数控进给伺服系统课件
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数控机床的伺服系统
第七章 数控机床的伺服系统
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。
第七章 数控机床的伺服系统
进给伺服系统的作用：接受数控装臵发出的进给速度和位 移指令信号，由伺服驱动装臵作一定的转换和放大后，经伺服 电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机 构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行 部件的运动速度与位臵，以及几个执行部件按一定规律运动所 合成的运动轨迹。如果把数控装臵比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的 “四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随 者。
第七章 数控机床的伺服系统
二、步进电机工作原理
步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中， 步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一 定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带 动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数 量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序 来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由 于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定， 速度也受到步进电机性能的限制。
第七章 数控机床的伺服系统
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 能的一种推力装臵，是一种较为理想的驱动装臵。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。
第4章 数控机床伺服系统
图4-7 永磁直流伺服电动机
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
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式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
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第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
数控机床-伺服参数设置ppt课件
丝杠螺距 栅格间隔 10 mm/转
检测单位 0.001 mm
所需的位置脉冲 10000 脉冲/转
参考计数器容量 10000
精选编辑ppt
10
（10）FSSB显示和设定画面 通过一个高速串行总线（FANUC 串行伺服总线，或FSSB）连接CNC控制单
元到伺服放大器，只用用一根光缆，可显著减少机床电气的电缆使用量。 轴设定会根据轴和放大器内部之间关系自动计算并输入到FSSB设定画面。参数 1023，1905，1910-1919，1936和1937会按计算结果自动定义。 ●显示
键、
键、
[SV.PARA] 键。 5.使用光标，翻页键，输入初始设定时必要的参数。
（1）初始设定位精选编辑ppt
6
＃3(PRMCAL)1：进行参数初始设定时，自动变成1。根据脉冲编码器的脉冲数自动计算下列值。 PRM 2043（PK1V），PRM 2044（PK2V），PRM 2047（POA1）， PRM 2053（PPMAX），PRM 2054（PDDP）， PRM 2056（EMFCMP）， PRM 2057（PVPA），PRM 2059（EMFBAS）， PRM 2074（AALPH），PRM 2076（WKAC） ＃1（DGPRM）0：进行数字伺服参数的初始化设定。 1：不进行数字伺服参数的初始化设定。 ＃0（PLC01） 0：使用PRM 2023，2024的值。 1：在内部把PRM 2023，2024的值乘10倍。 （2）电机ID号 选择所使用的电机ID号，按照电机型号和规格号（中间4位：A06B-XXXX-BXXX）列于下面的表 格中。对于本手册中没叙述到的电机型号，请参照α系列伺服放大器说明书。
数字伺服
叙述数字伺服维修上所需要的伺服调整画面的显 示内容 伺服参数的初始化设定方法 伺服调整画面
伺服系统概述 PPT课件
12 伺服系统概述
伺服系统的特点和功用
• 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据 指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置 • 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重 要组成
12 伺服系统概述
二、伺服系统基本类型
按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺 服系统形式 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交 流电机伺服形式
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
1.
2.
3. 4.
5.
