第五章数控机床的伺服驱动系统
《数控机床故障诊断与维护》课程标准
《数控机床故障诊断与维护》课程标准课程代码：学时：64 学分：4一、课程的地位与任务《数控机床故障诊断与维护》是一门专业课程，先修课程有机械制造、气动液压、电控及PLC 技术应用等。
本课程是机电技术的综合应用，对学习机、电技术综合能力的培养有明显的促进作用。
同时也是数控的一门专业主干核心课程，具有实践性强、应用面广的特点。
通过《数控机床故障诊断与维护》的教学，使学生能够获得数控机床的基本理论和基本知识，初步掌握数控机床故障诊断与维护的基本思路、基本方法和基本原则，具有分析并排除数控机床常见故障的能力。
为今后学习后续课程和从事相关工作打下扎实的基础。
二、课程的主要内容和学时分配1.课程的主要内容第一章数控机床维修与维护基础第一节数控机床概述(1)数控机床的产生背景(2)数控机床的基本概念(3)数控机床的组成(4)数控机床的工作过程(5)数控机床的种类(6)数控机床的常用数控系统简介第二节数控机床的故障维修基础(1)数控机床的故障定义(2)数控机床常见故障的特点与规律(3)数控机床常见故障的种类(4)数控机床发生故障时的诊断方法第三节数控机床的日常维修维护与保养(1)数控机床日常维修维护工作的内容(2)数控机床机体的维护与保养(3)数控机床电气控制系统的日常维护(4)数控机床维修人员应具备的基本要求(5)数控机床的维修维护的技术资料(6)数控机床故障诊断与维护常用仪器仪表及工具第四节FANUCOi系统数控机床基本操作(1)数控机床面板介绍(2)数控机床的基本操作(3)手动进给操作第二章数控系统硬件故障诊断与维护第一节数控系统硬件概述第二节数控系统硬件的更换方法第三节数控系统硬件故障的诊断方法第四节数控机床的抗干扰措施第三章数控系统软件故障诊断与维护第一节数控系统软件的组成第二节数控系统的参数设置第三节数控系统的参数备份与恢复第四节数控系统软件故障的诊断与处理方法第四章数控机床PLC故障诊断与维护第一节数控机床PLC基础(1)数控机床中PMC的用途(2)数控机床用PLC种类(3)数控机床PLC梯形图程序(4)数控机床PLC梯形图符号第二节数控机床用PLC的操作(1)FANUCOi数控系统的PMC调试功能(2)PMC的基本操作(3)PMC编程实例第三节数控系统PMC故障诊断(1)数控系统PMC的故障类型及原因(2)通过PMC进行故障诊断的方法(3)数控机床PMC控制功能程序分析(4)典型PLC故障的分析与诊断流程第五章数控机床进给伺服系统故障诊断与维护第一节进给伺服系统的概述(1)进给伺服系统的组成(2)数控机床对进给伺服驱动系统的要求(3)进给伺服驱动系统的分类第二节步进电动机伺服系统及工作原理(1)步进进给伺服驱动系统(2)步进电动机进给伺服驱动系统的工作原理(3)步进电动机驱动系统的常见故障与维修第三节交流伺服进给驱动装置的组成及工作原理(1)交流进给伺服系统的特点(2)模拟式交流伺服控制原理(3)数字交流伺服系统控制原理(4)交流伺服系统的维护与调整第四节位置检测装置的组成及工作原理(1)位置检测装置的要求(2)位置检测方式分类(3)位置检测元件及其维护(4)位置检测故障的诊断第六章主轴驱动系统故障诊断与维护第一节数控机床主轴驱动系统基本知识(1)数控机床对主轴传动的要求(2)主轴系统分类及特点(3)主轴伺服系统故障的形式及诊断第二节交流主轴伺服系统概述(1)交流主轴伺服系统的特点(2)交流主轴调速原理(3)交流数字式主轴伺服系统（4）交流模拟式主轴伺服系统第三节交流主轴驱动系统故障诊断与维修（1）交流数字式主轴伺服系统故障的诊断与排除（2）交流模拟式主轴伺服系统故障的诊断与排除（3）主轴伺服系统故障实例及分析第七章数控机床机械结构故障诊断与维护第一节数控机床精度的检验第二节主传动机械结构的维护与维修第三节进给系统机械传动结构的维修第四节换刀装置的维护与故障诊断第五节其它辅助故障诊断与维护2.学时分配本课程在教学过程中，强调基础理论和基本概念的掌握，同时注重学生的实际动手操作，要求能把基础理论应用于实践中，让学生具备处理和排除数控机床基本故障的能力。
5数控机床伺服驱动和检测
10
第一节 概述
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格 也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服 驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转 子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单， 适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展， 其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已 在数控机床中得到广泛应用。 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演 变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的 一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中， 采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电 动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法 达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还 处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术 的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给 驱动的机床会得到广泛应用。
