数控伺服系统.
数控机床进给伺服系统类故障诊断与处理（3篇）
数控机床进给伺服系统类故障诊断与处理数控机床进给伺服系统是数控机床中非常关键的一个组成部分，它直接影响机床加工的精度和效率。
然而，在使用过程中，由于各种原因，进给伺服系统可能会出现故障。
本文将介绍数控机床进给伺服系统的常见故障及其诊断与处理方法。
一、数控机床进给伺服系统常见故障1. 运动不平稳：机床在加工工件时，出现运动不平稳的情况，可能是由于进给伺服系统的故障引起的。
这种情况表现为运动过程中有明显的抖动或者不稳定的现象。
2. 运动失效：机床无法正常运动，不响应操作指令。
这种情况可能是由于进给伺服系统的电源故障、控制器故障或者连接线路故障引起的。
3. 位置误差过大：机床在加工过程中，位置误差超过了允许范围，导致加工工件的尺寸不准确。
这种情况可能是由于进给伺服系统的位置反馈元件（如编码器）故障引起的。
4. 加工速度过慢：机床在加工时，进给速度远低于预设值，导致加工效率低下。
这种情况可能是由于进给伺服系统的电机故障或者速度控制回路故障引起的。
二、故障诊断与处理方法1. 运动不平稳的诊断与处理：首先，检查机床的润滑系统，确保润滑油是否充足，并且清洁。
其次，检查机床的传动系统，确保螺杆和导轨的润滑良好。
如果问题还未解决，可以通过检查进给伺服系统的控制器参数是否正确、电机驱动器是否正常工作等方式进一步诊断。
2. 运动失效的诊断与处理：首先，检查进给伺服系统的电源供应情况，确保电源正常。
其次，检查进给伺服系统的连接线路，包括电源线、编码器连接线等，确保线路没有松动或者断裂。
如果问题还未解决，可以通过检查进给伺服系统的控制器和电机驱动器是否正常工作等方式进一步诊断。
3. 位置误差过大的诊断与处理：首先，检查进给伺服系统的位置反馈元件，如编码器是否损坏或者松动。
如果问题还未解决，可以通过检查进给伺服系统的控制器参数是否正确、电机驱动器是否正常工作等方式进一步诊断。
4. 加工速度过慢的诊断与处理：首先，检查进给伺服系统的电机是否正常工作，包括电机是否有异常声音或者发热等。
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
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
数控机床的伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
伺服驱动装置
位置控制模块 速度控制单元
工作台 位置检测
速度环 速度检测 位置环
伺服电机
测量反馈
图6-1 闭环进给伺服系统结构
数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内 环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。 速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控 制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由 CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组 成。
第6章 数控机床的伺服系统
A C1 B4 2 B 3C A
逆时针转30º
C 4 B
A 1 2 3 A
B
C 1 B
A 2
B 3 C
C
逆时针转30º
4 A
第6章 数控机床的伺服系统
采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针 方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于 双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以 工作比较稳定。
第6章 数控机床的伺服系统
设 A 相首先通电，转子齿与定子 A 、 A′ 对齐（图 3a ）。然后在 A 相继续通电的情 况下接通 B 相。这时定子 B 、 B′ 极对转子 齿 2 、 4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转 动，但是 A 、 A′ 极继续拉住齿 1 、 3 ，因 此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转 子的位置如图 3b 所示，即转子从图 (a) 位 置顺时针转过了 15° 。接着 A 相断电， B 相继续通电。这时转子齿 2 、 4 和定子 B 、 B′ 极对齐（图 c ），转子从图 (b) 的位置又 转过了 15° 。其位置如图 3d 所示。这样， 如果按 A→A 、 B→B→B 、 C→C→C 、 A→A… 的顺序轮流通电，则转子便顺时针 方向一步一步地转动，步距角 15° 。电流 换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个 齿距角。如果按 A→A 、 C→C→C 、 B→B→B 、 A→A… 的顺序通电，则电机 转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六 拍方式。
数控伺服系统介绍
数控伺服系统介绍数控伺服系统介绍随着数字化和自动化技术的发展，数控伺服系统在机械加工、自动化控制、机器人等领域中越来越得到广泛的应用。
数控伺服系统是一种利用数控技术和伺服技术相结合的控制系统，具有高精度、高可靠性、高速度和高灵敏度等特点，被广泛应用于高科技领域中。
数控伺服系统由伺服控制器、伺服电机、传感器和负载等几个基本组成部分构成。
其中伺服控制器是数控伺服系统的核心部分，负责对伺服电机进行控制和调节；伺服电机则是负责将电能转化为机械能的核心部件，将电信号转化为运动控制信号；传感器则是利用位置、速度和力等物理量进行测量，并通过反馈控制实现系统的闭环控制；而负载则是指受到控制力的物理对象，例如机器人等自动化设备。
伺服控制器是数控伺服系统的最核心部分，是将机器加工的动作进行可编程化的设定和控制，实现对机器的可靠控制。
伺服控制器的工作原理是将伺服电机控制信号传输到控制器内的电路板上，通过内部电路板将电器信号转化为脉冲信号，再通过编程控制，使伺服马达根据编程指令进行动作控制。
传感器是数控伺服系统的重要组成部分，被广泛应用于过程监测、异常诊断、故障预测等领域中。
传感器主要分为原理性传感器和物理量传感器两种类型，通过测量物理量来实现对系统状态的检测和控制。
原理性传感器主要包括温度传感器、气敏传感器、压力传感器、水质传感器等，主要用于测量温度、湿度、压力、水质等参数。
而物理量传感器主要是用于测量力、速度、方向等物理量的传感器，例如力传感器、速度传感器、角度传感器等。
伺服电机是数控伺服系统的控制核心部分，通过将电器信号转化为运动控制信号，实现对机器的精定位和高速控制。
伺服电机具有重力偏差小、力矩大、稳定性好等特点，常被应用于精密加工、自动化控制、机器人等领域中。
伺服电机根据不同的工作环境情况，可以分为交流伺服电机和直流伺服电机两种类型，而正弦伺服电机、矩形伺服电机、齿轮箱电机等则是根据不同的工作特点和应用场合而设计出来的。
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。
数控机床对伺服系统的要求
数控机床对伺服系统的要求(1) 精度高伺服系统的精度：输出量能复现输入量的精确程度。
伺服系统的位移精度:指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。
两者误差愈小，位移精度愈高。
(2) 快速响应特性好快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。
机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，加工时为保证所要求的轮廓外形精度和的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。
(3) 调速范围要大调速范围：生产机械要求电机能供应的最高转速和最低转速之比。
在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种状况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。
既能满意高速加工要求，又能满意低速进给要求。
在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转矩。
(4) 系统牢靠性要好系统的牢靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间，这个时间越长牢靠性越好。
对主轴伺服系统，除上述要求外，还应满意如下要求：（1）主轴与进给驱动的同步掌握为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的力量，要求主轴驱动与进给驱动实现同步掌握。
（2）准停掌握在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精确位置的停止。
（3）角度分度掌握角度分度掌握有两种类型：一是固定的等分角度掌握；二是连续的任意角度掌握。
任意角度掌握是带有角位移反馈的位置伺服系统，这种主轴坐标具有进给坐标的功能，称为“C”轴掌握。
“C”轴掌握可以用一般主轴掌握与“C”掌握切换的方法实现，也可以用大功率的进给伺服系统代替主轴系统。
数控系统伺服驱动器接线及参数设定
