数控机床进给伺服系统PPT课件
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数控机床与使用维修
第五讲 数控机床进给伺服系统
武汉船舶职业技术学 院机械系 周兰
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CHENLI
本讲主要内容
数控机床对进给伺服系统的要求 进给伺服系统的组成 数控机床进给伺服系统的分类 典型进给伺服系统
2
CHENLI
引言
数控机床伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作 为控制量的自动控制系统，又称随动系统。
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CHENLI
三、数控机床进给伺服系统的分类
15
CHENLI
1．开环伺服系统（１）
开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置 反馈环节。
伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、 电液脉冲电机等。
由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和 功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚 珠丝杠螺母副驱动执行部件。
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CHENLI
1．开环伺服系统（２）
控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可 控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。
系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精 度、齿轮丝杠等传动元件的节距精度以及系统的 摩擦阻尼特性等。
开环伺服系统的结构简单，调试、维修方便，成 本低廉，但精度差，一般用于经济型数控机床。
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５．全数字伺服系统
随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的 发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、 高精度的全数字伺服系统。
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1．可逆运行
可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程 中，机床工作台处于随动状态，根据加工轨迹的 要求，随时实现正向或反向运动。
要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失。 从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在
加工运行时，电动机从电网吸收能量改变为机械 能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电 能回馈给电网，以实现快速制动。
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3．调速范围宽
调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于 加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变 化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳 的切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围 内变化，即有很大的调速范围。
目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1μm的 情况下，进给速度能在0～240m／min的范围内连续可 调。一般数控机床的进给速度能在0～240m／min的范 围之内连续可调并能满足加工要求。在这一调速范围内， 要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。还要求在零速时 伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变。
由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位 移精度主要取决于检测装置的精度。闭环伺服系统的定 位精度一般可达±0.01mm～±0.005 mm。
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闭环伺服系统示意图
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3．半闭环伺服系统
半闭环伺服系统是将检测元件安装在中间传动 件上，间接测量执行部件的位置。
闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差， 而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的 误差。
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开Leabharlann Baidu伺服系统示意图
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2．闭环伺服系统
闭环伺服系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺 服电机以及电液伺服阀—液压马达。
与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的 位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电 脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较， 求得误差，依此构成闭环位置控制。
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2．高精度
数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同 于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对 加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与 指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一 般为0.01~0.001㎜，甚至可高达0.1μm，以保证 加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的 加工精度。
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5．低速大转矩
机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时 进给驱动要有大的转矩输出。
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二、进给伺服系统的组成
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数控机床进给伺服系统的组成框图：
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1．组成
是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置 环。
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２．位置环
位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位 置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负 反馈，即与指令信号的相位相反。
指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号向位 置环送去减数。
位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、 光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。它们或者直接 对位移进行检测，或者间接对位移进行检测。
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３．速度环
速度环是一个非常重要的环，由速度调节器、电 流调节器及功率放大器等部分组成。
它的输入信号有两个：一个是位置环的输出，作 为速度环的指令信号送给速度环；电动机转速检 测装置测得的速度信号作为负反馈送给速度环。 速度环中用作速度反馈检测的装置通常为测速发 电机、脉冲编码器等。
数控机床的进给伺服系统是数控装置与机床本体间电传 动联系的环节，也是数控系统的执行部分。
在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格 按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动 的速度、运动的方向和运动的起停位置等。数控机床的 性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。
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一、 数控机床对进给伺服系统的要求
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4．快速响应并无超调
要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信 号的响应要快。
伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等 动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量， 则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。
当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要 短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。
半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些， 但是它的结构与调试都比较简单。
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半闭环伺服系统示意图
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4．说明
采用直流或交流伺服电机的闭环和半闭环伺服系 统，具有较高的精度、速度和动态特性，在数控 机床中得到广泛应用。
闭环伺服系统的设计和调试都较开环系统困难。 目前数控机床上使用半闭环伺服系统较多，只有 在高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。
第五讲 数控机床进给伺服系统
武汉船舶职业技术学 院机械系 周兰
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本讲主要内容
数控机床对进给伺服系统的要求 进给伺服系统的组成 数控机床进给伺服系统的分类 典型进给伺服系统
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引言
数控机床伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作 为控制量的自动控制系统，又称随动系统。
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三、数控机床进给伺服系统的分类
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1．开环伺服系统（１）
开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置 反馈环节。
伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、 电液脉冲电机等。
由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和 功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚 珠丝杠螺母副驱动执行部件。
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1．开环伺服系统（２）
控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可 控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。
系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精 度、齿轮丝杠等传动元件的节距精度以及系统的 摩擦阻尼特性等。
开环伺服系统的结构简单，调试、维修方便，成 本低廉，但精度差，一般用于经济型数控机床。
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５．全数字伺服系统
随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的 发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、 高精度的全数字伺服系统。
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1．可逆运行
可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程 中，机床工作台处于随动状态，根据加工轨迹的 要求，随时实现正向或反向运动。
要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失。 从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在
加工运行时，电动机从电网吸收能量改变为机械 能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电 能回馈给电网，以实现快速制动。
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3．调速范围宽
调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于 加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变 化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳 的切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围 内变化，即有很大的调速范围。
目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1μm的 情况下，进给速度能在0～240m／min的范围内连续可 调。一般数控机床的进给速度能在0～240m／min的范 围之内连续可调并能满足加工要求。在这一调速范围内， 要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。还要求在零速时 伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变。
由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位 移精度主要取决于检测装置的精度。闭环伺服系统的定 位精度一般可达±0.01mm～±0.005 mm。
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闭环伺服系统示意图
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3．半闭环伺服系统
半闭环伺服系统是将检测元件安装在中间传动 件上，间接测量执行部件的位置。
闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差， 而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的 误差。
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开Leabharlann Baidu伺服系统示意图
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2．闭环伺服系统
闭环伺服系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺 服电机以及电液伺服阀—液压马达。
与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的 位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电 脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较， 求得误差，依此构成闭环位置控制。
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2．高精度
数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同 于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对 加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与 指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一 般为0.01~0.001㎜，甚至可高达0.1μm，以保证 加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的 加工精度。
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5．低速大转矩
机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时 进给驱动要有大的转矩输出。
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二、进给伺服系统的组成
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数控机床进给伺服系统的组成框图：
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1．组成
是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置 环。
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２．位置环
位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位 置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负 反馈，即与指令信号的相位相反。
指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号向位 置环送去减数。
位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、 光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。它们或者直接 对位移进行检测，或者间接对位移进行检测。
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３．速度环
速度环是一个非常重要的环，由速度调节器、电 流调节器及功率放大器等部分组成。
它的输入信号有两个：一个是位置环的输出，作 为速度环的指令信号送给速度环；电动机转速检 测装置测得的速度信号作为负反馈送给速度环。 速度环中用作速度反馈检测的装置通常为测速发 电机、脉冲编码器等。
数控机床的进给伺服系统是数控装置与机床本体间电传 动联系的环节，也是数控系统的执行部分。
在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格 按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动 的速度、运动的方向和运动的起停位置等。数控机床的 性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。
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一、 数控机床对进给伺服系统的要求
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4．快速响应并无超调
要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信 号的响应要快。
伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等 动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量， 则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。
当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要 短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。
半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些， 但是它的结构与调试都比较简单。
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半闭环伺服系统示意图
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4．说明
采用直流或交流伺服电机的闭环和半闭环伺服系 统，具有较高的精度、速度和动态特性，在数控 机床中得到广泛应用。
闭环伺服系统的设计和调试都较开环系统困难。 目前数控机床上使用半闭环伺服系统较多，只有 在高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。