第3章 数控机床的伺服系统
数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性分析与研究
数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性分析与研究1. 数控机床直线电机进给伺服系统概述随着科技的不断发展，数控机床在工业生产中扮演着越来越重要的角色。
为了提高数控机床的加工精度和效率，近年多的研究者开始关注直线电机进给伺服系统的研究与应用。
直线电机进给伺服系统是一种采用直线电机作为驱动源的高精度、高速度、高可靠性的伺服系统，广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等领域。
直线电机进给伺服系统具有很多优点，如结构简单、体积小、重量轻、响应速度快、转矩大等。
这些优点使得直线电机进给伺服系统在数控机床中的应用越来越广泛。
由于直线电机本身的特点以及伺服系统的复杂性，对其进行动态特性分析与研究具有很大的挑战性。
本文将对数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性进行深入研究，以期为实际应用提供理论依据和技术支撑。
1.1 研究背景随着现代制造业的快速发展，数控机床在各个领域的应用越来越广泛。
数控机床的性能和精度对于提高产品质量、降低生产成本具有重要意义。
直线电机进给伺服系统作为数控机床的关键部件之一，其动态特性直接影响到数控机床的加工精度、速度和稳定性。
研究数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性，对于提高数控机床的整体性能具有重要的现实意义。
传统的数控机床进给伺服系统主要采用步进电机驱动，虽然在一定程度上满足了加工需求，但其动态特性较差，如速度响应慢、加速度范围窄、负载能力有限等。
这些问题限制了数控机床在高速、高精度加工方面的应用。
随着直线电机技术的不断发展，直线电机进给伺服系统逐渐成为数控机床领域的研究热点。
直线电机具有功率密度高、加速度响应快、速度快、转矩大等优点，可以有效提高数控机床的性能。
由于直线电机进给伺服系统涉及到多个学科领域，如电机学、控制理论、机械设计等，因此对其动态特性的研究具有较高的难度。
本论文旨在对数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性进行分析与研究，以期为提高数控机床的性能和稳定性提供理论依据。
数控机床伺服系统常见故障的诊断及其处理
数控机床伺服系统常见故障的诊断及其处理数控机床伺服系统是机床的重要组成部分，其故障会严重影响机床的生产效率和质量。
本文将对数控机床伺服系统常见故障进行分析，提供相应的诊断和处理方法，帮助机床维修工程师进行有效的故障排查。
一、伺服电机输出不稳定或不工作的故障1. 伺服电机电气连接故障。
在伺服电机输出不稳定或不工作的情况下，首先要检查电气连接是否良好，包括伺服电机与伺服主轴电机之间的电气连接是否正常、伺服驱动器电气与伺服电机之间的连接是否正确、接地是否合格等，排除电气连接问题。
2. 伺服电机本身故障。
伺服电机的故障如轴承磨损、线圈断路、电机转子故障等都会导致输出不稳定或不工作的情况，需要进行检测和维修。
常见的检测方法如用万用表测量电机的电阻，检查电机转动是否灵活、轴承是否正常等。
3. 伺服驱动器故障。
伺服驱动器的故障如防护电路故障、电源故障、接口板连接不良等都会导致伺服电机输出不稳定或不工作，需要检查相应的部件进行排查。
常见的检测方法如检查驱动器是否有报警信号、电源是否正常、接口板是否正确插接等。
二、伺服系统位置偏移或误差过大的故障1. 导轨故障。
导轨质量差、磨损严重或进刀太大等都会导致伺服系统位置偏移或误差过大，需要检查导轨表面是否有磨损痕迹以及导向面是否平整。
2. 动态中的机械振动、系统震动或机床本身质量不好。
这些因素在机床运行中都会产生影响，导致伺服系统位置偏移或误差过大，需要进行检查和调整。
调整方法可采用优化机床支撑结构、调整伺服参数等。
3. 伺服系统参数设置错误。
如伺服系统的比例系数、积分系数和微分系数未能正确设置，将导致位置偏移或误差过大。
此时需要检查和调整伺服系统的参数设置。
三、伺服系统温度过高或过低的故障伺服系统的温度过高或过低都会导致数控机床性能下降，进而影响机床的精度和稳定性。
常见的故障原因包括：1. 冷却系统故障。
如冷却水温度过高或过低、冷却系统中水泵或水管路堵塞、扇叶损坏等都会导致伺服系统温度异常。
数控机床中伺服系统技术特性的应用
气传 动 自动控 制 系统 。这类 系统控 制 电动 机 的转 矩 、 转速 和转 角 ， 电能转 换 为 机 械 能 ， 现机 械 的运 动 将 实 要求 。数 控机 床 中 ， 伺服 系统接 收数 控系统 发 出的位 移 、 度指 令 ， 速 经变 换 、 调 与整 大 后 ， 电动 机 和 机 放 由 械传 动机 构驱 动机 床 坐标 轴 、 主轴 等 ， 动工 作 台及 带
薛旺录 ，刘立 美
（ 兰州工业 高等专科学校 工程训练中心 。 甘肃 兰州 ７ ０５ ） ３０ ０
摘
要： 作为数控机床 的重要功能部件 ， 服系统 的特 性一直是影 响系统加 工性能 的重要指标 。笔 者介绍 了数控 机 伺
床的进给伺服系统 、 主轴伺服 系统 的特性 ， 并对其应用前景进行展望。
计。
２ 伺 服 系统 的 结 构
从 基本 结 构 看 ， 服 系统 主要 由控 制器 、 率驱 伺 功 动 装置 、 反馈 装置 和 电动机组 成 。控制器 按照数 控 系 统 的给定 值 和通过 反馈 装置检 测 的实际运 行值 的差 ， 调节 控 制量 ； 功率 驱 动装 置 作 为 系统 的主 回路 ， 一方
