数控机床的伺服系统和常用驱动元件
数控机床考试试题（附答案）
数控机床考试试题（附答案）数控机床技术测试试卷A卷<附答案）⼀、填空题<每空1分，共30分）1、数控机床按伺服系统的控制⽅式可分为、、。
2、较常见的CNC软件结构形式有软件结构和软件结构。
3、数控技术中常⽤的插补算法可归纳为插补法和插补法，前者⽤于数控系统，后者⽤于数控系统。
4、数控机床上导轨型式主要有滑动导轨、导轨和导轨。
5、数控铣削加⼯需要增加⼀个回转坐标或准确分度时，可以使⽤配备或使⽤。
6、电⽕花加⼯⼀次放电后，在⼯件和电极表⾯各形成⼀个⼩凹坑，其过程可分为电离、、热膨胀、和消电离等⼏个连续阶段。
7、影响材料放电腐蚀的主要因素是、、。
8、影响电⽕花加⼯精度的主要因素是、、。
9、电⽕花成形加⼯极性的选择主要靠经验和实验确定，当采⽤短脉冲时，⼀般应选⽤极性加⼯。
10、数控车床X轴⽅向上的脉冲当量为Z⽅向上的脉冲当量的。
11、数控机床的⽇常维护与保养主要包括、、等三个⽅⾯内容。
12、3B格式的数控系统没有功能，确定切割路线时，必须先根据⼯件轮廓划出电极丝中⼼线轨迹，再按编程。
13、旋转变压器和感应同步器根据励磁绕组供电⽅式的不同，可分为⼯作⽅式和⼯作⽅式。
⼆、判断题<每题1分，共10分，正确打√错误打×）1、更换电池⼀定要在数控系统通电的情况下进⾏。
否则存储器中的数据就会丢失，造成数控系统的瘫痪。
<）2、数控机床⼏何精度的检测验收必须在机床精调后⼀次完成，不允许调整⼀项检测⼀项。
<）3、数控铣削螺纹加⼯，要求数控系统必须具有螺旋线插补功能。
<）4、电⽕花成形加⼯在粗加⼯时⼀般选择煤油加机油作为⼯作液。
<）5、当脉冲放电能量相同时，热导率愈⼩的⾦属，电蚀量会降低。
<）6、开环数控机床，进给速度受到很⼤限制，其主要原因是步进电机的转速慢。
<）7、当数控机床具有⼑具半径补偿功能时，其程序编制与⼑具半径补偿值⽆关。
<）8、只有加⼯中⼼机床能实现⾃动换⼑，其它数控机床都不具备这⼀功能。
(完整word版)数控机床技术考试试卷(附答案)
三、单项选择题：1。
CNC 系统软件必须完成管理和控制两大任务，下面任务中哪个不属于控制任务?（)A 、诊断B 、插补C 、位控D 、译码 2。
下列正确表示机床坐标系的是（）A 、XB 、XC 、ZD 、Y3。
脉冲当量的大小决定了加工精度，下面哪种脉冲当量对应的加工精度最高？（）A 、1um/脉冲B 、5um/脉冲C 、10um/脉冲D 、0。
01mm/脉冲 4.设编程原点在工件的上表面，执行下列程序后，钻孔深度是(). G90 G01 G43Z-50H01 F100（H01补偿值—2。
00mm ）A ．48mm;B 。
52mm ；C.50mm 。
5。
一直线的起点坐标在坐标原点，终点坐标为A （x a 、y a )，刀具的坐标为P （x 、y ）。
用逐点比较法对该直线进行插补时的偏差函数是（）。
A.F ＝x ·y －x a ·y a ;B 。
F ＝x a ·y －y a ·x ;C 。
F ＝x a ·x －y a ·y ；D 。
F ＝x a +y a －x －y 6。
加工中心与其他数控机床的主要区别是()。
A 。
有刀库和自动换刀装置;B 。
机床转速高；C 。
机床刚性好；D 。
进刀速度高 7.数控机床的数控装置包括（）.A.光电读带机和输入程序载体;B 。
步进电机和伺服系统C.输入、信息处理和输出单元；D 。
位移、速度传感器和反馈系统 8。
G00的指令移动速度值是（)。
A ．机床参数指定;B 数控程序指定；C 操作面板指定。
9．编程坐标系一般指的是（)A ．机床坐标系；B.工件坐标系;10．下面哪项任务不是数据预处理(预计算）要完成的工作？（）A 、位置控制B 、刀具半径补偿计算C 、刀具长度补偿计算D 、象限及进给方向判断 11.A 步进电机的转速是否通过改变电机的（)而实现。
A.脉冲频率B 。
脉冲速度C 。
通电顺序。
12.程序编制中首件试切的作用是(）。
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。
数控技术复习题
一、填空题（每空1.5分，共18分）1. 数控机床是用数字化代码来控制刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。
2. CPU是CNC装置的核心，它由运算器和控制器两个部分组成，cpu 是对数据进行算术和逻辑运算的部件，cnc 是统一指挥和控制数控系统各部件的中央机构。
3. 所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化的过程。
4．闭环伺服驱动系统一般由驱动控制单元、执行单元、机床、检测反馈单元、比较控制环节等五个部分组成。
5．CNC系统软件必须完成管理和控制两大任务。
6.数控机床坐标系的确定：X、Y、Z的正向是工件尺寸增加的方向，通常平行于主轴的轴线为Z坐标，而x 坐标方向是水平的，并且平行于工件装卡面，而Y向坐标是按照右手直角笛卡尔坐标系来确定的。
7.光栅是利用光学原理进行工作的位置反馈检测元件。
若光栅栅距d = 0.01mm，光栅指示光栅与标尺光栅夹角θ= 0.01rad，则可得莫尔条纹宽度W = 1 mm。
8.光栅读数头主要由光源、透镜、标尺光栅、光敏元件和驱动电路组成。
9.步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统，在此系统中执行元件是伺服电动机。
10.数控加工中的最基本问题就是根据所输入的零件加工程序中有关几何形状和轮廓尺寸的原始数据及其指令，通过相应的插补运算。
