第七章数控机床伺服系统

. 服系统 全硬件伺服系统
伺
全硬件伺服系统又称脉冲比较伺系统，其典型的组成
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
方式如图所示：
工作台 + D/A _ + _ F/V + . Z . A B Z PG NC 装 置 +
. 闭环
–
闭环进给伺 服系统
构成： 构成：该系统中，位置闭环的控制与调节运算主要由偏差计数 器（一般为可逆计数器）和D/A完成。
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
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。
. 系统
特点： 特点
抗干扰能力强，一般不会因峰值误差导致致命的误动作。
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
的
可用常规仪器仪表（示波器，万用表等）直接读取信息， 易于随 时把握系统工作的基本情况。
对弱信号信噪分离困难，控制精度的提高受到限制。 点 度 差。 易受到 度 器的 的 ， 困难， 控制 误差。 的能力
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
二. 闭环、半闭环进给伺 闭环、 服系统
– 闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征
第 二 节
模拟型系统：
按系统的控制信号类型分： 模拟型系统、数字型系统
典 型 进 给 伺 服 系 统
模拟 的 信号、 的 、 信号 模拟 和 特征： 特征： 类系统 模拟 控制
：f —脉冲 HZ α— 步 度 Z1、Z2 — 传动 数 t— (mm) δ — 脉冲当量 mm
源自文库δ Z2
f
α
Z1
t
步进电机
一. 开环进给伺服系统 –
传动比选择： 为了凑脉冲当量δmm，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、 δ 、t之间有如下关系：
速度 F max
步进电机开环系统 f max δ 则
. 开环进
伺服系统
2. 提高步进电机开环伺服系统传动精 度的措施 – 概述
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
传动件
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； 机械传动部件 件的 的传动 ；
提高步进电机开环系统传动精度的措施
系统 ，
本
，
难 系统
高精度 取 。
控制
.
环
环 系统
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
数字型系统：
特征：这类系统是指至少其位置环控制与调节采用数字 特征 控制 用数字 位置指 系统 是
.
特点： 特点：
、
进
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
制
可以通过增加数字信息的安长，来满足要求的控制精度。 对逻辑电以下的漂移、噪声不予晌应，零点定位精度可以得到充分 保证。 容易对其结构和参数进行修改（根据控制要求），且易于与计算机 进行数据 。
第一节 概述
1、数控机床伺服系统的概念及组成
通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。 通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。 开环系统 开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象； 开环系统 闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。 闭环系统 在开环系统 开环系统中只有前向通路，无反馈回路，CNC装置生成的插补脉冲经 开环系统 功率放大后直接控制步进电动机的转动；脉冲频率决定了步进电动机的 转速，进而控制工作台的运动速度；输出脉冲的数量控制工作台的位移， 在步进电动机轴上或工作台上无速度或位置反馈信号。 在闭环伺服系统 闭环伺服系统中，以检测元件为核心组成反馈回路，检测执行机构的 闭环伺服系统 速度和位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和位移， 进而来控制执行机构的速度和位移。
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
α : δ = 360 : i t
：δ
i =
Z Z
1 2
=
360 δ αt
Z 360 360 20 i = 1 = = × 0 . 01 = 0 . 8 = Z2 αt 0 . 75 × 6 25
Z 1 = 20 Z 2 = 25
一. 开环进给伺服系统
获得满意的控制 系统
：这
D/A， 位置调节 。 给 伺服
响定位
。
.
半 服系统
半软件型伺服系统
伺
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
第二节 位置控制
2、数控机床对进给伺服系统的要求
. 开环进给
系统
1. 步进电机开环系统设计
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
– 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 传动计算、 传动计算
目的： 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。
双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。 速度环由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等部分组成，利用测速 速度环 发电机、脉冲编码器等速度传感元件，作为速度反馈的测量装置。 位置环是由CNC装置中位置控制、速度控制、位置检测与反馈控制等环节 位置环 组成，用以完成对数控机床运动坐标轴的控制。数控机床运动坐标轴的控制 不仅要完成单个轴的速度位置控制，而且在多轴联动时，要求各移动轴具有 良好的动态配合精度，这样才能保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。
噪声
于逻辑电 ，对数据的 位和 位的 的， 可 命的 。 要求 的 。以保证 、下
数据的数字电 足 的 度。
、
数据
，
数字
计
的
。
.