数控系统伺服驱动器接线及参数设定数控系统是一种实现数控机床运动控制的系统，它通过数控程序控制伺服驱动器驱动电机实现机床各轴的精确定位和运动控制。
正确的接线和参数设定对于数控系统的稳定运行和良好性能至关重要。
一、数控系统伺服驱动器接线1.电源线接线：将电源线的两根火线分别接入伺服驱动器的AC1和AC2端口，将零线接入伺服驱动器的COM端口。
2.电动机线接线：将电动机的三根相线分别接入伺服驱动器的U、V、W端口，注意保持相序正确。
3.编码器线接线：将编码器的信号线分别接入伺服驱动器的A相、B相和Z相端口，注意保持对应关系。
4.I/O信号线接线：将数控系统的输入信号线分别接入伺服驱动器的I/O端口，将数控系统的输出信号线分别接入伺服驱动器的O/I端口。
二、数控系统伺服驱动器参数设定伺服驱动器的参数设定包括基本参数设定和运动参数设定。
1.基本参数设定：包括电源参数设定、电机参数设定和编码器参数设定。
-电源参数设定：设置电源电压和频率等基本参数，确保电源供电稳定。
-电机参数设定：设置电机类型、额定电流、极数等参数，确保驱动器与电机匹配。
-编码器参数设定：设置编码器型号、分辨率等参数，确保编码器信号精确反馈。
2.运动参数设定：包括速度参数设定、加速度参数设定和位置参数设定。
-速度参数设定：设置速度环的比例增益、积分增益和速度限制等参数，确保速度控制精度。
-加速度参数设定：设置加速度环的比例增益、积分增益和加速度限制等参数，确保加速度控制平稳。
-位置参数设定：设置位置环的比例增益、积分增益和位置限制等参数，确保位置控制准确。
3.其他参数设定：包括滤波参数设定、限位参数设定和插补参数设定等。
-滤波参数设定：设置滤波器的截止频率和衰减系数等参数，确保驱动器与电机的振动减小。
-限位参数设定：设置限位开关的触发逻辑和触发动作等参数，确保机床在限位时及时停止。
-插补参数设定：设置插补周期、插补梯度和插补速度等参数，确保插补运动的平滑与快速。
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。
数控系统伺服驱动器接线及参数设定
数控系统伺服驱动器接线及参数设定数控系统是一种将数字信号转化为机电信号控制机床动作的系统，其中伺服驱动器是数控系统的重要组成部分。
接下来将详细介绍数控系统伺服驱动器接线及参数设定的相关内容。
一、数控系统伺服驱动器接线1.电源接线：伺服驱动器需要接入适配的电源，以提供稳定的电源电压。
通常有三种常用的电源接线方式：单相220V接线、三相380V接线、单相220V与三相380V混合接线。
-单相220V接线：适用于功率较小的伺服驱动器。
通常需要连接L、N和G三根导线，L为火线，N为零线，G为地线。
-三相380V接线：适用于功率较大的伺服驱动器。
通常需要连接主线和辅助线。
主线有三根导线：R、S、T分别为三相电的火线，辅助线为PE 线，用于连接设备的接地线。
-单相220V与三相380V混合接线：适用于一些特殊场合，需根据具体情况进行接线。
2.控制信号接线：伺服驱动器需要接收数控系统发出的控制信号，以控制机床的动作。
通常有以下几个常用的控制信号接线方式：-脉冲信号接线：通常需要连接PUL+、PUL-、DIR+和DIR-四个接口。
PUL+为脉冲信号正极，PUL-为脉冲信号负极，DIR+为方向信号正极，DIR-为方向信号负极。
-使能信号接线：通常需要连接ENA+和ENA-两个接口。
ENA+为使能信号正极，ENA-为使能信号负极，当ENA+处于高电平时，伺服驱动器处于使能状态。
-报警信号接线：通常需要连接ALM+和ALM-两个接口。
当伺服驱动器发生故障或异常情况时，会产生报警信号，通过连接报警信号接口，可以及时响应故障并采取相应的措施。
二、数控系统伺服驱动器参数设定伺服驱动器的参数设定是为了使其能够更好地适应具体的机床加工需求，提高加工精度和效率。
1.速度参数设定：包括加速时间、减速时间、最大速度等参数的设定。
通过合理设定速度参数，可以控制机床的加工速度，以满足不同工件加工的需求。
2.位置参数设定：包括回零速度、回零位置、绝对位置、相对位置等参数的设定。
数控伺服系统PPT课件( 27页)
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14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。
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15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。
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5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。
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15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。
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5、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。
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6、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。
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7、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。
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8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。
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11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。
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12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。
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13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。
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6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。
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 –
数控机床伺服系统的分类及其应用要求
数控机床伺服系统的分类及其应用要求数控机床伺服系统又称为位置随动系统,简称为伺服系统。
数控机床伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构，在许多自动化控制领域广泛应用。
数控机床伺服系统的种类繁多、技术原理各具特色，这对其应用带来很大的困扰，本文就数控机床伺服系统的分类及其应用要求做简单介绍。
一、数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统;按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统;按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。
电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。
1.进给驱动与主轴驱动进给驱动是用于数控机床工作台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转矩。
主轴驱动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。
一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。
对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。
2.开环控制和闭环控制数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制，如图5--1所示。
由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。
闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。
若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统;若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。
现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。
开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。
