第七章 数控机床的伺服系统
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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
数控机床的伺服系统概述
.
控制过程： 由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控 制和功率放大后，使步进电机传动，通过齿轮副 与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。
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1.2 闭环和半闭环进给系统
伺服驱动装置： 直流或者交流伺服电机
电液伺服阀-液压马达。
.
与开环进给系统主要区别：
安装在执行部件或其他传动元件上的位置 检测装置，将执行部件的实际位移量转换成电脉 冲后，反馈到输入端并与输入位置指令信号进行 比较，将两者的差值放大和变换，控制伺服驱动 装置驱动执行部件以给定的速度向着消除偏差的 方向运动，直到指令位置与反馈的实际位置的差 值等于零为止。
数控机床
.
伺服系统的应用
.
伺服的上位及下位装置
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概念： 机械位置或角度作为控制对象自动控制系统。
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组成： 伺服电路、 伺服驱动装置、 机械传动机构、 执行部成： 伺服驱动装置： 步进电机、 功率步进电机、 电液脉冲马达。
图 5.1 开环进给系统
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图 5.1 开环进给系统
图 5.2 进给系统
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图 5.2 进给系统
数控机床
《数控机床伺服系统》PPT课件
动而相对移动。
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光栅尺是用真空镀膜的方法刻上均匀密集线纹的透 明玻璃片或长条形金属镜面。
对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间的距 离相等，称此距离为栅距。
对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅 距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。
栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。
2。交流伺服系统
电机转速可采用以下两种方法: (1)改变磁极对数P，这是一种有效的调速方法,它是
通过对定子绕组接线的切换改变磁极对数调速的。 (2)变频调速。变频调速是平滑改变定子供电电压频
率f，而使转速平滑变化的调速方法，多数交流伺 服电动机都采用这种调速方法。
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4.5 位置检测装置
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永磁式宽调速直流电动机为永磁式电动机， 其磁场磁通是恒定的，只能通过改变电枢 的电压进行调速。
常用的电压调速有两种方法:晶闸管调速 (SCR)和晶体管脉宽调制调速(PWM)。
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晶体管脉宽调速(PWM)的主要特点
PWM调速具有如下特点: (1)晶体管的频率远比转子能跟随的频率高得多,避
开了机械共振。
(2)电枢电流的脉动小,电动机在低速时工作也十分 平滑、稳定。
(3)调速比可以很大。 (4)电流波形系数较小,热变形小。 (5>功率损耗小。 (6)频带宽动态硬度好,响应很快。
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缺点: 如不能承受高的峰值电流。一般都是将峰值 电流限制到二倍有效电流。另外，还有大功率晶体 管性能不够稳定，价格较贵等缺点。
材料有玻璃光栅和金属光栅之分。
光栅主要由光栅尺(包括标尺光栅和指示光栅)和光 栅读数头两部分组成,
数控机床的控制系统概述
第七章数控机床的控制系统概述学习目的：1．什么是数控技术、数控系统和数控机床，数控系统对机床的控制包括哪几方面？2．数控机床控制系统组成有哪些，他们的作用各是什么？3．数控机床的控制方式有几种，各有什么特点？4．数控机床的接口有几类，他们的接口规范是什么？第一节数控机床的控制系统一、数字控制技术简介1．数字控制技术数字控制（Numerical Control）技术，简称数控技术，是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行自动控制的一种方法。
数控技术不仅用于机床的控制，而且还用于其它设备的控制，产生了诸如数控绘图机、数控测量机等数控设备。
2．数控系统和数控机床用数字控制技术实现自动控制的系统称为数控系统。
数控系统中的控制信息是数字量，其硬件基础是数字逻辑电路。
最初数控系统是由数字逻辑电路构成的，所以也成为硬件数控系统。
现代数控系统采用存储程序的专用计算机或通用计算机来实现部分或全部基本数控功能，所以成为计算机数控系统（Comouter Numerical Control），简称CNC系统。