按一定的关系向各个坐标轴的驱动控制器分配进给脉冲，从而使得伺服电动机驱动工作台相对主轴的运动轨迹, 以一定的精度要求逼近于所加工的零件的外形轮廓尺寸。
11. 数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称为拖动系统。
12按加工批量和零件的复杂程度，试在下图区域内标出通用机床、专用机床和数控机床的适用位置。
二、单项选择题（每小题1.5分，共12分）1. 将数控系统分为开环式数控系统和闭环式数控系统是按照下面哪种分类方法进行分类的？（c ）A、工艺用途B、工艺路线C、有无检测装置D、是否计算机控制2.下述能对控制介质上的程序进行译码的装置是（a ）。
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。
第五章 数控机床的伺服驱动系统
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
D/A 转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
图 5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
工作台
光栅或光 电编码器
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
数控机床的伺服驱动系统
（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺
服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。
（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚 未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2
－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台 正向进给。
CP A9 ≥1
CP
RC
+Vcc B
A A10 RD Q +Vcc
A3
DS
A4
Q CP
≥1
A7
DS
CPQ
A8 ≥1
RC
+Vcc BQ
A A11 RD +Vcc
D Q7 A12
伺服驱动系统-常用伺服执行元件
PC104
USB接口 CAN卡
104总线
CANopen
机械臂复位
绝对编码器 绝对编码器 绝对编码器
接近开关
接近开关
扭矩传感器
传感器信号 转接板
GPIO
8051单片机
CAN通信 USB接口 串口通信 以太网接口 LCD液晶显示
机械臂电机驱 动器1
机械臂+送管机构
肩关节电机
光电编码器
机械臂电机驱 动器5
第五章 伺服驱动系统
5.2 常用伺服执行元件
5.2.1 执行元件的种类及特点
执行元件的特点以及优缺点
种类
特点
可用商业电源；
电 信号与动力传送方 气 向相同；有交流直 式 流之分；注意使用
电压和功率。
优点
缺点
操作简便；编程容易； 瞬时输出功率大； 能实现定位伺服控制； 过载差；一旦卡死， 响应快、易与计算机 会引起烧毁事故； （CPU）连接；体积小、受外界噪音影响大。 动力大、无污染。
压 操作人员技术熟练。 位伺服控制；易与计 求严格；易产生泄
式
算机（CPU）连接。 露而污染环境。
5.2.2 对伺服执行元件的基本要求
（1） 体积小、重量轻、输出功率大
功率密度——执行装置单位重量所能达到的输出功率
PG P / G(W / N )
反映了电动机单位重量的输出功率，在电动机起停频率 低，但要求运行平稳和扭矩脉动小的场合可采用这一指标 。
步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机
5.2.3 电机概述
电动机是电能转换为机械能的基本装置，在各行各业广泛 应用。
• 直流电机 • 交流电机 步进电机
直流电动机
交流电动机
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。
(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，1）直流伺服系统其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。
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）。
优点是结构简单、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.按控制原理分（1）开环伺服系统系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
开环伺服系统的特点：1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。
步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。
数控技术答案
数控机床：采用数字化信号对机床运动及加工过程进行控制的机床。
数控编程：从分析零件图纸到制成数控机床所需控制介质的过程。
滚珠丝杠副：在螺母和丝杠之间用滚珠作为滚动体的螺旋传动元件。
机床抗振性：机床在工作时抵抗由交变载荷及冲击载荷所引起的振动的能力。