１ 概
述
中பைடு நூலகம் 动机械 的不 同将其 分为进 给伺 服与 主轴伺 服 。
作 为数控机 床 的执行 机构 ， 服 系统集 电力 电子 伺
３ 进 给 伺 服 系统 的特 性
进 给伺 服 以数 控机床 的各 坐标 为控 制对象 ， 生 产 机 床 的切削进 给运 动 。为此 ， 求进 给伺 服能快 速调 要 节 坐标 轴 的运 动速 度 ， 能精确 地进行 位 置控 制 。具 并 体 要求其 调 速范 围宽 、 位移 精 度高 、 定性好 、 稳 动态 响 应 快 。根 据 系统使用 的 电动机 ， 给 伺服可 细分 为步 进 进 伺服 、 直流伺 服 、 流伺服 和直 线伺 服 【 。 交 ２ 】 （ ）步进伺 服 系统 １ 步进 伺 服 是 一 种 用 脉 冲信 号 控制 ， 将 脉 冲信 号 转 换 成 相 应 角 位 移 的 控 制 系 并 统 。其角 位移 与脉 冲数 成正 比 ， 速与 脉 冲频 率成 正 转 比 ， 过改 变脉 冲频率 可调节 电动机 的转 速 。如果 停 通
《数控技术》课后答案
第3章习题解答3.1 简述数控伺服系统的组成和作用。
数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环（含半闭环）两种类型。
开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。
驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。
闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测元件、比较环节组成。
位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。
3.2 数控机床对伺服系统有哪些基本要求？数控机床对伺服系统的基本要求：⒈精度高；⒉快速响应特性好；⒊调速范围宽；⒋系统可靠性好。
3.3 数控伺服系统有哪几种类型？简述各自的特点。
数控伺服系统按有无检测装置分为开环伺服系统、半闭环伺服系统和闭环伺服系统。
开环伺服系统是指不带位置反馈装置的控制方式。
开环控制具有结构简单和价格低廉等优点。
半闭环伺服系统是通过检测伺服电机的转角间接地检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。
这种系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性。
闭环伺服系统将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。
闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关，其控制精度将超过半闭环系统。
3.4 简述步进电动机的分类及其一般工作原理。
从结构上看，步进电动机分为反应式与激磁式，激磁式又可分为供电激磁和永磁式两种。
按定子数目可分为单段定子式与多段定子式。
按相数可分为单相、两相、三相及多相，转子做成多极。
在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。
数控机床进给伺服系统的组成和分类
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。
二、进给伺服系统的组成如图所示为数控机床进给伺服系统的组成。
从图中可以看出，它是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。
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。
开环伺服系统开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。
如图所示，这种系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲电动机等。
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，使步进电动机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。
闭环伺服系统闭环伺服系统原理图如图所示。
系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电动机以及电液伺服阀—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。
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。
半闭环伺服系统半闭环伺服系统如图所示。
将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件位置的系统称为半闭环系统。
闭坏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，因此，半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与凋试都比较简单。
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。
使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。
机床数控技术及应用课后答案