计算机数控系统是在硬件和软件共同作用下完成数控任务的，具有真正的“柔性”。
数控系统对机床的控制包括顺序控制和数字控制两个方面。
顺序控制是指对刀具交换、主轴调速、冷却液开关、工作台的极限位置等一类开关量的控制。
数字控制是指机床进给运动的控制，用于实现对工作台或刀架的位移、速度这一类数字量的控制。
数控系统与机床的有机结合称为数控机床，如数控车床、数控铣床、数控加工中心等。
数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电力拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。
二、数控机床控制系统的组成序记载机床加工所需的各种信息，包括零件的加工轨迹、工艺信息及开关命令。
输入装置是将程序载体上的数控编码转换成相应的脉冲信息，传送并存入数控装置内。
输出装置显示输入的内容及数控工作状态等信息，监控数控系统的运行。
常用的输入/输出装置有光电阅读机、磁带录放机、磁盘驱动器、键盘和CRT显示器等。
数控机床的伺服系统的组成和各伺服电机技术的特点
数控机床的伺服系统的组成和各伺服电机技术的特点
数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。
伺服系统的组成是由：比较环节——驱动电路——执行元件——传动装置——移动部件；速度反馈，位置反馈环节。
进给伺服电机技术特点有六点：
1 调速范围宽。
2 位移精度高；一般数控机床的脉冲当量为0.01mm~0.005mm脉冲，高精度的数控机床其脉冲当量可达0.001mm脉冲。
3 定位精度高；定位精度一般为0.01mm~0.001mm，甚至0.1um。
4 稳定性好；对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀，平稳，稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。
5 动态响应要求过渡时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒。
步进电机的特点：步进电机的角位移或直线位移与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率成正比，能快速
的起动，制动和反转；在一定频率范围内各种运动方式都能任意的改变且不会失步，当停止输入控制脉冲后，只要维持控制绕组电流不变，电动机就会保持在某一固定位置上，所以步进电机具有自整步的能力，并且没有周累积误差，所以定位精度较高。
数控机床伺服系统和常用驱动元件
角位移∝脉冲个数
转速∝脉冲频率 转向与分配脉冲的相序有关
1、分类
按转矩产生的工作原理分：反应式和励磁式 按输出力矩大小分：伺服步进电机和功率步进电机
按励磁组数分：三相、四相、五相、六相步进电机
2、结构及工作原理
——以三相反应式步进电动机为例
由定子、定子绕组和转子组成 。
工作方式：
• 三相单三拍 • 相双三拍 • 三相单双六拍
4、步进电机的主要特性
(1)步距角α及其步距误差
指每输入一个脉冲信号，转子应转过角度的理论值。它取决于电机结构和控制 方式。
式中 m——定子相数；
z——转子齿数； k——通电系数，若连续两次通电相数相同为1，若不同则为2。
数控机床所采用步进电动机的步距角一般都很小，通常为3°、1．5°或 0．75°等。步距角越小，控制精度越高。
2.组成
由伺服电动机、伺服驱动装置、位置检测装置等组成。
电能→
机械能
功率放大和速度 调节
检测和反馈
二、进给伺服系统的作用、特点及组成
1. 作用
接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功 率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。
2、特点（与主运动系统比较）： 功率相对较小； 控制精度要求高； 控制性能要求高，尤其是动态性能。
➢电刷、换向器易磨损，维护不便；
➢结构复杂，制造困难。
5. 交流伺服电机
交流电机在结构上克服直流伺服电机的缺点，同时又充 分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等 优点。
因此，在某些场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电 机。
三相交流永磁同步电动机的工作原理
1 2 3
4
转速∝脉冲频率 转向与分配脉冲的相序有关
1、分类
按转矩产生的工作原理分：反应式和励磁式 按输出力矩大小分：伺服步进电机和功率步进电机
按励磁组数分：三相、四相、五相、六相步进电机
2、结构及工作原理
——以三相反应式步进电动机为例
由定子、定子绕组和转子组成 。
工作方式：
• 三相单三拍 • 相双三拍 • 三相单双六拍
4、步进电机的主要特性
(1)步距角α及其步距误差
指每输入一个脉冲信号，转子应转过角度的理论值。它取决于电机结构和控制 方式。
式中 m——定子相数；
z——转子齿数； k——通电系数，若连续两次通电相数相同为1，若不同则为2。
数控机床所采用步进电动机的步距角一般都很小，通常为3°、1．5°或 0．75°等。步距角越小，控制精度越高。
2.组成
由伺服电动机、伺服驱动装置、位置检测装置等组成。
电能→
机械能
功率放大和速度 调节
检测和反馈
二、进给伺服系统的作用、特点及组成
1. 作用
