伺服電機(servomotor)是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機,是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度,位置精度非常準確,可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制,并能快速反應,在自動控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性,可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類,其主要特點是,當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。
數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號,驅(qū)動機床移動部件跟隨指令脈沖運動,并保證動作的快速和準確,這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進給伺服控制,另外還有對主運動的伺服控制,不過控制要求不如前者高。數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標往往主要取決于伺服系統(tǒng)。
一、伺服系統(tǒng)的基本要求和特點
1.對伺服系統(tǒng)的基本要求
(1)穩(wěn)定性好:穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下,能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達新的或者回復到原有平衡狀態(tài)。
(2)精度高:伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機床,要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高,允許的偏差一般都在0.01~0.00lmm之間。
(3)快速響應性好:快速響應性是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標志之一,即要求跟蹤指令信號的響應要快,一方面要求過渡過程時間短,一般在200ms以內(nèi),甚至小于幾十毫秒;另一方面,為滿足超調(diào)要求,要求過渡過程的前沿陡,即上升率要大。
2、伺服系統(tǒng)的主要特點
(1)精確的檢測裝置:以組成速度和位置閉環(huán)控制。
(2)有多種反饋比較原理與方法:根據(jù)檢測裝置實現(xiàn)信息反饋的原理不同,伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種。
(3)高性能的伺服電動機(簡稱伺服電機):用于高效和復雜型面加工的數(shù)控機床,伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動和制動過程中。要求電機的輸出力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大,以產(chǎn)生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉(zhuǎn)平穩(wěn),以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。
(4)寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng),即速度伺服系統(tǒng):從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看,數(shù)控機床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng),其內(nèi)部的實際工作過程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應的速度給定信號后,再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機,實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機床的主運動要求調(diào)速性能也比較高,因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。
二、伺服系統(tǒng)的分類
伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動元件劃分,有步進式伺服系統(tǒng)、直流電動機(簡稱直流電機)伺服系統(tǒng)、交流電動機(簡稱交流電機)伺服系統(tǒng)。按控制方式劃分,有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等,實際上數(shù)控系統(tǒng)也分成開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)3種類型,就是與伺服系統(tǒng)這3種方式相關(guān)。
1、開環(huán)系統(tǒng)
開環(huán)系統(tǒng),它主要由驅(qū)動電路,執(zhí)行元件和機床3大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進電機,通常稱以步進電機作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進式伺服系統(tǒng),在這種系統(tǒng)中,如果是大功率驅(qū)動時,用步進電機作為執(zhí)行元件。驅(qū)動電路的主要任務是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需的信號。
2、閉環(huán)系統(tǒng)
閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路和機床5部分組成。其構(gòu)成框圖如圖2所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中,檢測元件將機床移動部件的實際位置檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng);把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在,半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。
比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號和反饋信號進行比較,兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差,經(jīng)驅(qū)動電路,控制執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動,直到跟隨誤差為零。根據(jù)進入比較環(huán)節(jié)信號的形式以及反饋檢測方式,閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)3種。
由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號比較微弱,不足以驅(qū)動執(zhí)行元件,故需對其進行放大,驅(qū)動電路正是為此而設置的。
執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號,即來自比較環(huán)節(jié)的跟隨誤差信號,將表示位移量的電信號轉(zhuǎn)化為機械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動機、交流電動機等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分,驅(qū)動電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的。
三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向
隨著生產(chǎn)力不斷發(fā)展,要求伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。
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