数控机床的伺服系统思维导图
介绍数控机床的原理和伺服系统
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思维导图大纲
数控机床的伺服系统思维导图模板大纲
概述
伺服系统的组成
是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。
速度环中用作速度反馈的检测装置为，测速发动机脉冲编码器等
速度控制单元是一个独立的单元部件，由速度调节器，电流调节器及功率驱动放大器等个部分组成
位置环由CNC装置中的位置控制模块，速度控制单元位置检测及反馈控制等个部分组成
位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制，轴控制是要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合才能保证加工效率，加工精度和表面粗糙
数控机床对伺服系统的基本要求
可逆运行
要求能够灵活的正反向运行
速度范围宽
具有足够的传动刚性和高的速度稳定性
快速响应并无超调
高精度
低速大转矩
伺服系统对伺服电动机的要求
伺服系统的分类
按调节理论分类
开环伺服系统
一般包括脉冲频率变换，脉冲分配，功率放大，步进电动机，变速齿轮，滚珠丝杠螺母副，导轨副等组成环节，结构较简单调试维修都很方便，工作可靠成本低廉，但精度较低，低速时不够平稳，且容易丢步，一般多用在精确度不高的机床或技术改造上
闭环系统
是一种包含大功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧密的相应输入量的值得自动控制系统价格昂贵，一般只在大型。精密数控机床上采用
半闭环伺服系统
是一种闭环伺服系统，结构比较简单，广泛用于中小型数控机床上
按使用的执行元件分类
电液伺服系统
执行元件通常为电液脉冲马达和电液伺服马达，驱动原件为液动机和液压缸，其在低俗下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小，反应快和速度平稳等特点，但是需要油箱，油管等供油系统，体积大，此外还有噪声漏油等问题，逐渐被替代
电气伺服系统
直流伺服系统
交流伺服系统
步进伺服系统
按被控对象分类
进给伺服系统
主轴伺服系统
按反馈比较控制方式分类
脉冲，数字比较伺服系统
相位比较伺服系统
幅值比较伺服系统
全数字伺服系统
伺服系统的发展
20世纪40年代，伺服机构已经取得了较大的进展
20世纪50年度，开始用于数控机床
1959年，日本富士通开发研制了电液脉冲马达
20世纪60年度，鼎盛时期
1963年， 日本研发出小惯量直流伺服电动机
1969年，美国研发出大惯量直流伺服电动机
1976年，正式 推出以大惯量直流伺服电动机为基础的闭环直流伺服系统
1983年，美国研制出采用笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统
1986年，日本推出数字伺服系统
伺服电动机
直流伺服电动机及其工作特性
直流伺服电动机
分类
有槽式直流伺服电动机
无槽式直流伺服电动机
特点
起动转矩大，转矩/惯量比大
低速无 爬行现象，换向性能良好
转子转动惯量小，电枢自感小，所以机电时间常数小，仅为普通的1/10，因此动态响应特性好
动圈式直流伺服电动机
杯形转子直流伺服电动机
扁平形电枢直流伺服电动机
无刷直流伺服电动机
宽调速直流伺服电动机
特点
转子惯量较大，易于和机床匹配，且 使负载的影响变小
转子热容量大，耐热性能好，因此国在性能强，允许过载转矩达5~10倍
低速性能好，转矩大，可以和机床进给丝杠直接连接，省去了齿轮传动机构，从而减小了传动误差
由于电动机机械性能和调速特性的线性度好，低速能输出较大的力矩，因此调速范围宽，电动机运行平稳
工作原理
直流电动机的静态特性
建立在电磁力定律基础上，及直流切割线产生电磁转矩，电磁力的大小正比于电动机中气隙的磁场
直流伺服电动机的动态特性
永磁直流伺服电动机
基本结构
特点
有巨大的热容量
能承受高峰值电流以满足快的加减速的要求
绝缘等级高，从而保证在反复过载的情况下仍有较长的寿命
有精密的测速发电机，旋转变压器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度和信号，已反馈速度控制单元和位置控制单元
一般没有换向极和补偿绕组，通过仔细选择电刷材料和磁场的结构使较大速度下有良好的换能性
低速高转和大惯量结构可以与机床 进给丝杠有直接联系
工作原理
交流伺服电动机及其工作特性
永磁交流同步电动机的结构和工作特性、
结构
工作原理
转子磁场与定子磁场相互作用
性能
特性曲线和数据
交流主轴伺服电动机的结构和工作原理
当定子上对称三相电源后，由电源供给励磁电流，在定子与转子之间的气隙内建立起以同步转速旋转的旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子上导条内产生电磁转矩，实现由电能变为机械能的能量转化
交流伺服电流的发展
永磁交流同步伺服电动机的发展
新永磁材料的应用
永久磁铁的结构改革
与机床部件一体化的电动机
交流主轴伺服电动机的发展
输出转换型交流电动机的发展
液体冷却电动机
内装式主轴电动机
步进电动机及其工作特性
步进电动机的工作原理
进步电动机的主要特性及选用
步距角
矩角特性最大静态转矩和起动转矩
启动频率和启动时的惯频特性
连续运行的最高工作频率和矩频特性
直线电动机系统
直线电动机应用发展缓慢的原因分析
机床进给系统采用直线电动机特点分析
优点
高速响应性
高精度性
传度刚度高，推力平稳
速度快，加减速过程短
形成长度不受限制
运动安静，噪声低
效率高
问题
发热
隔磁及防护
负载干扰
垂直进给中的自重、
直线电动机进给伺服系统的几种改进设计方案分析
附加制冷机实现恒温电动机控制
无刷直流直线电动机
速度，位移反馈及位置测量误差点软件补偿
多极电磁式，双边对称结构与磁垫悬浮导轨
附加压电式微步进的组合式直线电动机
速度控制
直流进给运动的速度控制
原理
改变电枢电压
改变气隙磁通量
直流速度控制单元调速控制方式
晶阀管调速系统
晶体管脉宽制调速系统
原理及特点
脉宽调制器
开关功率放大器
直流主轴驱动的速度控制
特点及性能
控制单元
交流进给运动的速度控制
交流伺服电动机的调速方法
SPWM变频器
波形与等效正弦波
产生波形原理
变频器的主电路
SPWM变频调速系统
交流进给驱动的速度控制
采用永磁交流同步伺服电动机
交流主轴驱动的速度控制
基频以下调速
恒转矩调速
恒最大转矩调速
基频以上调速
交流伺服电动机的矢量控制
交流感应异步电动机的矢量控制
适量转换的基本思想
适量变换控制应用于数学模型
三相/二项变换、
矢量旋转变换
交流永磁同步电动机的矢量控制
基本原理
永久磁铁磁场，电枢磁动势及转矩的关系
位置控制
位置控制的基本原理
位置控制环式伺服系统的外环，他接受数控装置每个插样采补，作为位置环给定，同时，还接受每个位置采样周期测量反馈装置测出的实际位置值，然后与位置给定值进行比较，得出误差，该误差为速度环的给定
数字脉冲比较位置 控制伺服系统
数字脉冲比较位置控制系统的组成
位置环的工作原理
全数字控制伺服系统
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