接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功 率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。
2、特点（与主运动系统比较）： 功率相对较小； 控制精度要求高； 控制性能要求高，尤其是动态性能。
➢电刷、换向器易磨损，维护不便；
➢结构复杂，制造困难。
5. 交流伺服电机
交流电机在结构上克服直流伺服电机的缺点，同时又充 分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等 优点。
因此，在某些场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电 机。
三相交流永磁同步电动机的工作原理
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数控技术第七章数控机床的伺服系统
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2) 进给调速范围要宽 为适应不同的加工条件，例如加工用刀具、被加工材料及 零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削 条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。
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8
3) 位置精度要高
使用数控机床主要是为了保证加工质量的稳定性和一致性， 减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的 加工精度问题，缩短制造周期等。为了满足这些要求，关键之 一是保证数控机床的定位精度和加工精度。数控机床在加工时 免除了操作者的人为误差，它是按预先的程序自动进行加工， 不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像 普通机床那样，可随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加 工精度的影响。因此，要求定位精度和轮廓切削精度能达到数 控机床要求的指标。为此，在位置控制中要求具有高的定位精 度，如精确到1μm甚至0.1μm。在速度控制中，要求具有很高的 调速精度和很强的抗干扰的能力，即要求工作稳定性要好。
• 1．步进伺服系统 • 2．直流伺服系统 • 3．交流伺服系统 • 4．直线伺服系统
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7.2．步进电动机及其驱动系统
• 7.2.1．步进电动机的结构类型 • 7.2.2．步进电动机的工作原理 • 7.2.3．反应式步进电机的主要性能指标 • 7.2.4．驱动控制系统组成 • 7.2.5．步进电动机驱动控制技术 • 7.2.6．步进电机的应用
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A C
3° B
C B
6° A
步进电机实例
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步进电机的特点 步进电机的主要特点如下： (1) 步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比， 故控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。 (2) 步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控 制脉冲频率就能调节步进电机的转速。 (3) 当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机 轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置。
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2) 进给调速范围要宽 为适应不同的加工条件，例如加工用刀具、被加工材料及 零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削 条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。
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3) 位置精度要高
使用数控机床主要是为了保证加工质量的稳定性和一致性， 减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的 加工精度问题，缩短制造周期等。为了满足这些要求，关键之 一是保证数控机床的定位精度和加工精度。数控机床在加工时 免除了操作者的人为误差，它是按预先的程序自动进行加工， 不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像 普通机床那样，可随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加 工精度的影响。因此，要求定位精度和轮廓切削精度能达到数 控机床要求的指标。为此，在位置控制中要求具有高的定位精 度，如精确到1μm甚至0.1μm。在速度控制中，要求具有很高的 调速精度和很强的抗干扰的能力，即要求工作稳定性要好。
• 1．步进伺服系统 • 2．直流伺服系统 • 3．交流伺服系统 • 4．直线伺服系统
