1、第4章 数控机床伺服系统知识目标1.掌握伺服系统的组成及工作原理。2.熟悉步进、交直流伺服电动机伺服驱动原理。能力目标1.会连接CNC装置与伺服驱动器信号线。2.会应用典型伺服驱动装置。4.1 伺服的组成与分类4.1.1 伺服系统的组成数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、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。闭环伺服系统主要由以下几个部分组成：1)CNC装置 2)伺服驱动3)执行元件 5)位置反馈电路 6)速度反馈电路 4.1.2 伺服系统的分类1.按控制原理分类1)开环伺服系统 开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节2)闭环伺服系统 闭环伺服系统将直
2、线位移检测装置安装在机床的工作台上。系统精度只取决于测量装置的精度和安装精度。3)半闭环伺服系统 半闭环控制系统的位置和速度检测元件一般安装在伺服电动机的非输出轴端上。步进电动机具有如下特点：1)步进电动机角位移量与输入脉冲的数量成正比，转速与输入脉冲的频率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向。2)控制绕组电流不变，步进电动机不转动。3)有一定的步距精度、没有累积误差。3.步进电动机主要特性1)步距角及步距角误差 2)静态矩角特性3)启动频率 4)连续运行频率 6)加减速特性 。2.步进电动机种类和结构步进电动机按其输出扭矩的大小，可分为快速与功率步进电动机。按其励磁相数可分为三相、
3、四相、五相、六相步进电动机。按各相绕组的分布形式，分为轴向式和径向式步进电动机。按其工作原理可以分为磁电式、反应式和混合式步进电动机。4.2.2 驱动控制电路1.环形分配器1)硬件环形分配器 不同相数的步进电动机，提供完成环形分配功能的集成电路芯片。2)软件环形分配器在数控系统中，常利用软件程序实现脉冲分配功能。将控制字(步进电动机各相通断电顺序)从内存中读出，经送到并行口输出。2.驱动放大电路1)单电压驱动电路晶体管VT可以认为是一个无触点开关，工作在开关状态。2)高低压驱动电路 采用高压和低压两种电源供电3)恒流斩波驱动 步进电动机绕组中的电流维持在额定值附近。4.2.3 上海开通步进伺服
4、系统应用1.连接信号含义2.控制方式3.接线图 4.3 直流进给伺服驱动系统4.3.1 直流电动机的调速控制直流电动机调速方法有以下三种：(1)改变电动机控制电压，即改变电枢电压。(2)改变磁通，即改变励磁回路电流。(3)改变电枢回路电阻。4.3.2 直流进给伺服调速系统1.晶闸管调速系统(可控硅SCR)(1)系统组成(2)系统的工作原理当给定速度指令信号增大时，该信号经与速度反馈信号比较产生较大的偏差信号，经放大加到速度调节器的输入端，调节器的输出电压随之加大，使触发器的触发脉冲前移，SCR输出电压提高，电动机转速上升。2.脉宽调速系统(PWM)脉宽调制PWM，就是使功率放大器中的晶体管工作
5、在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改变输出，从而使电动机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。1)PWM主回路2)PWM驱动电路 3)PWM调速系统优点(1)避开了机械的共振(2)电枢电流脉动小 (3)电流波形系数 (4)功率损耗小 (5)频带宽(6)动态硬度好 (7)响应很快4.3.3 FANUC PWM直流进给驱动1.伺服控制框图2.PWM调制 4.4 交流进给伺服驱动系统4.4.1 交流伺服电动机分类和特点1.分类和特点交流伺服电动机可分为异步型和同步型。2.永磁式交流伺服电动机永磁同步伺服电动机的特点(1)机械特性硬(2)高可靠性 (3)热
