作的能力，同时数控机床的维护、维修也较复杂，因此，要 求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强 的温度、湿度、振动等环境适应能力，具有很强的抗干扰的能力
第一节慨述 二。同服驱动系统的分类 ☒无法显示该图片。 进给驱动系统有多种分类方法，常见的分类方法是： 1、按执行元件的类别，可分为步进电动机、直流电动机、交流 电动机进给驱动系统： 2、按有无检测元件和反馈环节，可分为开环、闭环挂制两类： 按执行件的类别，不同的进给驱动系统的特点如下： 主页 目录 上一页 下一页 后退 退出
第一节 概述 二．伺服驱动系统的分类 进给驱动系统有多种分类方法，常见的分类方法是： 1、按执行元件的类别，可分为步进电动机、直流电动机、交流 电动机进给驱动系统； ２、按有无检测元件和反馈环节，可分为开环、闭环控制两类； 按执行元件的类别，不同的进给驱动系统的特点如下：
第一节慨述 二 同服驱动系统的分类 ☒无法显示该图片 (1)步进电机进给驱动系统 步进电机驱动系统选用功率型步进电动机作为驱动元件。主要有反 应式和混合式两类。反应式价格较低，混合式价格较高，但混合式步进电 动机的输出力矩大，运行频率及升降速度快，因而性能更好。为克服步进 电动机低频共振的缺点，进一步提高精度，步进电动机驱动装置 一般提供 半步/整步选择，甚至细分功能，并得到了广泛的应用。步进驱动系统在我 国经济型教控领域和老式机床改造中起到了极其重要的作用。 主页●目录 上一项 下一页 后退 退出
第一节 概述 二．伺服驱动系统的分类 （１）步进电机进给驱动系统 步进电机驱动系统选用功率型步进电动机作为驱动元件。它主要有反 应式和混合式两类。反应式价格较低，混合式价格较高，但混合式步进电 动机的输出力矩大，运行频率及升降速度快，因而性能更好。为克服步进 电动机低频共振的缺点，进一步提高精度，步进电动机驱动装置一般提供 半步/整步选择，甚至细分功能，并得到了广泛的应用。步进驱动系统在我 国经济型数控领域和老式机床改造中起到了极其重要的作用。 图 4-1 步进电动机及驱动
第一节慨述 同服驱动系统的分类 (2) 直冰精避给驱动系统 重流伺服驱动系统从20世纪70年代到20世纪80年代中期 在数控机 床领戟占据了主导地位。大惯量直流电动机具有良好的宽调速特性，其 输出转矩大，过载能力强。由于电动机自身惯量较大，与机床传动部件 的惯量相当，因此，所构成的闭环系统安装在机床上，几乎不需再做调 整（要安装前调整好），使用十分方便。 2真网 主页 目录 上一页 下一页 后退 退出
第一节 概述 二．伺服驱动系统的分类 （２）直流电机进给驱动系统 直流伺服驱动系统从20世纪70年代到20世纪80年代中期，在数控机 床领域占据了主导地位。大惯量直流电动机具有良好的宽调速特性，其 输出转矩大，过载能力强。由于电动机自身惯量较大，与机床传动部件 的惯量相当，因此，所构成的闭环系统安装在机床上，几乎不需再做调 整（只要安装前调整好），使用十分方便。 图 4-2 直流伺服电动机