数控机床伺服系统

第6章 数控机床伺服系统进给伺服系统是数控系统主要的子系统。

如果说CNC 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。

第一节 概述. 进给伺服系统的定义及组成. 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。

一、进给伺服系统的定义及组成组成： 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)；检测与反馈单元；机械执行部件。

３、进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制和驱动装置组成。

４、驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有： 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机。

５ 、速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。

６、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)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。

简言之：调节、变换、功放。

７、进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）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。

二、NC 机床对数控进给伺服系统的要求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：一般要求： 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。

调速范围：一般要求：2.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。

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)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。

3.负载特性要硬在系统负载范围内，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，以满足低速大转矩的要求。

（高速恒功率，低速恒转矩）这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。

4. 响应速度快且无超调这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间tp 应尽可能短。

通常要求从 0→Fmax （Fmax →0），其时间应小于200ms ，且不能有超调，minmax F F R N =m in1m in 1.010000min mm F mm R N <≤>且否则对机械部件不利，有害于加工质量。

5.系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。

6. 能可逆运行和频繁灵活启停。

综上所述：❑对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；❑对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。

开环数控系统–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。

一般用于经济型数控机床。

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。

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。

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。

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。

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。

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）全数字伺服系统二、步进电机步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。

随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。

因此，这类系统目前仍有相当的市场。

目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。

步进电机——一种将电脉冲信号转换成相应角位移（或线位移）的控制电机。

对它送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度，称为一步。

控制性能好，控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步。

（一）分类按工作原理：反应式、永磁式、混合式等按输出扭矩：功率式、伺服式按运动方式：旋转式、直线式通电方式（以m=3, Z=4为例, 齿距角360︒/4=90︒, 定、转子齿间相错90︒/3=30︒）（1）三相单三拍（1相通电）:步距角30︒逆时针：A→B→C→A→…顺时针：A→C→B→A→…m相单m拍（2）三相双三拍（2相通电）：AB →BC →CA →AB →…（逆时针,步距角30︒）; m相双m拍（3）三相六拍（1-2相通电）：A→AB → B → BC →C →CA →A…逆时针,步距角15︒）m相2m拍m>3的通电方式（四相八拍、五相十拍等）、反应式步进电机的特点：——对步进电机的控制十分方便。

F高n快，通电顺序决定转向——气隙小：30~50μm——步距角小：软磁材料，靠磁阻变化产生转距。

——励磁电流较大。

要求驱动电源功率较大，而效率较低——电机的内部阻尼较小。

当相数少时，单步运行振荡时间较长。

——带惯性负载能力差，尤其是在高速时易失步——断电后无定位转矩。

（三）反应式步进电动机的主要性能指标1、步距角和步距角误差步距角:每改变一次通电状态转子所转过的角度α=360︒/mZK（K 通电方式系数，相邻两次通电相数相同，则K=1；否则K=2）数控机床: 0.18︒/0.36 ︒,0.36︒/0.72︒,0.6︒/1.2︒,0.75︒/1.5︒,1.5︒/3︒静态步距角误差Δα=实际步距角-理论步距角=±10’~30'2、最大静转矩Tjmax(n.m)：转子初始稳定平衡位置：空载时某相通电，定、转子齿对齐，转子上无转矩输出(不改变通电状态时，转子处于不动状态）；失调角θe：转子上加负载转矩后达到与T相平衡时所转过的角度；静态矩角特性曲线：转子上静态电磁转矩T与失调角θe的关系。

最大静转矩Tjmax：表示步进电机承受负载的能力额定电流I↑→Tjmax↑→负载能力↑→运行快速性和稳定性3、空载启动频率fq （步/s)步进电机在空载时由静止状态能不失步启动进入正常运行的最高频率。

fq↑→快速性↑4、启动矩频特性步进电机在带动负载转矩时启动频率与负载转矩的关系5、空载运行频率（连续运行频率）fmax步进电机空载启动后能不失步连续运行的最高频率6、运行矩频特性步进电机连续稳定运行时输运行矩频特性出电磁转矩T与连续运行频率f之间的关系（衡量电机运转时承载能力的动态性能指标）。

f↑→绕组感抗↑→电流波形变坏→电流幅值↓→T↓（四）步进电机的选择1、步距角的选择δ=Sθ/ 360º i (mm / 脉冲）δ-脉冲当量S –丝杠螺距θ-步距角（º）i-电机与丝杠间的传动比，I是大于1的数2、最大静态转距Tjmax的选择T F =(F+μW)S ×10¯³2πηi (N.m)F--运动方向的阻抗切削力 （N) μ—导轨摩擦系数W —工件及工作台重量（N) η—齿轮和丝杠的总效率I —减速比 TF ≯（0.2~0.4) T jmax(相数较多、突跳频率不高系数取大值3、启动频率f q 的选择f q ：空载启动频率（Hz) ，查电动机样本；f qF ：设计要求的负载启动频率（Hz) ，T F 未知时，取f qF =f q /2 ；T ：空载启动频率下由矩频特性决定的力矩（N.m ），查曲线；J ：电机转子转动惯量，查电动机样本（N.m.s²)；J F ：电机轴上的等效负载转动惯量（N.m.s²)；J 1、J 2、 J 3 ：齿轮Z 1、Z 2及丝杠的转动惯量（N.m.s²)；4、fmax 的选择 选择步进电机的连续运行频率fmax 应能满足机床工作台最高运行速度的要求。

v ：进给速度(m/min)。

若要求工进时（v e ，T e )，快进时（v k ，T k )，则选择步进电动机（f e ，T’e )和（f k ，T’k )，使T’e > T e ， T’k > T k 。

三、步进电动机的驱动及控制系统（驱动电源）驱动及控制系统组成：环形脉冲分配器+功率放大器对驱动电源的要求（1）电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电机的基本参数相适应；（2）能满足步进电机启动频率和运行频率的要求；（3）工作可靠，抗干扰能力强；步进电机开环系统设计要解决的主要问题：* 动力计算 * 传动计算 * 驱动电路设计或选择目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量δ和进给速度F 的要求。