3.直流伺服驱动与交流伺服驱动70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。
直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。
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
数控机床的伺服系统
4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转 子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次 单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次 只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次， 即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通 电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳 定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕 组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特 性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以 图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机 的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有 一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环 和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单， 信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不 高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺 服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，
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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4．调速范围宽:
调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速 之比。0～24m / min。
5．低速大转矩:
进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要 保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提 供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。
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实际 位置 反馈
电机
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半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节 ，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性 虽不如开环系统，但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差 难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。
但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的
精度。
半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较 高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。
第 3 章 数控伺服系统
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3.1 概
述
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。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系 环节，是数控机床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系 统、伺服机构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂， 综合性强。
2.步进电机有一定的步距误差, 但没有累计 误差
3.若维持控制绕组的电流不变, 则步进电机就 可停在某一位置不动
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3.2.2 直流伺服电机
永磁式直流电机（有槽、无槽、 常用的直流电动机有： 杯型 、印刷绕组） 励磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机
直流进给伺服系统： 永磁式直流电机类型中的有槽电机械执行部件电机2018/8/5–
无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度
主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和 精度。
– –
一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维 修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高 、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经
3.1.2 伺服系统的组成
位置调解 速度调解 电流调解 转换驱动 M G 工作台 电流反馈
速度反馈 位置反馈
位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈 部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率 放大器组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度 控制包括速度和电流控制。
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3.2.3 交流伺服电机
直流伺服电机的缺点： ◆ 它的电刷和换向器易磨损； ◆ 电机最高转速的限制，应用环境的限制； ◆ 结构复杂，制造困难，成本高。 交流伺服电机的优点： ◆ 动态响应好； ◆ 输出功率大、电压和转速提高 交流伺服电机形式： ◆ 同步型交流伺服电机和 ◆ 异步型交流感应伺服电机。
1．精度高:
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括 定位精度和轮廓加工精度。
2．稳定性好:
稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节 过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工 的精度和表面粗糙度。
3．快速响应:
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟 踪精度。
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组成：伺服电机
驱动信号控制转换电路
电子电力驱动放大模块
位置调节单元 速度调节单元 电流调节单元 检测装置
一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。
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3.1.3 伺服系统的分类
1．按调节理论分类
（1）开环伺服系统
脉冲 驱动电路 步进电机 工作台
（2）闭环伺服系统
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3.3 步进式伺服系统 3.4 鉴相式伺服系统 3.5 鉴幅式伺服系统
3.6 脉冲比较式伺服系统 3.7 CNC数字伺服系统
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由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、
刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的 不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当 困难。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车