机床数控技术及应用课后答案【篇一：课后习题答案(数控技术)】>第一章绪论1．数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么？答：数控机床由输入装置、cnc装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
2．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床？各有何特点？答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
（2）闭环控制系统；其特点：a. 反馈信号取自于机床的最终运动部件（机床工作台）；b. 主要检测机床工作台的位移量；c. 精度高，稳定性难以控制，价格高。
（3）半闭环控制系统：其特点：a. 反馈信号取自于传动链的旋转部位；b. 检测电动机轴上的角位移；c. 精度及稳定性较高，价格适中。
应用最普及。
3．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床？三者如何区别？答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
4．数控机床有哪些特点？答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。
适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等第二章数控加工编程基础1．什么是“字地址程序段格式”，为什么现代数控系统常用这种格式？答：字地址程序段的格式：nxxgxxxxxyxxzxxsxxfxxtxxmxx；特点是顺序自由。
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。
数控机床的位置伺服系统设计
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图 １ 系统 硬 件 框 图
（ ）位置环设计 。位 置控制 环在整个控制系统 中举足轻 １ 重， 也是 三个控制环 中最为复杂的控制环 。 其内容包括位置控 加速功能等。 设计采用 ＩＴ Ｌ ７ １ Ｎ Ｅ ８５ Ｈ作为 Ｃ Ｕ， Ｐ 位置环控制程 序 固化在 ８ ５ Ｈ内部 ４ ７１ Ｋ字节 的 Ｅ Ｒ Ｍ中 ， ＰＯ 主要完成位置伺 服 系统的控制 。伺服接 口电路采用 高精度 的 １ ４位 ＤＡ转化 ／
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（ｈ 州 ｖｃ ｗｎ ｉｈｓｈｏ ｏ ｙ ａ ｉ ，Ｈ ｎｎ Ｐｏｉ ｅ Ｊ ｕｎ Ｈｅａ ５ ６ ０ Ｃ ｉａ ｔｅ ｏ￣ ｄ ｈ ｃｏｌ ｆ Ｊ ｕｎ Ｃｔ ｅａ ｒ ｎ ， ｉ ａ ， ｎｎ ４ ４ ５ ， ｈｎ） ｇ ｉ ｙ ｖｃ ｙ
第 ３ ８卷 第 １期 ・ 术 学
Ｖ ｏ１ Ｎ ｏ． ． ３８ １
湖
南
农
机
２０１１年 １ 月
Ｊａ ． ０ １１ ｎ ２
ＨＵＮＡＮ ＡＧＲ ＣＵＬ Ｉ ＴＵＲ ＡＣＨＩ ＡＬ Ｍ ＮＥＲＹ
数控机 床的位置伺服 系统设 计
赵 亚 娟
（ 河南 省济 源市第 一职业 高 中 ， 河南 济源 ４４ ５ ） ５ ６０
服系统驱动机械执行部分 ， 最终实现精确的进给运动。 服系 伺 统实际上是一种高精度 的位置跟踪与定位 系统 。伺服系统 的 性能决定 了数控机床的许多性能 。因此提高进给伺服系统 的 动态特性与静态特性的品质 是人们始终追求 的 目标 。
数控机床习题有答案
数控机床习题(第一章)1填空题（1）数控机床一般由控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各种辅助装置组成。
（2）数控机床采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。
（3）突破传统机床结构的最新一代的数控机床是并联机床。
（4）自适应控制技术的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳工作状态。
2选择题（1）一般数控钻、镗床属于（ C ）（A）直线控制数控机床（B）轮廓控制数控机床（C）点位控制数控机床（D）曲面控制数控机床（2）（ D ）是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节（A）控制介质（B）数控装置（C）输出装置（D）伺服系统（3）适合于加工形状特别复杂（曲面叶轮）、精度要求较高的零件的数控机床是（ A ）（A）加工中心（B）数控铣床（C）数控车床（D）数控线切割机床（4）闭环控制系统的位置检测装置装在（ D ）（A）传动丝杠上（B）伺服电动机轴上（C）数控装置上（D）机床移动部件上（5）根据控制运动方式的不同，数控机床可分为（B ）（A）开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床（B）点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床（C）经济型数控机床、普及型数控机床和高档型数控机床（D）NC机床和CNC机床3 判断题（1）通常一台数控机床的联动轴数一般会大于或等于可控轴数。
（×）（2）数控机床是通过程序来控制的。
（√）（3）数控机床只用于金属切削类加工。
（×）（4）数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。