半
伺服系统
2. 数字伺服系统的类 型
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
全硬件型系统 数字模拟混合型 半软件型系统 全软件型系统 数字型系统
全数字型系统
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。
第一节 概述
伺服系统的分类( 伺服系统的分类 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 位置检测
指令
位置控制
速度控制
伺服电机
速度检测
第一节 概述
（3）半闭环伺服系统
工作台 指令 位置控制 速度控制 伺服电机 脉冲编码器
第一节 概述
Fig7.1.1 数控机床闭环伺服系统
– 进给速度F：
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
F = 60 f δ
一般步进电机： 若：δ=0.01 mm 若 δ=0.001mm
mm min
H
Z
f max ≤ 8000 ~ 16000 则：
则： 一
F max ≤ 4800 ~ 9600 mm min
F max ≤ δ480 ~ 960 mm min
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 –
第一节 概述
2、数控机床对进给伺服系统的要求 (6) 高性能电动机 伺服电动机是伺服系统的重要组成部 分，为使伺服系统具有良好的性能，伺服电动机也应具 有高精度、快响应、宽调速和大转矩的性能。具体是： 电动机从最低速到最高速的调速范围内能够平滑运转， 转矩波动要小，尤其是在低速时要无爬行现象； 电动机应具有大的、长时间的过载能力，一般要求数分 钟内过载4~6倍而不烧毁； 为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电 动机应能在较短的时间内达到规定的速度； 电动机应能承受频繁启动、制动和反转的要求。
第一节 概述
2、数控机床对进给伺服系统的要求
（1）可逆运行 加工过程中中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随 可逆运行 时可能要求正向或反向运动，同时要求在方向变化是，不应有反向间 隙和运动的损失。从能量的角度看，应实现能量的可逆转换，即在加 工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械能；在制动时应把电动机 的机械惯性能量转为电能回馈电网，以实现快速制动。 （2）高精度 伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确程度。 高精度 由于数控机床执行机构的运动是由伺服电动机直接驱动的，为了保证 移动部件的定位精度和零件轮廓的加工精度，要求伺服系统应具有足 够高的定位精度和联动坐标的协调一致精度。一般的数控机床要求的 定位精度为0.01~0.001mm，高档设备的定位精度要求达到0.1m以上。 在速度控制中，要求高的调速精度和比较强的抗负载扰动能力。即伺 服系统应具有比较好的动、静态精度。
第七章 数控机床伺服系统
1 概述 2 位置控制 3 伺服系统性能及参数 4 全数字式伺服系统
第一节 概述
1、数控机床伺服系统的概念及组成
形象描述：如果说CNC装置是数控机床的“大脑”，发布“命令”的指挥机构 形象描述 那么，伺服系统就是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它忠实而准确 地执行由CNC装置发来的运动命令。 数控机床伺服系统—— 数控机床伺服系统 以数控机床移动部件（如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控制对象 的自动控制系统，也称为随动系统 拖动系统 伺服机构 随动系统、拖动系统 伺服机构。它接受CNC装置 随动系统 拖动系统或伺服机构 输出的插补指令，并将其转换为移动部件的机械运动（主要是转动和平动）。 伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床本体的联系环节， 其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。
第一节 概述
2、数控机床对进给伺服系统的要求 （3）良好的稳定性 稳定性是指系统在给定输入作用下，经过 良好的稳定性 短时间的调节后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经 过短时间的调节后重新恢复到原有平衡状态的能力。稳定性直 接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保证切削加工的稳 定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保 证进给速度的均匀、平稳。 （4）动态响应速度快 动态响应速度是伺服系统动态品质的重 动态响应速度快 要指标，它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间 一般在20ms以下，在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令 信号，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加 减速控制，并且要求很小的超调量。
第一节 概述
2、数控机床对进给伺服系统的要求 机床的加工特点是低速时进行重切削，因此要求伺服系 统应具有低速时输出大转矩的特性，以适应低速重切削 的加工实际要求，同时具有较宽的调速范围以简化机械 传动链，进而增加系统刚度，提高转动精度。 一般情况下，进给系统的伺服控制属于恒转矩控制，而 主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，高速时为 恒功率控制。 车床的主轴伺服系统一般是速度控制系统，除了一般要 求之外，还要求主轴和伺服驱动可以实现同步控制，以 实现螺纹切削的加工要求。有的车床要求主轴具有恒线 速功能。