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7.2．步进电动机及其驱动系统
• 7.2.1．步进电动机的结构类型 • 7.2.2．步进电动机的工作原理 • 7.2.3．反应式步进电机的主要性能指标 • 7.2.4．驱动控制系统组成 • 7.2.5．步进电动机驱动控制技术 • 7.2.6．步进电机的应用
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C B
6° A
步进电机实例
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步进电机的特点 步进电机的主要特点如下： (1) 步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比， 故控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。 (2) 步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控 制脉冲频率就能调节步进电机的转速。 (3) 当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机 轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置。
第七章数控机床伺服系统
第一节 概述
2、数控机床对进给伺服系统的要求
(5) 调速范围要宽，低速时能输出大转矩 调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围RN是指机床要求 电动机能够提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，即：
R
N
=
n max n min
其中nmax和nmin一般是指额定负载时 额定负载时的电动机最高转速和最低转速，对于 额定负载时 小负载的机械也可以是实际负载时最高和最低转速。一般的数控机床进 给伺服系统的调速范围RN为1：24 000就足够了，代表当前先进水平的速 度控制单元的技术已可达到1：100 000的调速范围。同时要求速度均匀、 稳定、无爬行，且速降要小。在平均速度很低的情况下（1mm/min以下） 要求有一定瞬时速度。零速度时要求伺服电动机处于锁紧状态，以维持 定位精度。
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
–
柔性差： 柔性差：系统全由硬件构成，使得它的各调节器参数在机电联 调整定后就固定下来了，不易改变，这对负载惯量变化不大的 位置伺服系统（如车床刀架进给控制），可获得满意的控制性 。 对 负载惯量 大的系统， 。 的数 ， 在整
（负载惯量变化） – 量 化成 ， 响 电
第一节 概述
1、数控机床伺服系统的概念及组成 （1）在位置控制中，根据插补运算得到的为之指令 （即一串脉冲指令或二进制数据），与位置检测装置 反馈来的机床坐标轴的实际位置进行比较，形成位置 偏差，经变换得到速度给定电压。 （2）在速度控制中，伺服驱动装置根据速度给定电 压和速度检测装置反馈的实际转速对伺服电动机进行 控制，以驱动机床部件，从而把速度量变为位置量。
提高系统 精度 环 措施 的精度；
一. 开环进给伺服系统
传动间隙补偿 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放 在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控 系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。 – 螺矩误差补偿 滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但 的 精 ， 将其精度控 在一 的范围内的， 的螺 存在 一 的误差的， 用 机的运 ， 补偿滚珠丝 的螺矩 误差， 高进给 精度。 测量 进给丝 螺 误差 ( )，然 用 误差补偿 补偿 补偿。 补偿 –
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
数控机床的进给伺服系统概述
M j max
• 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。
• 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。
数控车床中级工题库附加答案
第七章数控车床中级工题库第一节数控车床中级工理论（应知）试卷数控车床中级工理论（应知）试卷1单位：________________ 姓名：_____________准考证号：__________________一、填空：（每空1分，共20分）1．夹具夹紧力的装置的确定应包括夹紧力的_大小_ _方向__和____作用点______三个要素。
2．常用作车刀材料的硬质合金有_钨钴_____和__钨钛钴______两类。
3．专用夹具主要由定位、夹紧、夹具体、辅助部分组成。
4．切削力的轴向分力是校核机床___进刀机构强度___的主要依据。
5．数控机床坐标轴的移动控制方式有__点动、连续移动、手摇脉冲发生器移动__ 三种。
6．每一道工序所切除的____金属层厚度__________，称为工序间的加工余量。
7．要使车床能保持正常的运转和解少磨损，必须经常对车床的所有摩擦_部分进行__润滑_____。