（√）（5）机床本体是数控机床的机械结构实体，是用于完成各种切割加工的机械部分。
（√）4 简答题（1）简述数控机床的发展趋势。
P91、高速度与高精度化2、多功能化3、智能化4、高的可靠性（2）简述数控机床各基本组成部分的作用。
数控机床伺服系统的分类
数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。1.按用途和功能分：(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。
1）直流伺服系统其进给运动系统采用大惯量宽调速永流伺服电机。其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。2）交流伺服系统其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。
(2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。
2.按使用的执行元件分：(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。其优点是操作维护方便，可靠性高。其中，
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。
数控机床的伺服驱动系统
数控机床的伺服驱动系统
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，而在数控机床中，伺服系
2
统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机
等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给
脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有
（4）步进电动机的主要特点
步进电动机受脉冲信号的 控制，每输入一个脉冲， 就变换一次绕组的通电状 态，电动机就相应转动一 步。因此角位移与输入脉 冲个数成严格的比例关系。
一旦停止送入控制脉冲， 只要维持控制绕组电流不 变，电动机可以保持在其 固定的位置上，不需要机 械制动装置。
输出转角精度高，虽有相 邻齿距误差；但无积累误 差。
4.3.2.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的 执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性 材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电 磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机 的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。 机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动 机和宽调速电动机等。
θb =
从上面的分析可以看 出，步进电动机转动 的角度取决于定子绕 组的相数、转子齿数 及供电的逻辑状态。 若以θb表示步距角， 则有
（4-12）
360
mzK 式中 m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由 步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系 数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K ＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控 机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ
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
数控机床进给伺服系统的工作原理(共5张PPT)
第2页，共5页。
进给伺服系பைடு நூலகம்的工作原理
进给伺服系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脉冲
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。
数控机或床进进给给伺服位系移统的量工信作原息理，经过变换和放大由伺服电机带动传动机构，最后转化为机床的直线
进给伺服系统的工作原理
进 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。
进给伺服系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脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机带动 传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。
给 数控机床常见故障诊断与排除 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、伺服机构或伺 指 服单元。 令 机 数控机床进给伺服系统的工作原理
第3页，共5页。
进给伺服系统的工作原理