选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。
分辨率（分辨角）α
设增量式码盘的规格为 n 线/转：
18
二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
19
二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
20
二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
2
第一节 概述
数控机床闭环进给系统的一般结构如图所示，这是一个双闭环系统，内环 为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速 度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系 统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由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部分组成。由速度 检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机 轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置 来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位 置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相 应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
第五章 数控机床的伺服驱动系统
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
D/A 转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
图 5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
工作台
光栅或光 电编码器
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
数控机床的伺服驱动系统
（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺
服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。
（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚 未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2
－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台 正向进给。
CP A9 ≥1
CP
RC
+Vcc B
A A10 RD Q +Vcc
A3
DS
A4
Q CP
≥1
A7
DS
CPQ
A8 ≥1
RC
+Vcc BQ
A A11 RD +Vcc
D Q7 A12
《数控机床电气控制》教学大纲
《机床数控原理与系统》教学大纲一、课程基本信息二、课程目标与任务本课程是数控技术应用与数控设备维修专业的主干必修课程。
本课程任务是使学生熟悉数控机床控制系统的组成、各组成部分的功能及数控机床工作原理。
通过对数控原理和典型数控系统的分析和介绍，使学生掌握数控装置、伺服系统、检测装置、可编程控制器在数控机床上的功能和应用，并掌握这些部件与机床本体配接的知识。
学完本课程，学生应具有初步分析现场生产问题、进行数控机床简单设计、进行数控机床调试和维修的能力。
三、课程教学内容与要求备注：以下涉及的章节与特定教材无关，仅表示知识顺序。
第一章数控机床控制技术概述（General description ）第二章计算机数控装置(CNC controls)第三章位置检测装置(Position detectors)第四章驱动电机与驱动装置(Motors and drives)第五章数控机床伺服系统(Servo systems)第六章数控系统的组成及典型数控系统介绍(Typical CNC controls)第七章辅助功能与PLC(PLCs in the CNC machine)第九章数控机床控制技术应用实例(Examples of CNC application)四、课内实践教学要求课内实践教学项目及学时分配五、教学时数分配“机床数控原理与系统”课程学时分配表六、本课程与其它课程的联系“机床数控原理与系统”课程内容体系结构由两门先修课程“数控机床操作与编程” 、“ 机床电气控制与PLC” 、一门主干课程“机床数控原理与系统”、一门辅助课程“数控技术专业英语”和一门后续课程“数控机床故障诊断与维护”组成，按数控技术应用和数控设备维修两个专业方向在不同学期开设。
七、教学法建议•建议改过去“教师填鸭式”的教学为“教师指导式”的教学。
可采用学生自学老师提问、学生上讲台或黑板讲解或答题等方式，鼓励学生各抒己见，时刻注意学生的反应，避免满堂灌，增加师生互动。