空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优 点。 维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化 工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则 特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
优点
操作简便；编程容易； 能实现定位伺服控制； 响应快、易与计算机 （CPU）连接；体积小、 动力大、无污染。
缺点
瞬时输出功率大；过载 差；一旦卡死，会引起 烧毁事故；受外界噪音 影响大。 功率小、体积大、难于 小型化；动作不平稳、 远距离传输困难；噪音 大；难于伺服。 设备难于小型化；液压 源和液压油要求严格； 易产生泄露而污染环境。
12 伺服系统概述
三、伺服系统基本要求
精度高： 稳定性好：
数控技术 第七章 数控机床的进给伺服系统
三 步进电动机的基本控制方法
（2） 双电压功率放大电路 优点：功耗低，改善了脉冲 优点：功耗低， 前沿。 前沿。 缺点：高低压衔接处电流波 缺点： 形呈凹形， 形呈凹形，使步进电机 输出转矩降低， 输出转矩降低，适用于 大功率和高频工作的步 进电机。 进电机。
三 步进电动机的基本控制方法
（3） 斩波恒流功放电路 优点： 优点：1）R3较小（小 R3较小（ 较小 于兆欧） 于兆欧）使整个 系统功耗下降， 系统功耗下降， 效率提高。 效率提高。 2）主回路不串 电阻， 电阻，电流上升 快，即反应快。 即反应快。 3）由于取样绕 组的反馈作用， 组的反馈作用， 绕组电流可以恒定在确定的数值上， 绕组电流可以恒定在确定的数值上，从而保证在很大频率范 围内，步进电机能输出恒定的转矩。 围内，步进电机能输出恒定的转矩。
二 数控机床对伺服系统的基本要求
1 高精度 一般要求定位精度为0.01~0.001mm； ； 一般要求定位精度为 高档设备的定位精度要求达到0.1um以上。 以上。 高档设备的定位精度要求达到 以上 2 快速响应 3 调速范围宽 调速范围指的是 max/nmin 。 调速范围宽:调速范围指的是 调速范围指的是:n 进给伺服系统:一般要求 进给伺服系统 一般要求0~30m/min，有的已达到 一般要求 ，有的已达到240m/min 主轴伺服系统:要求 主轴伺服系统 要求1:100~1:1000恒转矩调速 要求 恒转矩调速 1:10以上的恒功率调速 以上的恒功率调速
一 直流伺服电动机调速原理
7-30 直流电动机的机械特性
二 直流电动机的PWM调速原理 直流电动机的 调速原理
7-24 脉宽调制示意图 脉宽调制示意图
Ud =
τ
T
U = δ T U δ T 称为导通率
第三节 伺服进给系统
第三节伺服进给系统数控机床的进给系统又称“伺服进给系统”。
所谓“伺服”，即，可以严格按照控制信号完成相应的动作。
在数控机床的结构中，简化最多的就是进给系统。
所有数控机床的（做直线运动的）伺服进给系统，基本形式都是一样的。
一、传统机床进给系统的特点1．进给运动速度低、消耗功率少进给运动的速度一般较低，因而常采用大降速比的传动机构，如丝杠螺母、蜗杆蜗轮等。
这些机构的传动效率虽低，但因进给功率小，相对功率损失很小。
2．进给运动数目多不同的机床对进给运动的种类和数量要求也不同。
例如：立式钻床只要求一个进给运动；卧式车床为两个（纵、横向）；而卧式铣镗床则有五个进给运动。
进给运动越多，相应的各种机构（如变速与换向、运动转换以及操纵等机构）也就越多，结构就更为复杂。
3．恒转矩传动进给运动的载荷特点与主运动不同。
当进给量较大时，常采用较小的背吃刀量；当进给量较小时，则选用较大的背吃刀量。
所以，在采用各种不同进给量的情况下，其切削分力大致相同，即都有可能达到最大进给力。
因此，进给传动系统最后输出轴的最大转矩可近似地认为相等。
这就是进给传动恒转矩工作的特点。
4．进给传动系统的传动精度进给传动链从首端到末端，有很多齿轮等进行传递，每个传动件的误差都将乘以其后的传动比并最终影响末端件输出，输出端的总误差是中间各传动件误差的累积（均方根）。
因为进给传动链总趋势是降速，所以远离末端件的传动件误差影响较小，而越靠近末端件的传动件误差，对总的传动精度的影响越大。
因此把越靠近末端件的传动比取得越小（相当于“前慢后快”原则），对减小其前面各传动件的误差影响越大。
这就是“传动比递降原则”。
应该注意：传统机床仅在“内联系传动链”中需要考虑传动精度。
二、提高传动精度的措施：①缩短传动链减少传动件数目，以减少误差的来源。
（即累积误差减少）②合理分配各传动副的传动比尽可能采用传动比递降原则；尽量采用大降速比的末端传动副，如：输出为回转运动用蜗杆蜗轮副，输出为直线运动用丝杠螺母副。
数控机床的伺服驱动系统
不同的含义。数组说明的方括号中给出的是某一维的长度;而 数组元素中的下标是该元素在数组中的位置标识。 数组是一种构造类型的数据。一维数组可以看作是由一维数 组嵌套而构成的。
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
数控机床进给伺服系统的工作原理(共5张PPT)
