数控机床的伺服系统和常用驱动元件
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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。
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
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。
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. 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
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
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
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
△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。
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、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。
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—பைடு நூலகம்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。
(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。
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°。
4.1 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.
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。
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
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。
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. 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
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
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
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
△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。
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、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。
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—பைடு நூலகம்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。
(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。
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°。
4.1 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.