伺服驱动系统原理
伺服驱动系统原理
伺服驱动系统的工作原理主要包含以下几个步骤：
1. 输入信号处理：伺服驱动系统接收来自控制器的输入信号，这些信号通常是模拟或数字信号。
输入信号经过处理后将传递给驱动器。
2. 反馈信号采集：伺服驱动系统通过反馈装置采集伺服电机的位置或速度信息。
这些反馈信号将用于控制伺服电机的运动。
3. 误差计算：伺服驱动系统将输入信号和反馈信号进行比较，计算出误差。
误差是控制器用来调整驱动器输出信号的基础。
4. 功率驱动单元：功率驱动单元通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。
再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动交流伺服电机。
这个过程可以简单的理解为AC-DC-AC的过程。
5. 控制方式：伺服驱动器一般都有三种控制方式：位置控制方式、转矩控制方式、速度控制方式。
总的来说，伺服驱动系统是一个非常复杂的系统，其工作原理涉及多个环节和步骤。
如需了解更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
部分习题解答
部分习题解答省级精品课程《数控加工技术》习题解答第一章数控加工技术概论1.1 数控加工技术的概念是什么?其主要发展历程经过哪几个阶段?答:1）数控加工技术是集传统的机械制造、计算机、现代控制、传感控制、信息处理、光机电技术于一体，在数控机床上进行工件切削加工的一种工艺方法，是根据工件图样和工艺要求等原始条件编制的工件数控加工程序输入数控系统，控制机床刀具与工件的相对运动，从而实现工件的加工。
2）数控加工技术主要发展历程经过了二个阶段6个时代。
第一阶段：数控（NC）阶段，又称为硬件数控阶段，从1952年~1970年。
第一代数控（1952-1959年）：采用电子管构成的硬件数控系统；第二代数控（1959-1965年）：采用晶体管电路为主的硬件数控系统；第三代数控（1965年开始）：采用小、中规模集成电路的硬件数控系统；第二阶段：计算机数控（CNC）阶段：又称为软件数控阶段，从1970年~现在。
第四代数控（1970年开始）：采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统；第五代数控（1974年开始）：采用微型计算机控制的数控系统；第六代数控（1990年开始）：采用工控PC机的通用CNC系统。
1.2 数控机床的工作原理是什么？数控加工的特点有哪能些？答：1）将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，并输入数控装置，经过信息处理、分配，控制机床各坐标轴以最小位移量(通常只有0.001mm)为单位进行移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。
数控机床的加工，实质是应用了“微分”原理。
2)数控加工的特点有：1)自动化程度高，能减轻工人的劳动强度和改善劳动条件；2)零件加工精度高、加工质量稳定；3)加工生产率高；4)良好的经济效益；5)复杂产品加工能力强；6)适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件；7）有利于生产管理的现代化。
1.3 数控机床由哪能几个部分组成?各个部分的基本功能是什么?答:1)数控机床由控制介质、数控装置、伺服系统、检测系统和机床本体五部分组成。
数控机床进给伺服驱动系统.ppt
• 脉冲、数汾字比较伺服系统
• 经相位比较伺服系统
• 碎 幅值比较伺服系统
•增 全数字伺服系统
第二节 步进伺服驱动厂控制
•
在数机控机床中使用的伺服电脆动机有
步进电动机、直黍流伺服电动机、交流伺遁
电动机和直线电动机等卧。步进伺服驱动系
统的甥执行元件是步进电机。
步进电蔼动机一般用于开环伺服殊系统中， 没有位置反馈训环节，位置控制精度由舰步进电 动机和进给链来决定。
嚏
曲线2—实际的借移
正补偿脉冲 B 动（有螺距的误差）
误差
锰
曲线3—补偿前的误
沛差曲线
艘
O
补偿脉冲
曲线4—补偿后的误
图5-16 螺距误差补偿原理
差曲线
曲线 1 - 理想的移动（没有螺距的误差）曲线 2 - 实际的移动（有螺距的误差）
第三节 闭环伺服控制先原理与系统
闭环控制的特点：坏工作可靠，抗干扰性强砍，精度高，但增加 了位翁置检测、反馈、比较等盼环节，结构复杂，调试嗜困难。
– 实现方法：
• 安俩置两个补偿杆 • 按照螺範距误差在补偿杆上设置疡挡块 • 工作台移动时行力程开关与挡块接触
时进行补偿。
第二节 步进伺服驱动明控制
机床运动
1 2
0.01 mm l
O
误差
3
O
脉冲数
1
2
0
脉冲数
-1
-2
微动开关 A
补偿杆 A
补偿杆 B
B
曲线1—理想的移动
（叼没有螺距误差）
负补偿脉冲 A
第五章 数控机床的进俺给伺服系统
第一节 概述讹
一、定义：
伴 进给伺服系统(吏Feed Servo硅 System)——毙以移
数控机床的进给伺服系统概述
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
数控机床伺服驱动系统
变挡机构
