数控技术及应用第七章数控机床的伺服系统

由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度高，所以系统传动链的误差可得到补偿 从 而 大 大 提 高 了 跟 随 精 度 和 定 位 精 度 。 目 前 闭 环 系 统 的 分 辨 率 多 为 1 μm 定 位 精 度 可 达 ±0.01～±0.05mm，高精度系统分辨率可达0.1μm。
3)半闭环系统 位置检测元件装在进给电机轴上，从电机轴到实际位移一般为机械传动
第七章 数控机床的伺服系统
第一节 概述
数控机床的伺服系统是CNC插补器的输出，信号作为输入用来控制机床部件的位置和速 度的自动控制系统，也称随动系统，进给拖动系统。伺服系统的输入量来自数控装置发出 的进给脉冲或进给位移量，伺服系统的输出就是能直接驱动伺服电机所需的电压或电流， 从而经伺服电机传动系统，使机床的工作台等产生精确的位移。
置增益为20（1/s）时，只要保证速度单元具有1:1000的调速范围就完全可以满足要求。当 然，现代数控机床中最先进水平的速度控制单元的技术已达到1:100000的调速范围。
对于主轴伺服系统主要是速度及准停控制，它要求1:100～1000范围内的恒转矩调速和1： 10以上的恒功率调速，而且保证足够大的输出功率。
不用检测，这个机械传动链的误差一般可看以固定不变的可以用加工程序来补偿（如间隙 等），一般地半闭环系统的精度低于闭环系统。
对于伺服系统的电控部分来说半闭环和闭环系统的控制原理上是一样的，只是闭环系
统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿，理论上精度可以达到很高，而半
闭环往复还不能全部消除传动链造成的误差，但由于半闭环比闭环调整容易，因此目前使
（2）稳定性好 稳定性是指系统受外界干扰要小，在外界干扰作用下，能在短暂的时间 内恢复到原来的平衡状态。伺服系统有较强的抗干扰能力，确保进给速度的正常工作。
（3）快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统在确保精度的 前提下的跟踪速度，稳定性是指系统受外界干扰要小，当稳定输入发生跳变时，系统能 在较短的时间内从一个状态过度到新的状态，要求伺服系统跟踪指令信号的响应更快。
（5）低速大转矩 一般切削加工时，大切削量均采用低速进给，所以要求伺服系统在 低速时要有大的转矩输出。进给伺服控制属于恒转矩控制，而主轴伺服控制在低速时为恒 转矩控制，在高速时为恒功率控制，在低速下要减小或消除难以解决的爬行现象及低速振 动噪音。对于主轴用的伺服系统有时可以用一个的进给伺服系统来替代主轴伺服系统，一 般为速度控制系统，除上面的一般要求之外，还具有下面的控制功能：
二、伺服系统的分类
1. 按调节理论分类
1)
1)开环伺服系统 开环伺服系统即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进
电机或电液脉冲马达，这两种驱动元件不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，
转过的角度正比于指令脉冲的个数，运动速度由进给脉冲的频率决定。
2) 2) 闭环伺服系统 闭环系统实际上是误差控制的随动系统，数控机床进给系统的误 差是CNC输出的位置当指令和机床工作台移动实际位置的差值。闭环系统具备位置检测装 置，该装置测出实际直线位移成实际角位移，并将测量值反馈给伺服控制系统给定量进行 比较，求得误差。作为下一环节的输入并进行控制，构成闭环位置控制。
（4）调速范围宽 调速范围RN是指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低 转速nmin之比，通常RN=nmax/nmin ，式中，nmax和nmin一般都是指额定转矩下的转速。
在中、高档数控机床中就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。目前，最先进的水 平是，在进给速度范围已可达到脉冲当量为1μm的情况之下，进给速度以0～240m/min连 续作可 就调足。够但了对。于一一般般来中说档，数对控于机 要床求而速言度，范要围编辑求为课1伺件:2服00系00统的在位0置～控24制m/系m统in进，给在速总度的下开都环能位工
1) 1) 最低进给速度到最高进给速度范围都能稳定运行长时间的过载能力，一般能过载4-5倍左右，持续时间达
10
。
分钟以上，转动惯量要小
3) 3) 满足快速响应的要求，一般进给伺服电机做成细长，高档进给具备400rad/s2以
上的 加速度，保证电机在0.2s以内从静编止辑起课动件 到1500rad/min。
伺服系统是数控系统的重要组成部分，伺服系统的性能在很大的程度上决定了数控机 床的性能。例如，数控机床的最高移动速度，跟踪速度，定位速度等指标均与伺服系统的 动态和静态性能有关。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。
数控机床伺服系统的一般结构如图7-1所示。这是一个双闭环系统，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，目前大多数通过位置量的微分得到速度。 速度控制单元由速度调节器，电流调节器及功率驱动放大器等组成。位置环是由CNC装置 中的位置控制模块、速度单元、位置检测及反馈控制等组成。位置控制主要是对机床运动 坐标轴进行控制使之满足一定的位置精度，速度控制在满足位置控制的前提下，按系统的 参数与控制速度使之以最快响应且无超调满足进给要求。
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图7-1 伺服系统的一般结构图
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第二节 伺服系统的基本性能指标的要求及分类
一、对性能指标的要求
（1）控制精度高 伺服系统的控制精度是指反映出输出量的精度程度，当然最终还要看 机床的精度，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，对一般切削加工的数控机床定 位精度一般为0.1～0.001mm，对于高精度高速切削及高档磨床其精度要求达到0.1μm， 控制精度不得低于机床的总体精度。一般总体机床精度为0.01mm对控制精度不得低于 0.005mm较为合适。
1)准停控制 为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。
2)角度分析控制 分度有两种：一是固定的等分角位置控制。二是连续的任意角度控
制。（作特殊加工时，主轴坐标有了进给坐标的功能，称为“C”轴控制。）
为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件——伺服电机也相应提出高精度、
快反映、宽调速和大转矩的要求，一般具备小惯量大转矩的具体特征。