进给伺服系统数的控工作装原理置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置 数位控置装 控置制插和补速检信度测号控输制反送单到元馈位输置出电控到制速路模度来块环的，的位直置到反比机较床馈电完信路成，进号与给位运相置动检。比测较反馈后电路，来的位反置馈信比号相较比较电后路，位输置比出较电位路置输出移位置移动信号，经
数控机床常见故障诊断与排除 数控机床进给伺服系统的工作原理
第1页，共5页。
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。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(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、伺服机构或伺服单元。
数控机床伺服系统培训课件
•持续运行频率（最高工作频率） fm步ax进电机持续工作时能接受旳最高频率,因运行时
转动惯量旳影响比起动时大大减小，因此fmax 》 fq，它表明步进电机所能到达旳最高速度
•步进电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，其 转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高，即步进电机选型及工作方式定下后， 步令距脉角冲频率是f确的定大的小，：因n=此其×转60速f=n3(r6/0min×)只60取f 决于指
mzk
2. 步进电机旳重要特性
•步距角 输入一种脉冲信号,转子转过旳角度 步距角越小,加工精度越高
变化外加电压u 变化磁通量
他励式直流电动机 调速原理图
电枢等效电路图
变化磁通量旳措施不能满足数控机床旳规定，而变 化电压旳措施具有恒转矩旳调速特性，机械特性好，
即机械特性与调整特性都是直线，转速与控制量U之 间是线性关系，而后一种措施转速与控制量 是非
线性关系，控制及设计系统都不以便。因此永磁直
流电机大都采用该调速方案。
•脉冲分派器（环C)伺服电动机
直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能旳旋转电动机 直流伺服电动机具有良好旳调速特性，对伺服电机旳调速 性能规定高旳设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。
直流伺服电动机的工作原理主要基于
电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用
电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导 体中要产生感应电动势
㈣ 交流(AC)伺服电动机
直流伺服电动机构造较复杂，电刷、换向器需常常维 护，电机转速受限，AC克服此缺陷，因此AC伺服电动 机有取代DC伺服电动机旳趋势
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3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制
1.结构与工作原理 . 宽调速直流伺服电动机又称大惯 量直流伺服电动机, 量直流伺服电动机, 它通过提高 输出力矩来提高力矩/惯量比. 输出力矩来提高力矩/惯量比.
ZYSC系列永磁式直流宽调速伺服测速机组 系列永磁式直流宽调速伺服测速机组 28
3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制
A 脉 脉 分 配 功 率 放 最
C′
B
B′ A′
C
步进电动机控制电路
22
3.3.1 步进电动机及其控制系统
4,步进电动机的控制 1)脉冲分配器 ) 将数控装置送来的一串指令脉冲, 将数控装置送来的一串指令脉冲,按照运行通电方式 所要求的顺序和分配规律, 所要求的顺序和分配规律,分配到各相驱动电路输入 用以控制各相绕组中电流的开通和关断. 端, 用以控制各相绕组中电流的开通和关断.
3.1 认识伺服系统的工作过程
2.认识伺服系统的机械结构 .
数控车床光机背面
4
3.2 伺服系统的组成及分类
3.2.1 伺服系统的组成
伺服系统是由伺服驱动装置,伺服电动机, 伺服系统是由伺服驱动装置,伺服电动机,位置检测 伺服驱动装置 装置等组成. 装置等组成. 等组成 接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号,由伺 接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号, 服驱动电路作一定的转换和功率放大, 服驱动电路作一定的转换和功率放大,经伺服驱动装置和 机械传动机构,驱动工作台,主轴头架等执行部件, 机械传动机构,驱动工作台,主轴头架等执行部件,实现 工作进给和快速运动. 工作进给和快速运动.
第3章 数控机床的伺服系统 章
3.1 3.2 3.3 3.4
认识伺服系统的工作过程 伺服系统的组成及分类 伺服电动机 位置检测装置
1
3.1 认识伺服系统的工作过程
1.认识伺服系统 . 在数控机床控制 中的作用
2
数控机床控制原理图
3.1 认识伺服系统的工作过程
2.认识伺服系统的机械结构 .
3 数控车床光机正面
光光 光光 光光
A
功 率 驱 驱 步 路
B C
步步 步驱步
单片机控制的三相步进电动机驱动电路框图
3.3.1 步进电动机及其控制系统
4,步进电动机的控制 2)步进电动机的驱动电路 ) 一般要求驱动电路应能够 提供足够幅值, 提供足够幅值 , 前后沿较 陡的励磁电流, 陡的励磁电流 , 而且功耗 效率高, 运行稳定, 小 , 效率高 , 运行稳定 , 可靠,易于维护. 可靠,易于维护.