床、超精磨床以及较大型的数控机床等。
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2．按使用的执行元件分类
（1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：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。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。 （2）电气伺服系统 伺服电机（步进电机、直流电机和交流电 机） 优点：操作维护方便，可靠性高。 1）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流 伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直 流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高 。 2）交流伺服系统 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）。 优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。 动态响 应好、转速高和容量大。
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3.2 伺服元件的驱动元件
伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速 度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机（调速性能良好） 交流伺服电机（主要使用的电机） 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） 直线电机（高速、高精度）
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3.2.1 步进电机 一、步进电机的分类 按力矩产生的原理分
济型数控机床。
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– 半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱
动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角 度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置 。
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器 速度控制单元 + 速度控制 调节与驱动 机械执行部件
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实际 速度 反馈 检测与反馈单 元
枢永磁直流电机（普通型）； 励磁式直流电机类型中的他激 直流主轴伺服系统： 直流电机。
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1．直流伺服电机的结构
主磁极 机壳 瓦状永磁材料（定子） 换向极 定子 转子
电枢（转子） 极靴
线圈
图3.5永磁直流伺服电机的结构
图3.6直流主轴电机结构示意图
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2．永磁直流伺服电机的工作特性 (1) 1) 2) 3) 4) (2) 1) 2) 永磁直流伺服电机的性能特点 低转速大惯量 转矩大 起动力矩大 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 转矩-速度特性曲线（工作曲线） 负载-工作周期曲线 过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。 3) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。
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– 全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，
直接对运动部件的实际位置进行检测。
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 速度控制单元
位置控制调节 器
+
-
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
检测与反馈 单元
电机
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从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误 差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
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3．按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。 4．按反馈比较控制方式分类 （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
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进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说 C装置是数控系统的“大脑”，是发布“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。
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3.1.1对伺服系统的基本要求
（1）永磁交流同步伺服电机的发展 ① 新永磁材料的应用 钕铁硼 ② 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机 ③ 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服 电机 （2）交流主轴伺服电机的发展 ① 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。 ② 液体冷却电机 ③ 内装式主轴电机
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2.
性能参数
步距角
360 Zm Z 为转子上的齿数m ； 式中 为步距角； 为步进电动机运行的拍数。 同一台步进电动机，因通电方式不同， 运行时步距角也是不同的
步进电动机走一步所转过的角度称为步距角， 可按下面公式计算 0
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小结:
1.步进电机受脉冲电流控制，转子的角位移 正比于输入脉冲的数量转子的角速度正比于输入 脉冲的频率转子的旋转方向取决于定子绕组的通 电顺序
1.反应式步进电机
2.激磁式步进电机
按输出力矩大小分 1.伺服式步进电机 2.功率式步进电机 2.双定子式 4.多定子式步进电机
按定子数分
1.单定子式 3.三定子式步进电机
按各相绕组分布分: 1.径向分相式: 电机各相按圆周依次排列 2.轴向分相式: 电机各相按轴向依次排列
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1、工作原理：
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路 径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对 齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的 路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方 向转动一定的角度。
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若通电脉冲的次序为A、C、B、A…，则不难 推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样 ，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进 电动机的控制。 脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制 电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上 述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指 每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过 三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。