度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、 伺服机构或伺服单元。
进给伺服系统的工作原理
进给伺进服系给统伺的工服作系原理统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给
数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
机床完成进给运动。。 带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。
它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。 进给伺服系统的工作原理 伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
进 进给伺服系统的工作原理
它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。 数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
给 ，经位置控制和速度控制单元输出到速度环，直到机床完成进给运动。 比较控制环节 驱动控制单元 执行元件 进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机 指 构或伺服单元。 令 机 进给伺服系统的工作原理 床 数控机床常见故障诊断与排除
，经位脉置控冲制或和速进度给控制位单移元量输出信到息速度，环经，直过到变机换床完和成放进给大运由动伺。 服电机带动传动机构，最后转化为机床的
伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
进给伺直服系线统或是数转控动装置位和移机。床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机
进给伺服系统的工作原理
进给伺进服系给统伺的工服作系原理统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给
数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
机床完成进给运动。。 带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。
它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。 进给伺服系统的工作原理 伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
进 进给伺服系统的工作原理
它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。 数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
给 ，经位置控制和速度控制单元输出到速度环，直到机床完成进给运动。 比较控制环节 驱动控制单元 执行元件 进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机 指 构或伺服单元。 令 机 进给伺服系统的工作原理 床 数控机床常见故障诊断与排除
，经位脉置控冲制或和速进度给控制位单移元量输出信到息速度，环经，直过到变机换床完和成放进给大运由动伺。 服电机带动传动机构，最后转化为机床的
伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
进给伺直服系线统或是数转控动装置位和移机。床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机
进给伺服系统概述
上面已经把数控机床位置伺服系统简化为典型的二阶系统。 下面 将应用控制系统的分析方法来讨论数控机床位置伺服系统的性能指 标。 （一）动态性能 （１）．动态性能分析 动态过程是指控制系统在输入作用下从一个稳态向新的稳态转 变的过渡过程。位置伺服系统在跟踪加工的连续控制过程中，几乎始 终处于动态的过程中。 控制系统都是受到给定与扰动两种输入的作用。 理想的控制系统 应该对给定输入的变化能够准确地跟踪， 同时又完全不受扰动输入的 影响。即系统应该具有很好的跟随性和很强的抗干扰性。 对于位置随动系统，给定值的变化量是主要输入，动态过程将围 绕这个变化了的给定值变化。 阻尼比ζ是描述系统动态性能的重要参 数。 欠阻尼 0<ζ<1 时进给伺服系统的传递函数： 这种情况下系统对于斜坡输入信号的跟随响应是要经历振荡的， 如下 图所示 ：
大倍数。 调速单元输出的量是速度量，这一速度量经过积分环节 1/s 后成为角 位移量。
2-1、进给伺服系统的数学模型
对控制系统的数学描述， 实际上就是首先建立系统中各环节的传 递函数，然后求出整个系统的传递函数。有速度内环的闭环系统如 图 8-4 所示：
位置检测环节是指位置传感器（光电编码器，旋转变压器等）和后置 处理电路。作用是把位置信号转换为电信号。这个环节也可以看做是 一个比例环节，比例系数是 K f 。 将各环节的传递函数置换 8-4 的框图， 就得到了动态结构图， 如图 8-5 所示：
