第五章 数控机床的进给伺服系统(4h-70) (PPTminimizer)

们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应
指明是在多大的脉冲当量δ下的,否则是没有意义
的。
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2. 提高步进电机开环伺服系统传动 精度的措施
▢ 概述

影响步进电机开环系统传动精度的因素：

步进电机的步距角精度；
机械传动部件的精度；
丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。 适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施。
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第三节

典型进给伺服系统(位置控制)
一、开环进给伺服系统(Open-Loop System) 不带位置测量反馈装置的系统；
驱动电机只能用步进电机；
主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造
脉冲 环形 分配 变换 功 率 放 大 步 进 电 机
脉冲频 CNC 率f和脉 插补指令 冲个数n 换算
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若按A 转。
C
B。。。进行，则转子沿顺时针方向旋
上述通电方式称为三相单三拍通电方式。
所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。 √“一拍”——从一相通电换接到另一相通电称为一拍 。 √“三拍”——每一拍转子转过一个步距角，这样“三 拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。 三相六拍通电方式 ——即按A AB B BC C CA
件补偿。
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例2 设X-Y 工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱 动，丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为150，工作 方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求： （1）脉冲当量； （2）微机发出的脉冲总数是多少？ Z2

f， 步进电机 Z1
t
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解：
（1）由计算脉冲当量：

L0

360
已知， L0=5mm， =150求脉冲当量？
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。 即，要求伺服系统有良好
t
的静态与动态刚度。
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⒋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 F
前提下，执行部件的运动
速度的建立时间 t p 应尽可
能短。
通常要求从 0→F max（F
1. 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。 2. 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
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3. 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。 4. 速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的
5/360 1.5=0.02083(mm)
(2)计算脉冲数n，由 n =L(工作台最大行程）
所以，脉冲数为： n =L/ 400/0.0208319200步
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例3 步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机 步距角0.720,工作台质量为100kg，负载质量为50kg， 切削负载为4000N，丝杆螺距为5mm，如果步进电机
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例1： = 0.01mm, t = 6 mm, α= 0.75°
Z 1 360 360 20 i 0.01 0.8 Z 2 t 0.75 6 25
Z Z
20 25
Z 1 20 Z 2 25
f，
Z2
t
步进电机
Z1
30

进给速度F：
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提高步进电机开环系统传动精度的措施


▢ 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。

▢ 螺距误差补偿
利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的 螺距累积误差，以提高进给位移精度。 方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规律)，然 后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软
如图所示，三相反应式步进电机工作原理图。
由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对磁极绕组
，分别为A相、B相、C相。 转子是硅钢片软磁材料迭
合成的带齿廓形状的铁心。
如果在定子上的 三对绕组中通直流电 流，就会产生磁场。
A相通电
B相通电
C相通电
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当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B
、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。
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二、步进电机及其驱动装置
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。
速时的平稳性显得特别重要。
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2.
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。
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⒊ 负载特性要硬 ▢ 当负载变化时，输出速
F △t
△F
度应基本不变，即△F尽
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▢步进电机
步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在 时间上与输入的脉冲同步。
因此，只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机
绕组通电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转
动方向。
在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下， 气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。
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▢
步进电机的分类
按运动方式分： 旋转运动、直线运动式步进电机
A 1
4 B 3 A 逆时针回转300 2 Baidu Nhomakorabea B A B C 4 A 逆时针回转300 1 3 B A
C
2
C
C B
B
C A
√当A相通电时，B相和C相不通电，电机铁心的AA轴 方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与A 相磁极对齐，2、4两齿与B、C两磁极相对错开300 20
√当B相通电时，C相和A相断电，电机铁心的BB轴方 向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向 旋转300，2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与C、A两
f、n
A相、B相
C相、…
A’相、B’相 C’相、…
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1. 步进电机开环系统设计

要解决的主要问题： ①动力计算 ②传动计算 ③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 和进给速度F的要求。 图中：f —脉冲频率（HZ ） α— 步距角 （度） Z1、Z2 — 传动齿轮齿数 f， t — 螺距(mm) — 脉冲当量（mm） 步进电机
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第一节 概述
一、进给伺服系统的定义及组成 1. 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。
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⒉ 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。 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 速度 反馈
电机
检测与反 馈单元
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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 调速范围：
RN Fmax Fmin
且 0.1 mm min Fmin 1 mm min
一般要求：
RN 10000
稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低
式中，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输 入的脉冲频率成正比。
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步进电机的特点：
（1）步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比，所
以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，不需要机械装制装 置。 （4）改变通电相序即可改变电机转向。 （5）步进电机存在齿间相邻误差，但不存在累积误差
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▢步进电机
步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电
磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为 脉冲马达。 步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续 转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地 转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机 就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的 角度叫做步距角。
按工作原理分：
反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；
按结构分： 单段式（径向式）、多段式（轴向式） 按使用场合分： 功率步进电机和控制步进电机； 按相数分： 三相、四相、五相、六相、八相等
按使用频率分： 高频率和低频步进电机 不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完 18 全一样。
▢ 步进电机的工作原理
max→0），其时间应小于
200ms，且不能有超调， 否则对机械部件不利，有
tp
t
害于加工质量。
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5. 能可逆运行和频繁灵活启停。
6. 系统的可靠性高，维护使用方便，成本
低。
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。
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第二节
一、概述
进给伺服驱动系统
Z2
t
Z1
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传动比选择：
为了凑脉冲当量mm，也为了增大传 递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增 加一对齿轮传动副，那么，传动比 i=Z1/Z2与α、 、t之间有如下关系：
: 360 : i t
α—步距角， －－脉冲当量， t－－丝杠导程。
Z 1 360 i Z2 t
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转子又逆时针转150，2、4齿与B相磁极对齐，如果继 续按BC C CA A。。。相序通电，步进电机就沿 着逆时针方向，以150的步距角一步一步移动。
这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时
，总有一相通电，所以工作较平稳。
实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步 距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高 。 以上所述，步进电机的步距角大小不仅与通电方式
第五章
内容提要
数控机床的进给伺服系统
进给伺服系统的软件硬件结构；
进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。
1
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。
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。
即，调节、变换、功放。
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5. 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。
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相序通电。（见下图）
B相通电 B吸2、4两齿
B吸2、4两齿 C吸1、3 BC相通电 C相通电 C吸1、3 1
4
2 3 CA相通电
AB相通电 A吸1、3两齿 B吸2、4两齿
A相通电 A吸1、3两齿
C吸1、3 A吸2、4
工作原理： 当A相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A 、B两相同时通电，因A极吸引1、3齿，B极吸引2、4 齿，转子逆时针旋转150。随着A相断电，只有B相通电
有关，还与转子的齿数有关。 m——定子励磁绕组相数
Z——转子齿数
计算公式为：
360 mzk
K——通电方式，单为1 24 ，双为2
步进电机转速计算：
n

360
o
60f =
f
6
o
式中：n——转速（r/min); f——脉冲频率，即每秒输入 步进电机的脉冲数；
——用度数表示的步距角。
F 60 f
一般步进电机： 若：δ=0.01 mm 若 δ=0.001mm
mm min
f max 8000 ~ 16000 H Z
则： Fmax 4800 ~ 9600 mm min 则： Fmax 480 ~ 960 mm min
因此，当 f max 一定时，Fmax 与δ成正比，故我
磁极相对错开300
√当C相通电时，A相和B相断电，电机铁心的CC轴方
向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向
旋转300，1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两 磁极相对错开300 若按A B C。。。通电相序连续通电，则步进电
机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步 进电机沿逆时针方向转动300，即步距角为300。