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课 时 授 课 计 划 编号：10 授课日期 授课班级 授课时数 2 13数控技术20 13数控技术21 课 题 数控原理与应用 模块四 伺服驱动系统 §4.1 开环驱动系统 教学目的 了解步进电机的工作原理； 掌握步进电机的驱动原理及应用 教学重点 步进电机的工作原理及特性 教学难点 步进电机的驱动及控制 课堂类型及教学方法 讲授课 讲授、分析、讨论、对比、多媒体教学 教具、挂图 CAI课件 教学过程 如下
教研室主任签字： 年 月 日 任课教师：林芝兰
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☆组织教学 ☆复习旧课 提问复习 ☆讲授新课 介绍基本概念 结合实际进行对比说明 考勤 数控机床有哪些常用的位置检测元件？ 模块四 伺服驱动系统 §4.1 开环驱动系统 一、伺服系统认识 1. 基本概念 伺服（Servo）系统又叫随动系统， 是一种能够跟随指令信号的变化而动作的自动控制装置。 根据实现方法不同， 可以分为机械随动（仿形）系统、 液压伺服系统、 电气伺服系统等， 目前的数控机床均采用电气伺服系统。 伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。 伺服驱动装置的主要功能是功率放大和速度调节，将弱信号转换为强信号，并保证系统的动态性能；伺服电动机用来将电能转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。 数控机床的伺服系统，包括进给伺服系统和主轴伺服（驱动）系统。 进给伺服系统是以机械位移（位置控制）为直接控制目标的自动控制系统，用来保证加工轮廓；主轴伺服（驱动）系统是以速度控制为主，提供切削过程中需要的转矩和功率。 2．数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求是： ① 调速范围宽，在大的速度范围内运转稳定。 一般要求速比可达1:10000，最低稳定运转速度nmin≤0.1r/min。 ② 负载特性硬，抗扰动能力强。 能保证切削过程中受负载冲击时速度不变，尤其在低速时，应有足够的负载能力。 ③ 反应速度快。 一般要求，伺服响应时间为几十毫秒，伺服电机角加速度≥4000rad/s2，即从静止状态加速到额定转速1500r/min，所需时间不大于0.2秒。 ④ 准确度高。 定位精度和重复定位精度可达到0.01～0.001mm，甚至0.1um。 3．进给伺服系统的分类 进给伺服系统按其结构可以分为开环控制和闭环控制两大类。 开环控制系统用步进电动机作为驱动元件，由于它没有位置反馈回路和速度控制回路，具有简单、经济的优点，被广泛用于中、低档数控机床及一般的机床改造。 闭环伺服系统采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动元件，根据位置测量元件的安装位置不同又分为半闭环和全闭环两种形式。
二、开环步进电动机驱动系统 开环伺服系统无位置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作， 对运动误差没有检测反馈和处理修正过程。 其典型代表是步进电动机开环进给伺服系统，如图4.1柳州铁道职业技术学院教师备课教案
重点： 看图讲解 所示。 齿轮箱 工作台步进电动机 指令脉冲数控环形步进电动机 装置分配器功率放大器 电源 一） 步进电动机 1. 步进电动机的特点 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电执行元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角度，称为一步，所以称为步进电动机。 步进电机具有如下优点： （1）转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制，有脉冲就走，无脉冲则停，旋转方向由通电顺序决定。 （2）体积小，重量轻，价格低。 （3）驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。 （4）精度高，惯性小，容易调试。 其主要缺点如下： （1）使用不当时，会引起 “失步”或“过冲”。 （2）运转时有振动和噪音。 （3）额定转速较低，最高频率一般不超过18kHz。 2. 步进电动机的分类 （1） 反应式步进电动机 反应式步进电机的定子和转子由硅钢片或其他软磁材料制成，定子上有励磁绕组，绕组相数一般为二、三、四、五、六相，步距角一般为0.36°～3°。 反应式步进电机结构简单，价格便宜，步距角小，其缺点是励磁电流大，带惯性负载能力差，容易“失步” 和“振荡”，断电后无保持转矩。其产品系列代号为BF，如：110BF02等。 2） 永磁式步进电动机 永磁式步进电机的定子由软磁材料制成，定子上有励磁绕组；转子由永久磁铁制成，步距角一般为15°、22．5°、30°、45°等。永磁式步进电机控制功率小，省电，运行稳定，断电后有保持转矩；但是其步距角太大。其产品系列代号为BY。 3） 混合式步进电动机 3. 步进电动机的工作原理 （1）反应式步进电机工作原理 三相反应式步进电机外形结构如图4.2所示，其定子上有A、B、C三对磁极，分别绕有A、B、C三相绕组，三对磁极在空间上相互错开120°；转子上有20个齿，没有绕组，每个齿在空间上相隔18°，它在定子磁场中被磁化而呈现极性。当A相磁极与转子齿对齐时，B相磁极与转子齿错开18°/3=6°, C相磁极与转子齿错开2×18°/3=12°