5
3.2 伺服系统的组成及分类
3.2.2 对伺服系统的要求
① ② ③ ④ ⑤ 精度高 速度反应快 调速范围大 可靠性高 低速时扭矩大
6
3.2 伺服系统的组成及分类
3.2.3 伺服系统的分类
按使用的驱动装置分为电液伺服系统和电气伺服系统. 按使用的驱动装置分为电液伺服系统和电气伺服系统. 电液伺服系统 按使用电机分为直流伺服电机和交流伺服电机. 按使用电机分为直流伺服电机和交流伺服电机. 直流伺服电机 按反馈比较控制可分为: 按反馈比较控制可分为: 1)脉冲数字比较伺服系统 ) 2)相位比较伺服系统 ) 3)幅值比较伺服系统 ) 4)全数字伺服系统 )
宽调速直流伺服电动机特点: 宽调速直流伺服电动机特点: 1)过载能力强,能承受 倍于额定电流的峰值冲击, 倍于额定电流的峰值冲击, )过载能力强,能承受10倍于额定电流的峰值冲击 能产生额定力矩10倍的瞬时转矩 倍的瞬时转矩. 能产生额定力矩 倍的瞬时转矩. 2)力矩/惯量比大,快速性好. )力矩/惯量比大,快速性好. 3)低速时输出力矩大. )低速时输出力矩大. 4)调速范围宽,与高性能伺服驱动单元组成速度控制系 )调速范围宽, 统时,调速比超过1:10000. 统时,调速比超过 : . 5)转子热容量大,电动机的过载性能好,一般能过载运 )转子热容量大,电动机的过载性能好, 行几十分钟. 行几十分钟.
18°Biblioteka 3.3.1 步进电动机及其控制系统
3,步进电动机的主要特性 (3)静态转矩和矩角特性 θ为失调角 为失调角 Mmax为最大静态转矩 为最大静态转矩
定定
最定
M θ L
M
t
M max
-π -π/2
M 初初 平平平 0 π/2
+π
θt
静静静定连
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3.3.1 步进电动机及其控制系统
3,步进电动机的主要特性 (4)启动转矩 相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状 态的最大启动转距Mq. . 态的最大启动转距 一般地,电机相数的增加会使矩角特性曲线变密,相 一般地,电机相数的增加会使矩角特性曲线变密, 邻两条曲线的交点上移,会使Mq增加. 增加. 邻两条曲线的交点上移,会使 增加 (5)空载启动频率fq 空载启动频率fq 空载时,步进电机由静止突然启动, 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. 正常运行所允许的最高频率.
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3.3.1 步进电动机及其控制系统
步进电动机的类型
分 类 方 式 具 体 类 型 (1)反应式:转子无绕组,由被激磁的定子绕组产 )反应式:转子无绕组, 生反应力矩实现步进运行. 生反应力矩实现步进运行. 转子均有激磁绕组( (2)激磁式:定,转子均有激磁绕组(或转子用永 )激磁式: 久磁钢), ),由电磁力矩实现步进运行 久磁钢),由电磁力矩实现步进运行 (1)伺服式:输出力矩在百分之几之几至十分之几 )伺服式: (Nm)只能驱动较小的负载,要与液压扭矩放大 )只能驱动较小的负载, 器配用, 器配用,才能驱动机床工作台等较大的负载 以上, (2)功率式:输出力矩在 )功率式:输出力矩在5-50 Nm以上,可以直接 以上 驱动机床工作台等较大的负载 (1)单定子式(2)双定子式(3)三定子式(4) )单定子式( )双定子式( )三定子式( ) 多定子式 (1)径向分布式:电机各相按圆周依次排列 )径向分布式: (2)轴向分布式:电机各相按轴向依次排列 )轴向分布式:
7
3.2 伺服系统的组成及分类
按控制方式分 1.开环控制数控机床 1.开环控制数控机床
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3.2 伺服系统的组成及分类
2.闭环控制数控机床 2.闭环控制数控机床
9
3.2 伺服系统的组成及分类
3.半闭环控制数控机床 3.半闭环控制数控机床
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3.3 伺服电动机
3.3.1 步进电动机及其控制系统 步进电机是一种将电脉冲信号转换成 机械角位移的机电执行元件. 机械角位移的机电执行元件. 步进式伺服驱动系统是典型的开环控 步进式伺服驱动系统是典型的开环控 制系统.由于没有反馈检测环节, 制系统.由于没有反馈检测环节,精 度较差, 度较差,速度也受到步进电机性能的 限制.但结构和控制简单,容易调整, 限制.但结构和控制简单,容易调整, 故在速度和精度要求不太高的场合具 有一定的使用价值. 有一定的使用价值.