电磁离合器变挡机构：电磁离合器可以通过控制线圈的通 断，来控制传动链接续和切断，便于实现电气自动控制。 其缺点是体积较大，产生的磁通易使机械零件磁化。在数 控机床主轴传动中，使用电磁离合器可简化变速机构，通 过安装在各传动轴上离合器的吸合与分离，形成不同的运 动组合传动链，实现主轴变速。数控机床常使用无滑环摩 擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。摩擦片式电磁离 合器采用摩擦片传递转矩，允许不停车变速。但如果速度 过高，会产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离合器将摩擦面 加工成一定的齿形，可提高传递转矩，缩小离合器的径向 和轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑，减少摩擦势，但牙嵌 式电磁离合器必须在低速时才能变速。
数控机床对伺服系统的基本要求
5）低速大转矩 机床加工的特点是，在低速时进行重切削。
因此，要求伺服系统在低速时要有大的转 矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒转矩 控制，在整个速度范围内都要保持这个转 矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转 矩控制，能提供较大转矩；在高速时为恒 功率控制，具有足够大的输出功率。
数控机床对伺服系统的基本要求
2）稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作
用下，能在短暂的调节过程后，达到新的 或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统 要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证 数控机床正常工作的条件，直接影响数控 加工的精度和表面粗糙度。
数控机床对伺服系统的基本要求
3）快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反
削速度与主轴转速的关系可知，若保持切削速v恒定不变， 当切削直径D逐渐减小时，主轴转速n必须逐渐增大。
数控装置必须设计相应的控制软件来完成主轴转速的调整。 车削端面过程中，切削直径变化的增量为
Di 2Fti
数控机床伺服系统
直流脉宽调速系统的优点 PWM驱动装置与一般晶闸管驱动装置相比 具有以下优点： ①需用的大功率可控器件少，线路简单。 ②调速范围宽。 ⑧快速性好。 ④电流波形系数好，附加WM驱动装置 的不足在于过载能力差，在大功率场合， 还不能与晶闸管相抗衡，
3、转速电流双闭环系统
晶体管直流脉宽(PWM)调速系统
调速的方法是改变加在电机电枢两端电压 的平均值。一个不变的整流电压，如何 改变它的平均电压呢? 使用的方法是改变占空比，也就是让晶体 管断续地导通，实现的方法是需要为晶 体管的基极提供振荡的电流信号。 调节基极电流的占空比是通过脉冲宽度调 制器实现的。 制器实现的。
幅值比较伺服系统以位置检测信号的幅值大小反 映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈 信号，一般还要转换成数字信号才能与指令信 号进行比较，而后获得位置偏差信号构成闭环 控制系统。此类伺服系统的位置检测装置多用 感应同步器或旋转变压器。
相位比较和幅值比较系统从结构上和安装 维护上都比脉冲、数字比较系统复杂和 要求高，因此，一般情况下脉冲、数字 比较伺服系统应用最为广泛，相位比较 系统又比幅值比较系统应用的多。 (4)全数字伺服系统
直流电动机调速：
永磁直流伺服电机的速度一转矩特性曲线， 也称工作特性曲线
直流电机晶闸管供电的速度控制系统
1、速度负反馈有静差单闭环调速系统
2、无静差转速负反馈单闭环调速系统
上述两种单闭环调速系统仅适合于一般要求不高的调速系统， 上述两种单闭环调速系统仅适合于一般要求不高的调速系统， 对于高性能的调速系统，如数控机床进给伺服系统， 对于高性能的调速系统，如数控机床进给伺服系统，要求快速 启动、制动、动态特性好，通常采用转速电流双闭环系统。 启动、制动、动态特性好，通常采用转速电流双闭环系统。
《数控原理与系统》第5章-进给运动的控制
1. 对定位误差的影响
简化位置闭环控制系统的开环传递函
数为
Gk(s)s(TKs1)
由此看出， 该系统为典型的I型系统， 因此不存 在位置定位稳态误差。 其闭环传递函数为
GB(s)
T
s2
1 1
s1
KK
第5章 进给运动的控制
根据典型二阶振荡环节的特性，
其阻尼比与振荡角频率为
1/ 1
2 KT
n
K T
第5章 进给运动的控制
可见，在该系统中机床本身并不含在
定位伺服系统中，而是处于补偿回路中，
使系统易于调试，类似于开环，但系统精
度又接近于闭环。
第5章 进给运动的控制
5.2 闭环进给位置控制系统的结构分析
1. 闭环进给位置控制系统的结构闭环进给 位置控制系统带有位置检测反馈装置，采 用直流或交流伺服驱动系统，位置检测元 件安装在机床工作台上或电机的轴端，其 结构框图如图5.1所示。
误差会造成轮廓运动的误差。
当数控机床进行XY轴直线联动插补时，
其 X 、 Y 轴 分 别 以 恒 速 V 运 动 ， 即 X ＝ Vxt ， Y=Vyt， 此时各轴的跟随误差分别为Ex＝Vx/Kx， Ey＝Vy/Ky， 如图5.7所示。
第5章 进给运动的控制
（4）增加位置测量，采用混合式控制。对于精 度要求较高的大型数控机床，针对开环系统的不 足，可在其基础之上增设一套工作台位移检测装 置，如直光栅或感应同步器等，用以监视并补偿 前向通道的误差，构成混合步进系统。当系统中 没有传动误差时，反馈电路部分相当于不工作， 只有开环部分工作；当出现传动误差时，由反馈 电路发出一定数目的附加脉冲，用以补偿步进电 动机多走或少走的步数。
（1）步进电机的步距误差。数控机床用的步 进电机，步距误差一般为±10〞～±25〞。
数控机床伺服系统概述