6、容量大 (4)转子惯量小，电动机的加速度高，响应快。4.4.2 同步交流伺服电动机速度控制1.调速原理2.SPWM变频器4.4.3 西门子611A系列交流伺服系统1.611A的结构与组成2.SIMODRIVE 611A系列交流伺服的连接 611A伺服驱动内部连接有两个总线，一个DC600V/625V直流电源母线，由电源模块输出，通过专用铜排连接到主轴和伺服功率驱动板上；另一个为设备总线，也是由电源模块输出，通过西门子专用总线连接器连接到主轴和伺服驱动调节器板上。4.5 主轴伺服驱动系统 4.5.1 常用直流主轴伺服系统4.5.2 常用交流主轴伺服系统1.FANUC串行数字控制的主轴驱动1)电源
7、模块的结构(1)DC Link盒 (2)STATUS状态指示灯(两位数码管)(3)CX1A (4)CX1B 200V交流输出接口。(5)CX2A、CX2B DC24V输出接口。(6)直流母排电压显示(充电指示灯)(7)JX1B (8)CX3 (9)CX4 ESP(10)S1、S2 (11)检测脚的测试端(针)2)系列主轴模块结构 (1)P、N DC Link端口。(2)STATUS (3)CX1A/CX1B (4)CX2A/CX2B (5)DC LINK充电灯(6)JX4(7)、(8)JX1A/JX1B (9)JY1 (10)JA7B (11)JA7A (12)JY2(13)JY3(14)JY
8、4 (15)JY5 (16)U、V、W 。3)FANUC的 系列主轴模块的连接2.SIEMENS主轴伺服系统1)主轴电机电枢连接 2)速度给定连接端子X421 3)驱动“使能”与可定义输入连接端X431 4)模拟量输出连接端X4515)驱动器触点输入/输出连接端X4416)测速反馈信号接口X412 7)位置反馈信号接口X432 8)RS232接口X411 9)传感器的输入接口X433 。4.5.3 主轴变频器调速1.安川变频器控制回路功能及端子接线4.5.3 主轴变频器调速1.安川变频器控制回路功能及端子接线4.5.3 主轴变频器调速1.安川变频器控制回路功能及端子接线2.数控机床CNC系统与
9、变频器的信号1)CNC到变频器的信号(1)主轴正转信号(1-11)、主轴反转信号(2-11)(2)系统故障输入(3-11)(3)系统复位信号(4-11)(4)主轴电动机速度模拟量信号(13-17)(5)主轴点动信号(7-11)2)变频器到CNC的信号(作为PLC输入)(1)变频器故障输入信号(19-20)(2)主轴速度到达信号(26-27)(3)主轴零速信号(25-27)3)变频器到机床侧的信号(1)主轴速度表的信号(2)主轴负载表的信号3.变频器功能参数的设定及操作1)变频器参数的设定 2)变频器编程器的操作4.6 全数字式伺服系统4.6.1 全数字式伺服系统的构成和特点数控机床进给伺服系统
10、需要处理位置环、速度环和电流环的控制信息。根据这些信息是用软件来处理还是用硬件处理，可以将伺服系统分为全数字式和混合式。4.6.2 西门子611D数字伺服系统1.伺服驱动功率模块驱动功率模块和控制模块一起完成逆变，主要是提供逆变的功率单元及其保护电路。2.伺服驱动控制模块伺服驱动控制模块是伺服驱动的控制中心，主要完成电流、速度、位置的调节与控制，为驱动功率模块的绝缘栅双极型晶体管IGBT提供控制信号。4.6.3 SINAMICS S120伺服驱动器S120驱动系统采用了最先进的硬件技术、软件技术以及通讯技术，高速驱动接口，配套的1FK7永磁同步伺服电机具有电子铭牌，系统可以自动识别所配置的驱动系统。具有更高的控制精度和动态控制特性，更高的可靠性。S120有书本型驱动器和用于单轴AC/AC模块式驱动器实训项目 步进伺服系统的调试与使用1.实训目的1)熟悉步进驱动系统的控制原理。2)掌握步进驱动与 802S之间连接。3)了解步进驱动系统的进给速度与指令脉冲频率关系。2.实训内容数控系统选用SINUMERIK 802S Baseline，通过实训，学生掌握数控车床的X、Z步进伺服系统的连接与调试。(1)电源的连接(2)指令与“使能”信号的连接(3)“准备好”信号的连接(4)电动机的连接(5)实训考核