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三相单三拍通电方式
三相六拍通电方式
3.3.1 步进电动机及其控制系统
2,步进电动机的主要特点 (1)转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制, 转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制, 有脉冲就走,无脉冲则停,旋转方向由通电顺序决定. 有脉冲就走,无脉冲则停,旋转方向由通电顺序决定. (2)体积小,重量轻,价格低. 体积小,重量轻,价格低. (3)驱动简单,工作可靠,误差不长期积累. 驱动简单,工作可靠,误差不长期积累. (4)惯性小,容易调试. 惯性小,容易调试. 主要缺点: 主要缺点: 使用不当时, 失步" 过冲" 使用不当时,会引起 "失步"或"过冲"; 运转时有振动和噪音; 运转时有振动和噪音; 额定转速较低,最高频率一般不超过 额定转速较低,最高频率一般不超过1 kHz. .
20
3.3.1 步进电动机及其控制系统
3,步进电动机的主要特性 (6)运行矩频特性与动态转矩
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3.3.1 步进电动机及其控制系统
4,步进电动机的控制 步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器, 步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器,功率放大驱动 环形脉冲分配器 两大部分组成, 电路两大部分组成 电路两大部分组成,
步进电动机的工作原理
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3.3.1 步进电动机及其控制系统
步进电动机的通电方式有: 步进电动机的通电方式有: (1)单拍.在各相轮流通电的过程中,每拍只有一相通电. )单拍.在各相轮流通电的过程中,每拍只有一相通电. (2)双拍.采用双相轮流通电方式, 即每拍都有两相通电, )双拍.采用双相轮流通电方式, 即每拍都有两相通电, 称为双拍. 称为双拍. 如三相步进电动机的通电顺序为 AB→BC→CA→AB, 则构成三相双三拍工作制. → → → , 则构成三相双三拍工作制. (3)单双拍,即单双相轮流通电. 如对三相步进电动机来说, )单双拍,即单双相轮流通电. 如对三相步进电动机来说, 单双拍工作时的通电顺序为A→ 单双拍工作时的通电顺序为 →AB→B→BC→C→CA→A, → → → → → , 一个循环为6拍 称为三相六拍工作制. 一个循环为 拍,称为三相六拍工作制.
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3.3.2 直流伺服电动机及其速度控制
2. 直流伺服电动机速度控制方法 直流电动机的机械特性公式 :
Ua Ra n= M 2 CeΦ Ce CM Φ
在激磁电流I保持恒定的条件下,改变电枢电压调速, 在激磁电流 保持恒定的条件下,改变电枢电压调速, 保持恒定的条件下 起动力矩大,机械特性好,具有恒转矩特性, 起动力矩大,机械特性好,具有恒转矩特性,是直流伺服驱 动系统普遍采用的调速方法. 动系统普遍采用的调速方法.
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3.3.1 步进电动机及其控制系统
3,步进电动机的主要特性 (1)步距角 步进电动机的步距角越小,位置精度越高. 步进电动机的步距角越小,位置精度越高. 对于定子相数为m,转子齿数为Z的步进电动机,其步距角为 对于定子相数为m 转子齿数为Z的步进电动机,