数控机床伺服系统概述
数控机床伺服系统主要由伺服电机、编码器、伺服驱动器和控制器等组成。
伺服电机是数控机床伺服系统中的动力部分，它通过电磁感应原理将电能转化为机械能，提供动力给机床的各个运动轴。
编码器是用来测量机床运动轴运动位置的装置，将位置信息反馈给伺服系统控制器，以实现精确控制。
伺服驱动器是将控制器的指令转换为电流信号，并通过控制伺服电机的电流大小和方向来控制机床运动轴的运动。
控制器是数控机床伺服系统的核心部分，它根据加工工艺要求和用户的指令，控制伺服驱动器的工作状态，实现机床运动轴的运动控制。
数控机床伺服系统的工作原理是：控制器接收用户输入的指令和加工工艺要求，根据这些信息生成相应的运动轴指令。
这些指令经过处理后，转变为驱动伺服驱动器的控制信号，通过控制伺服电机的转子和定子之间的磁场相互作用，来实现机床各个运动轴的精确运动。
1.高精度：数控机床伺服系统能够实现微小的位置调整和高精度的加工，通过编码器的反馈信号，控制器可以精确控制机床运动。
2.高响应性：数控机床伺服系统具有快速响应的特点，当控制器发送指令后，伺服电机能够迅速调整到指定位置，提高了加工效率。
3.高稳定性：数控机床伺服系统具有良好的稳定性，能够在长时间运行过程中保持精确的位置和速度控制，减少加工误差。
4.可编程性：数控机床伺服系统可以通过编程的方式，实现多种复杂的运动轨迹和加工工艺，提高了生产的灵活性和效率。
总之，数控机床伺服系统是数控机床中的重要组成部分，它通过控制伺服电机的运动，实现机床的高精度、高响应和高稳定性运动控制。
它的
应用使数控机床具备了更高的加工精度、更高的生产效率和更好的生产灵活性。
第五章_机电传动伺服系统
伺服系统概述
模拟控制方式的特点： 控制系统响应速度快，调速范围宽； 易于与常见输出模拟速度指令的CNC接 口； 系统状态及信号变化易于观测； 系统功能由硬件实现，易于掌握，有利 于使用者进行维护、调整； 模拟器件温漂和分散性对系统的性能影 响较大，系统的抗干扰能力较差； 难于实现复杂的控制算法，系统缺少柔 性。
伺服系统概述
5.1 伺服系统的基本概念
5.1.1 伺服的定义
伺服系统是指执行机构按照控制信号的要 求而动作。 主要任务：按照控制命令要求，对信号变 换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出 的转矩、速度及位置都能得到灵活的控制。
伺服系统概述
5.1.2 伺服系统的组成
组成:检测部分、误差放大部分、执行部
伺服系统概述
5.3.1.2 感应型交流伺服电机 随着电力电子技术、微处理器技术与磁场 定向控制技术的快速发展，使感应电机可以达 到与他励式直流电机相同的转矩控制特性，再 加上感应电机本身价格低廉、结构坚固及维护 简单的优点，感应电机逐渐在高精密速度及位 置控制系统得到越来越广泛的应用。
感应电机的定子电流中，包含相当于直流 电机励磁电流与电枢电流的两个成分。
伺服系统概述
5.5 交流伺服系统常用性能指标
（1） 调速范围D 伺服系统在额定负载时所提供的最高转速 与最低转速之比: nmax D nmin （2）转矩脉动系数 额定负载下转矩波动的峰峰值与平均转矩 之比：
TP P KTr 100% Tavg
伺服系统概述
（3） 稳速精度 伺服系统在最高转速、额定负载条件下， 令电源电压变化、环境温度变化，或电源电压 与环境温度都不变，连续运行若干小时，系统 电机的转速变化与最高转速的百分比分别称为 电压变化的稳速精度、温度变化的稳速精度、 时间变化的稳速精度。
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二、步进式伺服驱动系统工作原理
系统由 “ 步进电机驱动线路 ” + “ 步进 步进电机驱动线路” 电机” 组成， 对工作台位移、 电机 ” 组成 ， 对工作台位移 、 速度和运 动方向进行控制
指 令
进 给 步进电机驱动线路 步进电机
机 床
数控机床原理与系统
西工大机电学院
进给 脉冲
脉冲 混合 电路
加减 脉冲 分配 电路
加减 速电 路
环形 分配 器
功率 放大 至步进 器 电机绕阻
数控机床原理与系统
西工大机电学院
1. 脉冲混合电路
将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、 为正向或负向脉冲进给信号
2. 加减脉冲分配电路
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲
Leistungsteil
DrehstromHauptspindelmotor
DrehstromServomotoren
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一、数控机床伺服驱动系统的基本组成
进 给 指 令 比较控制环节 驱动控制单元 反馈检测单元 执行元件 机 床
:
环
环 CNC
比较
件
控
二、伺服驱动系统的性能
按产生力矩原理分：反应式、 按产生力矩原理分：反应式、激磁式 按输出力矩大小分：伺服式、 按输出力矩大小分：伺服式、功率式 按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子 按定子数：单定子、双定子、三定子、 按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式 按各相绕阻分布：径向分相式、
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3. 工作台运动方向的控制
定子绕阻通电顺序改变→ 定子绕阻通电顺序改变→工作台运动方向改变