1．静态性能分析
控制系统中，最重要的是稳定性问题。如果一台数控机床的伺服 控制系统是不稳加工的。因此，任何控制系统首先必须是稳定的。 2、稳态性能指标 位置伺服系统的稳态性能指标主要是定位精度，指的是系 统过度过程终了时实际状态与期望状态之间的偏差程度。 一般数控机 床的定位精度应不低于 0.01mm，而高性能数控机床定位精度将达到 0.001mm 以上。 影响伺服系统稳态精度的原因主要有两类， 一类是位置测量装置
大倍数。 调速单元输出的量是速度量，这一速度量经过积分环节 1/s 后成为角 位移量。
2-1、进给伺服系统的数学模型
对控制系统的数学描述， 实际上就是首先建立系统中各环节的传 递函数，然后求出整个系统的传递函数。有速度内环的闭环系统如 图 8-4 所示：
位置检测环节是指位置传感器（光电编码器，旋转变压器等）和后置 处理电路。作用是把位置信号转换为电信号。这个环节也可以看做是 一个比例环节，比例系数是 K f 。 将各环节的传递函数置换 8-4 的框图， 就得到了动态结构图， 如图 8-5 所示：
1．静态性能分析
控制系统中，最重要的是稳定性问题。如果一台数控机床的伺服 控制系统是不稳加工的。因此，任何控制系统首先必须是稳定的。 2、稳态性能指标 位置伺服系统的稳态性能指标主要是定位精度，指的是系 统过度过程终了时实际状态与期望状态之间的偏差程度。 一般数控机 床的定位精度应不低于 0.01mm，而高性能数控机床定位精度将达到 0.001mm 以上。 影响伺服系统稳态精度的原因主要有两类， 一类是位置测量装置
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
数控机床进给伺服系统的基本结构(共7张PPT)
。
速度控制模块
一进给伺服系统的结构
步进伺服系统原理图
伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块 数控机床常见故障诊断与排除 位置指令、位置检测装置、位置反馈比较环节、位置控制模块、速度控制环、机械传动装置 位置指令、位置检测装置、位置反馈比较环节、位置控制模块、速度控制环、机械传动装置 伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块 伺服系统的结构通常由位置控制环和速度控制环组成。 伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块 数控机床进给伺服系统的基本结构 驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置（或称作检测系统） 。 驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置（或称作检测系统） 。 伺服系统的结构通常由位置控制环和速度控制环组成。 位置指令、位置检测装置、位置反馈比较环节、位置控制模块、速度控制环、机械传动装置 驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置（或称作检测系统） 。
数控机床常见故障诊断与排除 数控机床进给伺服系统的基本结构
一进给伺服系统的结构
数控机床的伺服系统一般由驱动元件、机械传动部件、执行部件和检测反馈环 节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部
件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置（或称作检测系
统）。）。
一进给伺服系统的结构
制环 数控机床的伺服系统一般由驱动元件、机械传动部件、执行部件和检测反馈环节等组成。
伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块
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。
第7章 数控机床的进给伺服系统PPT课件
起动频率fq 的选择 先计算电机轴上的等效负载转动惯量：
式中 J1、J2——齿轮的转动惯量(N·m·s2)；J3——丝杠的转动惯量 d ——冲当量(mm／脉冲)。
然后进行负载启动频率fqF 的估算； 式中 fq——空载启动频率(Hz)，T——由矩频特性决定的力矩(Nm)
J——电机转子转动惯量(N·m·s2)。 依照机床要求的启动频率fqF ，可选择fq
第七章 数控机床的进给伺服系统
7-1 概述 7-2 步进电动机及其驱动系统 7-3 直流伺服电动机及其速度控制 7-4 交流伺服电动机及其速度控制 7-5 主轴驱动 7-6 位置控制
§ 7-1 概述
立式铣床
加工中心 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机
带制动器伺服电机 主轴电机
伺服电机
伺服驱动系统（Servo System)
称做空载运行频率fmax。它也是步进电动机的重要性能指标，对于提高 生产率和系统的快速性具有重要意义。
fmax 应能满足机床工作台最高运行速度。
6. 运行矩频特性 运行矩频特性T＝f(F)是描述步进电动
