第6章 数控机床的伺服系统

第6章 数控机床的伺服系统
（2）最高起动频率和最高工作频率 空载时，步进电机由静止突然起动，并不失步
地进入稳速运行，所允许的起动频率最高值称为最 高起动频率。
步进电机连续运行时，它所能接受的，既保证 不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。
（3）输出的转矩-频率特性
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三、步进电机的驱动控制电路
电气伺服系统
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电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，操作维护 方便，可靠性高。电器伺服系统中的驱动元件主要有步进电 机、直流伺服电机和交流伺服电机。
电气伺服系统又分为直流伺服系统和交流伺服系统。
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。 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。
步进电机驱动控制线路的功能
将具有一定频率f、一定数量和一定方向的进给脉冲
转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电 平信号的变化频率、变化次数和通断电顺序要与进给指令 脉冲的频率、数量和方向对应。
反应式步进电动机也称磁阻式步进电动机，是目 前最常用的步进电机。
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1.反应式步进电机的结构
径向三相反应进步电动机结构原理
U V W U
2.步进电机的工作原理
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U V W U
单三拍工作方式 ：定子按上述顺序通电，转子就一步步按逆时针 方向转动，每步转30º。改变通电顺序，步进电机就按顺时针方向 转动，同样每步转30º。
进给驱动系统
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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。主要考虑其力矩大小、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。
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。主要考虑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。
在现代CNC机床中得到了广泛应用。
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电液伺服系统
电液伺服系统的执行元件为液压元件，其 前一级为电器元件。驱动元件主要有电液脉冲 马达和电液伺服马达。数控机床发展初期，多 采用这种伺服系统，但由于供油系统体积庞大， 还有噪声、漏油等问题，从20世纪70年代逐步 为电气伺服系统所代替。
6.2 开环伺服系统
一、工作原理
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工作台移动的位移量由指令脉冲的个数决定， 移动的速度由指令脉冲的频率决定， 移动的方向由指令脉冲的方向决定。
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二、步进电机
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉 冲信号转换成相应的机械角位移的电磁机械装置。
用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类： 反应式步进电动机 混合式步进电动机
1.开环伺服系统
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开环伺服系统的特点： 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 无位置反馈，精度较低。 结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉；
一般用于经济型数控机床。
2.闭环伺服系统
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闭环伺服系统的特点：
有反馈控制系统,位置采样点从工作台引出，可直接对最终 运动部件的实际位置进行检测；
U UV V VW W WU U
三相六拍工作方式：定子按上述顺序通电，转子就一步步按逆时针方向 转动，每步转15º。改变通电顺序，步进电机就按顺时针方向转动，同 样每步转15º。
3.步进电机的使用特性 （1）步距角及步距误差
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每输入一个脉冲信号，转子所转过的角度就是步距角，
该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂， 综合性强。
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一、伺服系统的组成
伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为 控制对象的自动控制系统，又称拖动系统或位置随动 系统。
伺服系统接收数控装置发出的指令脉冲，并将指 令脉冲转换为机械位移，控制机床运动部件的运动。
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二、对伺服系统的要求
精度高 稳定性好 快速响应 调速范围宽 低速大转矩
三、伺服系统的分类
第6章 数控机床的伺服系统
数控机床伺服系统按调节原理分为—— 开环伺服系统、全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
按用途和功能分为—— 进给驱动系统和主轴驱动系统
即
3600
mkz
式中 m ——定子激磁绕组相数； z ——转子齿数； k——状态系数（单拍时k =1，双拍时k =2）。
步进电机每走一步的步距角应是圆周360º的等分值。但是实 际的步距角与理论值有误差。在一转内各步距误差的最大值定为 步距误差。它的大小受制造精度、齿槽分布的不均匀和气隙不均 匀等因素影响。
具有很高的位置控制精度。 系统不稳定，设计、安装和调试都相当困难，价格昂贵。
主要用于精度要求很高的的数控机床。
3.半闭环伺服系统
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半闭环伺服系统的特点：
位置采样点是从伺服电机或丝杠的端部引出，对旋转角度进 行检测，不是直接检测最终运动部件的实际位置。
系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 精度较闭环差，较开环好。 结构简单、调试方便、精度也较高。
第6章 数控机床的伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
6.1 概述 6.2 开环伺服系统 6.3 闭环伺服系统
6.1 概述
第6章 数控机床的伺服系统
伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数 控机床的重要组成部分。
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。