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三、步进电机的驱动（控制）线路 步进电机的驱动（控制）
功能：将一定频率f、数量N和方向的进给脉冲转 功能：将一定频率f 数量N 换为控制步进电机定子各相绕阻通断电状态变化 的频率、 的频率、次数和顺序的功率信号
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三、数控机床伺服驱动系统的分类
按用途和功能分 按控制原理和有无检测分 按执行元件和动作原理分 按控制方式分
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1. 按用途和功能分
进给驱动：转距大小,调速范围,调节精度, 进给驱动：转距大小,调速范围,调节精度, 动态响应速度等； 动态响应速度等； 主轴驱动：足够的功率,宽的恒功率调节 主轴驱动：足够的功率, 范围，速度调节范围； 范围，速度调节范围；
1. 工作台位移的控制
进给脉冲个数N→定子绕阻通电状态改变次数N→ 进给脉冲个数N→定子绕阻通电状态改变次数N→角 N→定子绕阻通电状态改变次数N→角 位移φ =αN→工作台位移 位移φ =αN→工作台位移 L=φt/360° L=φt/360°
2. 工作台进给速度的控制
进给脉冲频率f→定子绕阻通断电状态变化频率f→ 进给脉冲频率f→定子绕阻通断电状态变化频率f→ f→定子绕阻通断电状态变化频率 步进电机转速ω→工作台进给速度v 步进电机转速ω→工作台进给速度v ω→工作台进给速度
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3. 螺距误差补偿
原因：丝杠螺距存在制造误差， 原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台 的位置精度，需要进行补偿。 的位置精度，需要进行补偿。 补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线，在相应 补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线， 位置时根据误差分布进行补偿。 位置时根据误差分布进行补偿。 分布进行补偿 实现方法 安置两个补偿杆 按照螺距误差在补偿杆上设置档块 工作台移动时行程开关与档块接触时进行补偿
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1. 细分电路
把步进电机的一步分得再细一些， 把步进电机的一步分得再细一些，减小脉冲当量
2. 齿隙补偿（反向间隙补偿） 反向间隙补偿）
原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在， 原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在， 会引起步进电机的空走； 会引起步进电机的空走； 补偿原理：对实际间隙进行实测并保存， 补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换 向时增加输出脉冲进行补偿。 向时增加输出脉冲进行补偿。
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机床的伺服驱动
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Bedientafelfront mit PCU 20/50/70
Peripherie SIMATIC S7-300Biblioteka E/R- Modul NCU
Umrichter SIMODRIVE 611 digital mit CNC SINUMERIK 840D
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4. 步进电机的主要特征
步距角α 0.5° 步距角α ： 0.5°～ 3°，决定控制精度，是决定步进式伺服系 决定控制精度， 统脉冲当量的重要参数 距角特性、最大静态转距Mjmax和启动转距Mq 和启动转距Mq 距角特性、最大静态转距Mjmax和启动转距 启动频率fq 空载时，步进电机由静止突然启动， 启动频率fq ：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢 步的正常运行所允许的最高频率 连续运行的最高工作频率： 连续运行的最高工作频率：保证不丢步运行的极限频率 加减速特性： 加减速特性：描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到 静止的加减速过程中，定子绕阻通电状态的变化频率与时间的 静止的加减速过程中， 关系。 关系。
1. 进给速度调速范围大：5mm/min，10m/min 进给速度调速范围大： mm/min，10m/min 2. 位移精度要高：全程积累误差≤±5μm，与脉冲 位移精度要高：全程积累误差≤ 当量有关，δ↓，Δ↓； 当量有关，δ↓，Δ↓； 3.跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好； 跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好； 4. 伺服系统的工作稳定性要好： 抗干扰能力强， 速 伺服系统的工作稳定性要好：抗干扰能力强， 度均匀、 平稳， 粗糙度低， 过载4 度均匀 、 平稳 ， 粗糙度低 ， 过载 4 ～ 6 倍 ， 低速爬 行工作可靠，抗干扰性强； 工作可靠，抗干扰性强；