机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行 T 频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转 时承载能力的动态性能指标。
f
三、步进电动机驱动电源 1. 作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。 2. 基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。
1.步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：
θ＝ 360 (°) Z mK
式中 m—步进电动机相数 Z—转子齿数 K—控制方式系数， K=拍数p/相数m
式中 J1、J2——齿轮的转动惯量(N·m·s2)；J3——丝杠的转动惯量 d ——冲当量(mm／脉冲)。
然后进行负载启动频率fqF 的估算； 式中 fq——空载启动频率(Hz)，T——由矩频特性决定的力矩(Nm)
J——电机转子转动惯量(N·m·s2)。 依照机床要求的启动频率fqF ，可选择fq
第七章 数控机床的进给伺服系统
7-1 概述 7-2 步进电动机及其驱动系统 7-3 直流伺服电动机及其速度控制 7-4 交流伺服电动机及其速度控制 7-5 主轴驱动 7-6 位置控制
§ 7-1 概述
立式铣床
加工中心 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机
带制动器伺服电机 主轴电机
伺服电机
伺服驱动系统（Servo System)
称做空载运行频率fmax。它也是步进电动机的重要性能指标，对于提高 生产率和系统的快速性具有重要意义。
fmax 应能满足机床工作台最高运行速度。
6. 运行矩频特性 运行矩频特性T＝f(F)是描述步进电动
机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行 T 频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转 时承载能力的动态性能指标。
f
三、步进电动机驱动电源 1. 作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。 2. 基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。
1.步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：
θ＝ 360 (°) Z mK
式中 m—步进电动机相数 Z—转子齿数 K—控制方式系数， K=拍数p/相数m
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回 转 式
脉冲编码盘 圆光栅
直 线 式
直线光栅 激光干涉仪
直线感应同步 速 感 应 同 三 通 道 透 射 多 器 步器 光栅 磁尺 绝对磁尺
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上午8时21分
数 控 技 术
第二节 进给伺服系统的位置检测装置
二.
1.
感应同步器
感应同步器的结构及分类
非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
性好；
允许测量转速高，精度较高；。 光电转换，抗干扰能力强； 体积小，便于安装，适合于机床运行环境； 结构复杂，价格高，光源寿命短； 码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。
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上午8时21分
数 控 技 术
在系统负载范围内，
当负载变化时，输出速 度应基本不变。即△F尽 可能小； 当负载突变时，要求速 度的恢复时间短且无振 荡。即△t尽可能短； 应有足够的过载能力。 这是要求伺服系统有良好的静 态与动态刚度。
10
F
△t △F
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
t
上午8时21分
数 控 技 术
第一节 概述
上午8时21分
数 控 技 术
第四部分
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
1
进给伺服系统
上午8时21分
数 控 技 术
第四章
第一节
进给伺服系统
概述
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
第二节
第三节
进给伺服系统的位置检测装置
进给伺服驱动系统
第四节
第五节
典型进给伺服系统(位置控制)
伺服系统性能分析
第六节
伺服系统的特性对加工精度的影响
需的动力，在数控机床上目前常用的电机有：
步进电机
直流伺服电机
交流伺服电机 直线电机。
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上午8时21分
数 控 技 术
第三节
3.