填空题（每题2分）1、数控机床是由控制介质、数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置、反馈装置、适应控制装置和机床等部分组成。
2、数控机床加工过程的加工路线是指刀具中心的运动轨迹和方向。
3、三相步进电机的转子上有40个齿，若采用三相六拍通电方式，则步进电机的步距角为1.50。
4、数控机床的最小设定单位是数控机床能实现的最小位移量，标制着数控机床精度的分辨率，其值一般为0.0001～0.01mm，在编程时，所有的编程单位都应转换成与最小设定单位相应的数据。
5、通常把数控车床的床身导轨倾斜布置，可改善其排屑条件和受力状态。
提高机床的静刚度。
6、数控机床的工作台和刀架等部件的移动，是由交流或直流伺服电机驱动，经过滚珠丝杠传动，可减少进给系统所需要的驱动扭矩，提高定位精度、运动平稳性。
7、对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就回转一个固定的角度，叫做步距角，电机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的频率。
8、位置检测装置是数控机床的重要组成部分，在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，如有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差方向运动，直至偏差等于零为止。
9．刀具半径补偿功能的作用就是要求数控系统根据工件轮廓程序和刀具中心偏移量，自动计算出刀具中心轨迹。
10．伺服系统的输入是插补器发出的指令脉冲，输出是直线或转角位移。
11．数控机床工作台和刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电机驱动，经过滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。
12．光栅依不同制造方法有透射光栅和反射光栅两种。
数控机床的伺服驱动系统
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
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
数控技术复习题(含答案版)
1)速度增益:速度环中进行速度调节的参数，其等于速度比上速度误差。
2)预紧:在配置轴承时，通过一定的调整方法使轴承获得一定的内部载荷，以负游隙状态使用，这种使用方法称为预紧。
3)伺服系统:伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
4)自动换刀装置:能自动更换加工中所用工具的装置5)FMS:柔性制造系统简称FMS(Flexible Manufacture System)，是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。
6)CAPP:指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。
7)中断型结构:除了初始化程序之外，整个系统软件的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。
8)相对坐标编程:刀具运动的位置坐标是指刀具从当前位置到下一个位置的增量，在程序中用G91指定。
9)刀位点:指刀具的定位基准点10)自动编程:相对与手动编程而言的。
它是利用计算机专用软件来编制数控加工程序。
11)手动编程:指编制零件加工的各个步骤均由人工完成，称为“手工程序编制”12)宏程序：由用户编写的专用程序，它类似于子程序，可用规定的指令作为代号，以便调用。
13)LSI:大规模集成电路14)点位控制系统：指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统15)CIMS：计算机集成制造系统16)17)18)19)20)21)22)23)CNC：CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。
24)闭环控制系统：由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。
25)机床原点：指机床坐标系的原点,是机床上的一个固定点.它不仅是在机床上建立工件坐标系的基准点,而且还是机床调试和加工时的基准点.26)步进电机矩频特性：当电机带有一定的负载运行时，运行频率与负载转矩大小有关，两者的关系称为运行矩频特性27)刀具半径补偿：根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。
伺服系统的分类和基本组成形式
伺服系统的分类和基本组成形式伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。
以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。
数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
伺服系统的分类伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统。
按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环3种类型。
1、开环系统开环系统，它主要由驱动电路，执行元件和机床3大部分组成。