8．划线要求划出的线条除___清晰均匀____外，最重要的是要保证_尺寸______。
9．在数控机床上对刀可以用__手工_____对刀，也可以用_对刀仪_对刀。
二、选择填：（每题2分，共计30分）1．闭环进给伺服系统与半环进给伺服系统主要区别在于_____B______A．位置控制器 B.检测单元 C.伺服单元 D.控制对象2．______A____时间是辅助时间的一部分。
A. 检验工件B.自动进给C. 加工工件3．绘图时.大多采用_____A____比例，以方便看图。
A. 1:1B. 1:2C. 2:14．用来表示机床全部运动关系的示意图称为机床的____A____。
A.传动系统图B.平面展开图C.传动示意图5．自动定心卡盘的三个卡爪是同步运动的，能自动定心，不太长的工件装夹后_______A____A.一般不需找正B.仍需找正C.必需找正6．在电火花穿孔加工中，由于放电间隙的存在，工具电极的尺寸应__C_____被加工孔的尺寸A.大于B.等于C.小于7．选择粗基准时，应当选择_____C___的表面A．任意 B．比较粗糙 C．加工余量小或不加工8．生产批量越大，分摊到每个工件上的准备与终极时间就越___B___。
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
数控机床的伺服系统教学课件PPT
脉冲 环形分配
环节
功能型 功率放大
电路
步进电动机 激磁绕组
驱动电路 供电电源
1.光电耦合隔离接口
数控装置输出的脉 冲控制信号在和步 进电动机的驱动电 路相联接时，都必 须设置一个光电耦 合隔离接口，以防 止外部驱动电路对 计算机内部极敏感 集成电路的干扰和 损坏。
来自数控装置 的控制脉冲
R2
Vcc
Eb —电枢线圈所产生的反电势 Kb —与结构及磁场性质相关的电磁常数
n —直流电动机的工作转速
施加在电枢线圈上的电压主要用以克服 反电势。但由于电枢线圈本身必然有电 阻，也要耗散一部分能量，故外加的电 压为：
R
C
V
V
（ a）
（ b）
（ c） （ d）
（3）并联增流电容电路
为使激磁绕组在通
电瞬间L的工作电流L Rc
L
建立得更加迅速，
可端在 再限 并R流 联电 上D阻 一的个两大R D
R
电容来减小回路的
来 器
自 的
环 指
形 令
分脉动配冲 态阻抗，而稳态
工作时V的阻抗仍V然
V
仅为限流电阻本身。
（ a）
（ b）
B相
C相
各相定子
各相转子
9°
3°
6°
转子顺时针方向
可以得到如下结论： （1）步进电机的步距角α与定子绕组的相数 ｍ、转子的齿数ｚ、通电方式ｋ有关，可用 下式表示：
360 mzk
式中，ｍ相ｍ拍时，ｋ=1； ｍ相２ｍ拍时，ｋ=2；
α一般为0.75°～3°。 （2）改变步进电机定子绕组的通电顺序，转 子的旋转方向也随之改变。 （3）通电状态的变化频率越高，转子的转速 越高。
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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2. 数控机床对主轴伺服系统的要求 （1）足够的输出功率。 主轴转速高，输出转矩小；主轴转速低，输出转 矩大。要求主轴驱动装置具有恒功率性质。 （2）调速范围宽。 数控机床的变速依照指令自动执行，要求能够在 较宽的转速范围内进行无级调速，较少中间传递 环节，简化主轴箱。 （3）定位准停功能。 为使得数控车床具有螺纹切削等功能，要求主轴 能与进给驱动实行同步控制。 在加工中为自动换刀，要求主轴具有高精度的准 停功能。
3. 按被控对象分类
（1）进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削所 需的转矩。 包括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动，提供所需的驱动功率 和切削力。 一般的主轴控制只有一个速度控制系统，具有C 轴控制的主轴伺服系统与进给伺服系统相同，是 一般概念的位置伺服控制系统。 刀库的位置控制是简单的位置伺服控制。
（2）闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测 工作台的实际位移。 利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值 的差值进行位置控制。 精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传 动链的误差无关。 适用于大型或比较精密的数控设备。 （3）半闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测 角位移，间接获得工作台的位移。 精度比闭环控制低，滚珠丝杠的精度影响位置检测 的精度。适用于中小型数控机床。
（2）静态转矩与矩角特性 静态转矩：当步进电机某相通电时，转子处于不同 状态，此时在电机轴上加一个负载转矩，转子就按 一定方向转过一个角度θ，此时转子所受的电磁转 矩M即为静态转矩。 矩角特性：静态转矩M与θ的关系。
（3）启动频率 启动频率：空载时，步进电机由静止状态突然启动，并 进入不丢步的正常运行的最高频率。 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低，并 随负载增加而进一步降低。 （4）连续运行的最高工作频率 最高工作频率：步进电机启动后，保证连续不丢步运行 的最高工作频率。 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率，即决定了 步进电机的最高转速。 （5）加减速特性 加减速特性：步进电机由静止刀工作频率和由工作频率 到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率 与时间的关系。