进给伺服驱动系统
速度单元：电机的控制和驱动装置，通常驱动电机 与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。 4. 速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的 速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳 速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，
其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。
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上午8时21分
数 控 技 术
第二节 进给伺服系统的位置检测装置
1. 进给伺服系统对位置测量装置的要求
高可靠性和高抗干扰性：
受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗 干扰能力强；
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
能满足精度和速度的要求：
馈单元；机械执行部件。
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上午8时21分
数 控 技 术
第一节 概述
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器
速度控制单元 +
-
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
电机
检测与反馈单元
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上午8时21分
数 控 技 术
第一节 概述
二、NC机床对数控进给伺服系统的要求
结构
定尺
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
节距2τ（2mm）
基板(钢、铜) 绝缘粘胶 铜箔 耐切削液涂层 铝箔
1 4
sin 节距（0.5mm）
cos
滑尺
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数 控 技 术
第二节 进给伺服系统的位置检测装置
分类
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
绝对式 直线感应同步器 标准型 增量式 窄长型 带型 绝对式 圆感应同步器 增量式
现在市场上提供的规格从 36线/ 转 到 10万线 /转 都有；
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：
360 n
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上午8时21分
数 第二节 进给伺服系统的位置检测装置 控 技 术 3. 光电编码器的特点
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上午8时21分
数 控 技 术
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
第三节
进给伺服驱动系统
33
上午8时21分
数 控 技 术
第三节
一、概述
进给伺服驱动系统
1. 进给伺服驱动系统：由进给伺服系统中的 电机及其
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
控制和驱动装置 组成。
2. 电机：进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所
A、 A
B、、Z、 B Z
其中，A B、 是 、 Z
A、B、Z 的取反信号。
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上午8时21分
数 第二节 进给伺服系统的位置检测装置 控 技 A 术 输出信号的作用及其处理
A、B两相的作用
根据脉冲的数目可得出被 测轴的角位移； 根据脉冲的频率可得被测 轴的转速； 根据A、B两相的相位超前 滞后关系可判断被测轴旋 转方向。
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上午8时21分
数 第二节 进给伺服系统的位置检测装置 控 技 术 ⒉ 感应同步器的工作原理.
感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感
应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检
测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
∵ ∴
2τ: 2π= x : θ1 x = τθ1 ／π
结论：相对位移量 x 与 相位角θ1 呈线性关系，只要能 测出相位角θ1 ，就可求得位移量 x 。
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上午8时21分
数 第二节 进给伺服系统的位置检测装置 控 技 术 ⒌感应同步器的特点及使用注意事项
特点
第一节 概述
⒉ 输出位置精度要高
静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误 差和重复定位误差要小。(尺寸精度)
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误 差表示。 (轮廓精度)
灵敏度要高，有足够高的分辩率。
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上午8时21分
数 控 技 术
第一节 概述
⒊ 负载特性要硬
内容小结
1、进给伺服系统的定义及组成 2、数控机床对数控进给伺服系统的要求 。 3、位置检测装置的分类。 4、感应同步器
5、脉冲编码器
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上午8时21分
数 控 技 术
习题与思考题
1、名词解释：
进给伺服系统
2、简述数控机床对数控进给伺服系统的要求。 3、简述位置检测装置的分类。 4、简述感应同步器的工作原理。 5、简述增量脉冲编码盘中A、B、Z三相输出信号 的作用。
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测 轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。 根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式 和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多， 而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。 另外，它还可分为绝对式和增量式两种。
数 控 技 术
第一节 概述
一. 进给伺服系统的定义及组成
1、定义：
进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部 件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
2、组成：
进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控 制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统 则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机 构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命 令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度
与位移量。
4
上午8时21分
数 控 技 术
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
第一节 概 述
5
上午8时21分
90O B
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
Z相的作用
被测轴的周向定位基准信 号； 被测轴的旋转圈数记数信 号。
Z ……
码盘转一圈
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数 第二节 进给伺服系统的位置检测装置 控 技 术 增量式码盘的规格及分辨率
规格 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
1. 调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速 范围内)
调速范围： RN Fmax Fmin
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
一般要求：
RN 10000
且
0.1mm min Fmin 1mm min
稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低
速时的平稳性显得特别重要。
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上午8时21分
数 控 技 术
第二节 进给伺服系统的位置检测装置
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上午8时21分
数 控 技 术
第二节 进给伺服系统的位置检测装置
一、概 述
组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号
处理装置组成的。
第 四 章 进 给 伺 服 系 统
作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换 成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置 反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭 环进给伺服系统的重要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检 测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