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交流伺服在数控机床中的应用
20 世纪 50 年代出现数控机床以来,作为数控机床重要组成部分的伺服系
统,随着新材料、电子电力、控制理论等相关技术的发展,经历了从步进伺服
系统到直流伺服系统再到今天的交流伺服系统的过程。交流伺服技术的日益发
展,交流伺服系统将逐步全面取代直流伺服系统。
数控(Numerical Control )是数控技术的简称。它是利用数字化的信息对机
床及加工过程进行控制的一种方法。数控系统是数控机床的重要部分,它随着
计算机技术的发展而发展。现在的数控系统都是由计算机完成以前硬件数控所
做的工作,为特别强调,有时也称为计算机数字控制系统。计算机数字控制
CNC (Computer Numerical Control )系统是以微处理器技术为特征,并随着电子
技术、计算机技术、数控技术、通讯技术以及精密测量技术的发展而不断发展
完善的一种先进加工制造系统。CNC 系统框图见图 1 所示,它由数控程序、输
入输出设备、操作面板、CNC 装备、可编程控制器(PLC )、主轴伺服系统、
进给伺服系统、检测装备和一些电气辅助装置等组成。
伺服系统是以驱动装置— 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,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制
系统,它包括伺服驱动器和伺服电机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自
数控装置的指令信号,驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动,并保证动作的快
速和准确,这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术
指标往往主要取决于伺服系统。
数控机床的伺服系统发展与分类
数控机床的伺服系统应满足以下基本要求:
精度高
数控机床不可能像传统机床那样用手动操作来调整和补偿各种误差,因此
它要求很高的定位精度和重复定位精度。
图 1 CNC 系统框图
快速响应特性好
快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。它要求伺服系统跟随指令信号
不仅跟随误差小,而且响应要快,稳定性要好。在系统给定输入后,能在短暂
的调节之后达到新的平衡或是受到外界干扰作用下能迅速恢复原来的平衡状
态。
调速范围大
由于工件材料、刀具以及加工要求不同,要保证数控机床在任何情况下都
能得到最佳的切削条件,伺服系统就必须有足够的调速范围,既能满足高速加
工要求,又能满足低速进给要求。调速范围一般大于 1:10000。而且在低速切削
时,还要求有较大稳定的转矩输出。
系统可靠性要好
数控机床的使用率要求很高,常常是 24 小时连续工作不能停机,因而要求
工作可靠。
数控机床伺服系统的基本组成如图 2 所示。数控机床的伺服系统按有无反
馈检测元件分为开环控制系统和闭环控制系统。驱动控制单元是将进给指令转
化为执行元件所需要的信号,执行元件将该信号转为机械位移。开环控制系统
没有反馈检测元件和比较控制环节,这些是闭环控制系统必须的部分。
图2 伺服系统的基本组成
伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统。按有无反馈检
测元件分为开环控制系统和闭环控制系统。按执行元件的不同,分为步进伺服
系统、直流伺服系统和交流伺服系统。
步进伺服系统
在 20 世纪 60 年代以前,步进伺服系统是以步进电机驱动的液压伺服电动
机或是以功率步进电机直接驱动为特征,伺服系统采用开环控制。
步进伺服系统接受脉冲信号,它的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频
率或个数。由于没有检测和反馈环节,步进电机的精度取决于步距角的精度,
齿轮传动间隙等,所以它的精度较低。而且步进电机在低频时易出现振动现
象,它的输出力矩随转速升高而下降。又由于步进伺服系统为开环控制,步进
电机在启动频率过高或负载过大时易出现“丢步”或“堵转”现象,停止时转速过
高容易出现过冲的现象。另外步进电机从静止加速到工作转速需要的时间也较
长,速度响应较慢。但是由于其结构简单,易于调整,工作可靠,价格较低的
特点,在许多要求不高的场合还是可以应用的。
直流伺服系
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