1. 步进电机的类型
分类方式 转矩产生原理 具体类型 ①反应式（磁阻式）；②永磁式；③永磁感应式（混合式）。 ①伺服式：输出力矩在百分之几至十分之几（N•m），只能驱 动较小的负载，要求与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工 作台等较大的负载。 ②功率式：输出力矩在5-50（N•m）以上，可以直接驱动机 床工作台等较大的负载。 ①三相；②四相；③五相；④六相。 ①径向分相式：电机各相按圆周依次排列。 ②轴向分向式：电机各相按轴依次排列。 ①旋转运动式；②直线运动式；③平面运动式；④滚动运动式。 ①单定子式；②双定子式；③三定子式；④多定子式。
伺服系统结构
7.1.3 数控机床对伺服系统的要求
1. 数控机床对进给伺服系统的要求 （1）调速范围大，低速转矩大。 调速范围：机械装置要求电机能提供的最高进给速 度相对于最低进给速度之比。 为保证所有加工条件下，均能得到最佳切削条件和 加工质量，就要求进给速度在较大的范围内变化。 低速切削要求电机输出较大的转矩，避免出现低速 爬行现象。 （2）精度高。 精度：伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。 为保证数控加工精度要求，主要保证机床的定位精 度和进给跟踪精度。
7.2 步进电机伺服系统
7.2.1 步进电机
步进电机：一种将电脉冲信号变换成相应的角位移 或直线位移的机电执行元件。 数控装置输出的进给脉冲数量、频率和方向经过驱 动控制电路达到步进电机后，可以转换为工作台的 位移量、进给速度和方向。
工作台 指令脉冲 驱动控制线路 步进电机
丝杠
开环步进式伺服系统组成框图
第7章 数控机床的伺服系统
7.1 概 述
伺服系统：以位置和速度作为控制对象的自动控 制系统。 伺服系统接受数控装置发来的进给脉冲指令信号， 经过信号变换和电压、功率放大由执行元件将其 转变为角位移和直线位移，以驱动数控设备各运 动部件实现运动。 7.1.1 伺服系统的分类 1. 按照调节理论分类 1）开环伺服系统 开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无 位置检测装置。
对于工作台为直线进给的系统，角位移ψ再经 减速齿轮、滚珠丝杠螺母后转变为工作台的直 线位移量L。开环步进进给伺服系统的脉冲当 量δ δ=αih/360 式中： α—为步距角 h—滚珠丝杠导程 i为齿轮传动比i=z1/z2 增设减速齿轮的目的，一方面可协调系统各参 数之间的比例关系，另一方面可调整速度，增 大力矩，降低电动机功率。
（6）矩频特性与动态转矩 矩频特性：描述步进电机连续稳定运行时输出转矩M与 连续运行频率f之间的关系。 动态转矩：矩频特性曲线上每个频率对应的转矩。 步进电机正常运行时，动态转矩随连续运行频率的上升 而下降。
(7)开环进给伺服系统
工作台位移量的控制 数控装置发出N个进给脉冲，经驱动线路放 大后，转化成步进电动机定子绕组通/断电 的电流变化次数N，使步进电动机定子绕组 的通电状态改变了N次，因而也就决定了步 进电动机的角位移量ψ ψ=Nα 式中，α为步距角（°）
（3）快速响应无超调。 快速响应反映系统的跟踪精度。 （4）稳定性好，可靠性高。 稳定性：系统在给定输入或外界干扰作用下，能 经过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态。 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀、 平稳。 （5）足够的传动刚性，较强的过载能力，电机的 惯量与移动部件的惯量相匹配，伺服电机能够频 繁启停和可逆运行。
7.1.2 伺服系统的组成
由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。 （1）控制器：由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单 元组成。 控制器最多构成三闭环控制：外环为位置环，中环为速 度环，内环为电流环。 （2）功率驱动装置：由驱动信号产生电路和功率放大器等组 成。 功能：一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机 上，调节电机力矩的大小；另一方面按电机要求将恒压恒频 的电网供电转换为电机所需直流电或交流电。 （3）位置检测装置：闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置， 其安装位置不同；开环伺服系统无位置检测装置。 （4）伺服电机：闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服 电机；开环伺服系统采用步进电机。
7.2.2 步进电机的驱动控制器
功能：将具有一定频率f、一定数量N和方向的进给脉冲 转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变 化频率、变化次数和通断电顺序。 驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成。
1. 环形脉冲分配器
