数控机床故障诊断与维修第四章4

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1、模块三:典型数控系统的硬件结构及硬件故障的诊断与维修课题四伺服单元的结构及工作原理主讲:张红旗黄冈科技职业学院机电汽车工程系课题四伺服单元的结构及工作原理一.伺服系统基础知识课题四伺服单元的结构及工作原理一.伺服系统基础知识1.伺服的含义4.直流伺服系统5.交流伺服系统2.三环结构3.位置控制环节本节学习内容一.伺服系统基础知识１.伺服的含义伺服是英文单词Servo的谐音，意为“待侯”及“听话”等，引进到控制技术中来，指受控制部件服从指挥，如工作台让走到哪里就走到哪里。一.伺服系统基础知识数控机床中的

2、伺服系统（ServoSystem）就是为了实现各轴向上速度及位置等的精确控制，如主轴速度控制和定位控制，特别是X.Z等轴向工作台的进给伺服控制，控制好定位精度为切削精度提供了保证。伺服系统中的电动机又被称为伺服电动机。主轴上早期采用直流电动机，现在采用交流异步电动机。由于进给系统要求更高,依次采用了步进电动机.直流伺服电动机和交流永磁同步式伺服电动机。因交流电动机无换向装置几乎免维修，且成本相对较低，现在广泛使用。一.伺服系统基础知识2.三环结构通过长期的生产实践发现，伺服系统中采用三环结构是目前实现

3、高精度控制的最好方法，即位置环.速度环.电流环。又分别被称为外环.中环.内环。这三环是相互制约关系，使控制达到了极其完善。一.伺服系统基础知识提示:对于主轴驱动而言，要求有较大调速范围和较大转矩，其精度要求低于进给系统，常常只需控制速度的稳定性且无需位置环。所以伺服系统的讲解以进给系统为主进行。一.伺服系统基础知识介绍一.伺服系统基础知识位置环速度环电流环转换驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG位置环、速度环和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大

4、器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。一.伺服系统基础知识位置环（外环）：输入信号为CNC的指令和位置检测器反馈的位置信号速度环（中环）：输入信号为位置环的输出和测速发电机(多数为光电编码器)经反馈网络处理后的信号电流环（内环）：输入信号为速度环的输出信号和经电流互感器得到的电动机电枢回路电流信号在三环系统中，位置环的输出是速度环的输入；速度环的输出是电流环的输入；电流环的输出再去直接控制功率变换单元，这三个环的反馈信号都是负反馈。一.伺服系统基础知识介绍一.

5、伺服系统基础知识位置环速度环电流环转换驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG从电路结构看，三个环的控制模块都是调节器，有时采用比例调节器(P调节器)，有时采用比例积分调节器(PI调节器)，有时为比例积分微分调节器(PID调节器)。从具体电路来讲，有时相当复杂，有时简单到只有一个电位器或滤波电路。最近发展技术是利用CNC内部硬件或软件形式完成三环的工作，提高了控制精度且降低了维修难度，如位置环上的故障我们着重去检查位置检测器了。一.伺服系统基础知识现代技术中位置环控制模块交给CNC实现(硬件或软件方法)

6、一.伺服系统基础知识位置环是进给伺服系统中十分重要的环节，根据位置环上有无检测器及检测方式的不同可分为:开环控制(早期，精度低，使用步进电动机)半闭环控制(间接检测反馈，精度较高)闭环控制(直接检测反馈，精度高，机床不易调整，易出现工作台振荡或爬行)3.位置控制环节一.伺服系统基础知识开环进给伺服系统示意图一.伺服系统基础知识半闭环控制系统示意图一.伺服系统基础知识闭环控制系统示意图一.伺服系统基础知识速度环检测元器件：测速发电机和光电编码器(有的在电动机出厂前己安装在其内部)电流环检测元器件：电流互

7、感器位置环检测元器件:用于半闭环的有脉冲编码器(又分为光电式.接触式和电磁感应式三种).旋转变压器和旋转式感应同步器等.用于闭环的有光栅尺.磁栅尺和直线式感应同步器等。编码器光栅尺1光栅尺工作原理一.伺服系统基础知识光栅尺工作原理:标尺光栅和指示光栅都是由窄的矩形不透明的线纹和其等宽的透明间隔所组成的，标尺光栅不动，指示光栅沿标尺光栅移动时，光电元件所产生出来的光电流变化也是连续的，近似于正弦波，根据波形数量可确定移动距离。并且指示光栅的线纹部分分成两相，彼此错开1/4栅距，并配上两相物镜和光电元件使

8、其输出信号在相位上相差90度，其中一相作为参考信号，则根据另一相信号超前或滞后参考信号90度，可用来确定指示光栅向哪一方向移动。一.伺服系统基础知识4.直流伺服系统直流伺服系统是以直流电动机为控制对象的系统，是由三环结构.功率变换单元.伺服驱动单元.直流电动机等组成。直流电机有起动转矩大，调速方便等优点，早期数控机床上得到广泛应用，但其有换向器及电刷，极易出故障且成本高，现在逐步被交流电动机所取代，交流伺服的很多控制方法与直流伺服大到相同，所以有必要加以