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4. 按控制方式分
模拟伺服方式 数字伺服方式
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§5-2 开环步进式伺服驱动系统
进 给 指 令 驱动控制单元 执行元件 机 床
执行元件
单 控制 制
控
一、步进电机的种类、结构及工作原理 步进电机的种类、
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1. 步进电机的种类
第五章 数控机床的伺服驱动系统
概述 开环步进式伺服驱动系统 闭环伺服控制原理与系统 CNC伺服系统 CNC伺服系统
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§5-1
概述
伺服驱动系统接收数控单元的位移/ 伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控 制指令, 驱动工作台/ 制指令 , 驱动工作台 / 主轴按照控制指令的 要求进行运动。 要求进行运动。 伺服驱动系统直接影响移动速度、 伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精 度、定位精度等一系列重要指标，是数控 定位精度等一系列重要指标， 机床的关键技术。 机床的关键技术。
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四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施
影响步进式伺服驱动系统精度的因素： 影响步进式伺服驱动系统精度的因素： • 步进电机； 步进电机； • 丝杠螺母传动幅； 丝杠螺母传动幅； 由于受工艺和结构的限制，常常从控 由于受工艺和结构的限制， 制线路采取措施
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将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制 步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状 步进电机定子绕阻通、断电的电平信号， 态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。 态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。
5. 功率放大器
将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大 将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大， 级电流进行功率放大， 一般由前置放大器和功率放大器组成。 一般由前置放大器和功率放大器组成。
2. 步进电机的结构
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3. 步进电机的工作原理
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基本结论
步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子 步进电机定子绕阻通电状态每改变一次， 转过一个固定的角度，即电机的步距角； 转过一个固定的角度，即电机的步距角； 改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转 改变步进电机定子绕阻的通电顺序， 方向随之改变; 方向随之改变; 步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高， 步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子 的转速越高; 的转速越高; 步距角与定子绕阻相数m 转子齿数z 通电方式k 步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方式k 有关。 α = 360o /(mzk ) 有关。
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3. 加减速电路
将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的 脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。 脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。
fa 同步器 可逆计数器 数模转换 振荡器
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4. 环形分配器
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2. 按控制原理和有无检测分
开环：无检测,经济型数控和老设备改造 开环：无检测, 闭环：半闭环（检测丝杠转角）和全闭环 闭环：半闭环（检测丝杠转角） （检测工作台直线位移） 检测工作台直线位移）
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