功能：将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕 组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强 电）。即将数控装置的插补脉冲，按步进电机 所要求的规律分配给步进电机的各相输入端， 以控制励磁绕组的通、断电。 分类：硬件环形分配器和软件环形分配器。 硬件环形分配器：步进电机驱动装置本身带有 环形分配器。 软件环形分配器：驱动装置本身无环形分配器， 环形分配需要软件完成。。
4. 反应式步进电机主要特征
（1）步距角和静态步距误差 步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、 通电方式k有关，即有：α＝360°/(mzk)。 其中：m相m拍时，k＝1；m相2m拍时，k＝2，依 此类推。例如，三相三拍，z＝40时，α＝ 360°/(3×40×1)＝3°。 静态步距误差：在空载情况下，理论的步距角与实际 的步距角之差，以分表示，一般在10′之内。 步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子 间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。
数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大， 传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲， 就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带 动机床工作台移动。 指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决 定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了 步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移 大小。 开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置， 其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以 及传动机构的传动精度。 结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求 不高的经济型、中小型数控系统。
定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着5个小 齿，呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为9°。 转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，其大小和间距 与定子上的完全相同。 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。
当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上 的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，即3°；C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。 步距角：步进电机每走一步所转过的角度，其大小等于 错齿的角度。 （2）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢，另一方由软磁材料 制成，其上由励磁绕组。 绕组通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用 产生转矩。 （3）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成。
2. 按使达。 驱动元件：液动机或液压缸。 优点：低速高输出力矩，刚性好，时间常数小，反 应快，速度平稳。 缺点：需要供油系统，体积大，产生噪声和漏油等 问题。 （2）电气伺服系统 执行元件：伺服电机（步进电机、交流或直流伺服 电机）。 驱动元件：电力电子器件。 现代数控机床均采用电气伺服系统。
工作台运动方向控制 改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序， 即可改变步进电动机定子绕组中电流的通断 循环顺序，从而实现步进电动机的正反转， 相应工作台的进给运动方向也随之改变。 数控装置输入的进给脉冲数量、频率、循环 顺序，经驱动控制电路到达步进电动机后， 可以转换为工作台的位移量、进给速度和进 给方向。
4. 按反馈比较控制方式分类
（1）数字－脉冲比较伺服系统 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装 置测量的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接 进行比较，产生位置差值，形成闭环和半闭环控制。 （2）相位比较伺服系统 采用相位工作方式，指令信号与反馈信号均以相位形 式表示并进行比较。 （3）幅值比较伺服系统 6以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大 小，并与指令信号进行比较。 （4）全数字控制伺服系统 由位置、速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化。