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数控机床中的伺服系统基础知识介绍

信息来源:plantb2b.com  时间:2010-07-16  浏览次数:62

  数控机床中的伺服系统
  伺服系统是以机械运动的驱动设备—电机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构的电气传动控制系统。这类系统控制电机的转矩、转速和转角,将电能转换为机械能,实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中,伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令,经变换、放大与调整后,由电机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴带动工作台及刀架,通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动,从而加工出用户所需的工件。
  作为数控机床的执行机构,伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体,并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步,经历了从步进到直流,进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多,本文通过分析其结构及简单归分,对其技术现状及发展趋势作简要探讨。
  伺服系统的结构及分类
  从基本结构来看,伺服系统主要由三部分组成:控制器、功率驱动装置、反馈装置和电机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差,调节控制量;功率驱动装置作为系统的主回路,一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电机之上,调节电机转矩的大小,另一方面按电机的要求把恒压、恒频的电网供电转换为电机所需的交流电或直流电;电机则按供如根据驱动电机的类型,可将其分为直流伺服和交流伺服;根据控制器实现方法的不同控制工程网版权所有,可将其分为模拟伺服和数字伺服;根据控制器中闭环的多少,可将其分为开环控制系统,单环控制系统,双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用,本文首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服,然后再根据其他成要素来探讨不同伺服系统的技术特性。
  进给伺服系统
  进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象,产生机床的切削进给运动。为此,要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度,并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽,位移精度高,稳定性好,动态响应快。根据系统使用的电机,进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。
  步进伺服系统
  步进伺服是一种用脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比,通过改变脉冲频率可调节电机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态,则系统还具有自锁能力。步进电机每转一周都有固定的步数,如500步、1000步、50000步等等,从理论上讲其步距误差不会累计。
  步进伺服结构简单,符合系统数字化发展需要,但精度差,能耗高,速度低,且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于产生“失步”,使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术,使得步进电机的高、低频特性得到了很大的提高,特别是随着智能超微步驱动技术的发展,将步进伺服的性能提高到一个新的水平。
  直流伺服系统
  直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流,它们分别控制励磁电流与电枢电流,可方便地进行转矩、转速控制。另一方面从控制角度看,直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统,经典控制理论完全适用于这种系统,因此,直流伺服系统控制简单,调速性能优异,在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。
  然而,从实际运行考虑,直流伺服电机引入了机械换向装置。其成本高,故障多,维护困难,经常因碳刷产生的火花而影响生产,并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力,限制了电机的容量和速度。电机的电枢在转子上,使得电机效率低,散热差。为了改善换向能力,减小电枢绕组的漏感控制工程网版权所有,转子变得短粗,影响了系统的动态性能。
  交流伺服系统
  针对直流电机的缺陷,如果将其做“里翻外”的处理,即把电枢绕组装在定子,转子为永磁部分控制工程网版权所有,由转子轴上的编码器测出磁极位置,就构成了永磁无刷电机,同时随着矢量控制方法的实用化,使交流伺服系统具有良好的伺服特性。宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制拓宽了系统的调速范围适应了高性能伺服驱动的要求。
  目前在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统,有三种类型:模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一只接收模拟信号位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令各种参数均以数字方式设定稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和