常用的执行元件是步进电机，平日称以步进电机作为履行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，假如是大功率驱动时，用步进电机作为履行元件。
驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。
2、闭环系统闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。
在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。
常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。
通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统;把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。
由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。
比较环节的作用是将指令信号和反馈信号举行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随偏差，经驱动电路，控制履行元件带动工作台继续挪动，直到跟随偏差为零。
第三章 CNC的伺服驱动系统
CNC 插补指令
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
A相、B相 功率 放大
C相、…
机械执行部件
电机 2020/6/14
3.1.2 伺服系统的分类
开环数控系统 – 抗扰能力差！ – 无位置反馈，精度差，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。 – 结构简单、调试方便、维修简单、价格低廉，
AC~ 50Hz
中间直流环节
变压变频
整流
DC
逆变
AC
交-直-交（间接）变压变频器
2020/6/14
3.2.2 交流伺服电机驱动系统
◆ PWM交—直—交变压变频器 由二极管组成不控整流器和由全控型功率开关器件组 成的脉宽调制（PWM）逆变器。
交-直-交PWM变压变频器主回路结构图 （三相全桥式）
3.2.2 交流伺服电机驱动系统
直流环节滤波器参数的影响。 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较
高，且不受逆变输出电压大小的影响。
3.2.2 交流伺服电机驱动系统
PWM交—直—交变压变频器的缺点
由于二极管整流装置的单向导电特性，当电动 机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网 ，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。
3.2.2 交流伺服电机驱动系统
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伺服系统总结
伺服系统总结伺服系统是一种能够控制位置、速度和力矩的自动控制系统。
它由电机和驱动器组成，通过传感器和控制器来实现精准的运动控制。
本文将对伺服系统的电机和驱动器进行详细的介绍和总结。
首先，我们来看一下伺服系统中的电机。
电机是伺服系统的核心部件，它负责将电能转换为机械能，并通过转子的旋转来驱动负载。
伺服系统常用的电机类型包括直流电机、交流电机和步进电机。
直流电机是伺服系统常用的一种电机类型，它具有结构简单、响应速度快、控制精度高等优点。
直流电机的转速和扭矩可以通过调节电源电压和极性来控制，其转速和位置可以通过编码器等传感器进行反馈控制。
交流电机是另一种常用的电机类型，它具有结构紧凑、维护方便等特点。
交流电机的转速和扭矩可以通过调节电源频率和电压来控制。
在伺服系统中，交流电机常常使用伺服电调器来实现精准的电流控制和位置控制。
步进电机是一种相对简单、易于控制的电机类型，它可以通过控制脉冲信号来实现精准的旋转角度控制。
步进电机适用于低速和高扭矩的应用场景，例如打印机、数控机床等。
接下来，我们将介绍伺服系统的驱动器。
驱动器是负责控制电机的运动和力矩输出的关键设备。
它根据来自控制器的命令，将电机的运动需求转化为相应的电流、电压和功率输出。
伺服系统常用的驱动器类型包括电流型驱动器、速度环控制器和位置环控制器。
电流型驱动器通过控制电流来控制电机的扭矩输出，能够实现较高的力矩响应和动态性能。
速度环控制器通过控制电机的转速来实现速度控制，可以实现较高的运动精度和平稳性。
位置环控制器通过控制电机的位置来实现位置控制，可以实现更高的控制精度和稳定性。
此外，现代伺服系统还广泛应用了数字信号处理器（DSP）和嵌入式系统技术。
DSP可以实现对控制算法的优化和实时运算，提高系统的运动控制性能。
嵌入式系统技术使得伺服系统具有更高的集成度和灵活性，可以实现复杂的运动轨迹规划和多轴协同控制。
总结起来，伺服系统是一种能够实现精确控制的自动控制系统，它由电机和驱动器组成。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2. 响应快且无超调
F
tp
t tp 应尽可能短
3. 调速范围要宽且要有良好的稳定性 调速范围： R NF maF xmin 一般要求：
R N 10且 00 . 1 0 m m 0 m F m i 1 n m in m m
稳定性：指输出速度的波动要少。
4. 负载特性硬
F
在系统负载范围内，当
负载变化时，输出速度的变化
图4-5 三相反应式步进电动机结构示意图 1—定子 2—绕组 3—转子
(1) 三相单三拍工作三方相激式磁绕—组—依次单独通电运行
为简化分析，假设步进电动机转子上只有4个齿
通电顺序A→B→C→A 转子逆时针旋转
通电顺序A→C→B→A 转子顺时针旋转
一拍——从一相通电换接到另 一相通电
缺点：易在切换瞬间失去自锁转矩， 产生失步，或在平衡位置产生振荡。
△F尽可能小，且△t尽可能短
△t △F
t
四、 进给伺服系统的类型
1. 开环数控系统
❖ 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系 统），故系统稳定性好。
CNC 插补指令
A相、B
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
相
功率
放大
C相、…
机械执行部件
电机
2. 全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接对 运动部件的实际位置进行检测。
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 • 三相双三拍 • 三相单双六拍
(2) 三相双三拍工作方式
在实际工作过程中多采用双三拍工作方式，即定子 绕组的通电顺序为AB-BC-CA-AB…或AC-CB-BA-AC…， 此时有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍 然旋转30°。
由于在步进电机工作过程中始终保持有一相定子绕 组通电，所以工作比较平稳。
(3)三相单双六拍工作方式
3．步进电动机的特点
（1）转子的角位移和转速严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变 通电顺序可改变步进电动机的转向。
（2）维持控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置上不动，即不需要机 械制动。
（3）有一定的步距精度，没有累积误差。
（4）缺点是效率低，拖动负载的能力不大，最高输入脉冲频率一般不超过 18kHz。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单 元
机械执行部件 电机
3. 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。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
ห้องสมุดไป่ตู้
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单 元
机械执行部件 电机
4.2 数控机床的驱动电动机
电机是伺服系统的动力部件，提供运动所需 的动力。在数控机床上常用的电机有：
图4-4 数控机床驱动电动机的常用种类
一、步进电动机
如果按A-AB-B-BC-C-CA-A…(逆时针转动)或A-AC-C-CB-B-BA-A…(顺 时针转动)的顺序通电，称三相单双六拍工作方式。
每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。 由于电动机运转中始终有一相定子绕组通电，运转也比较平稳。
实际应用的步进电动机转子上的齿数很多，因为齿数越多步距角越小， 控制精度越高。通常的步距角是3°、1.5°或0.75°。
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。
为此，在定子磁极上也制成同样大小的小齿。 但各极的齿依次与转子 的齿错开齿距的1／3(三相三拍)或1/6(三相六拍)。
假定三相步进电机转子上有40个小齿
（a）电动机的步距角结构
（b）展开后的齿距
图4-8 三相反应式步进电动机的步距角结构及展开后的齿距
每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1／3 (三相三拍)或1／6 (三相六 拍)即达到新的平衡位置。
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。
步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、 维修方便。用于小容量、低速、精度要求不高的场合，如经 济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应 机械角位移的机电执行元件。
当输入一个电脉冲时，电动机的转轴就转过一个相应的角度，该角度称 为步距角。
4.1 数控机床的伺服系统
一. 伺服系统的定义、组成 1 . 定义：
伺服系统(Servo System)——以机床运动部件的 位置和速度作为控制量的自动控制系统。
进给伺服系统——以机械位移为直接控制目标,保证加工轮廓. 主轴伺服系统——以速度控制为主，提供切削转矩和功率.
当有螺纹加工、准停和恒线速加工时主轴有位置控制要求.
3、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。
CNC 插补 指令
位置控制单元
+
位置控制调
-
节器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单元
机械执行部件 电机
三、NC机床对数控进给伺服系统的要求
1. 输出位置精度要高