第6章 数控机床的伺服系统
数控复习
数控复习第一章绪论数控机床的组成：1、输入输出设备2、数控装置3、伺服系统4、测量反馈装置5、机床本体数控机床按伺服系统的控制原理分为：开环控制的数控机床、闭环控制的数控机床（按传感器安装位置的不同分为全闭环和半闭环）开环、闭环共同点：1、采用直流/ 交流伺服电机驱动。
2 、采用数字增量插补法（时间分割、角度分割）。
3 、通常不用降速。
两个重要参数：步距角（两个相邻脉冲时间内转子转过的角度）、脉冲当量。
插补器：有无插补器是点位控制器与连续控制的根本区别。
数控机床特点：1、加工零件的适应性强，灵活性好。
2 、加工精度高，产品质量稳定。
3 、生产效率高。
4 、减少工人劳动强度。
5 、生产管理水平高。
数控机床的适用范围：产品品种的变换频繁、批量小、加工方法的区别大。
第四章计算机数控装置CNC装置的功能：1、基本功能（输入、插补、位控）2、选择功能3、特殊功能。
单微处理结构的CN（装置：（1）微处理器由控制器和运算器组成，是微处理机的核心，它完成控制和运算两方面的内容。
（2）总线是将微处理器、存储器和输入/ 输出接口等相对独立的装置或功能部件联系起来，并传送信息的公共通道。
它包括数据总线、地址总线和控制总线。
数控装置与机床及机床电器设备之间的接口分为三种类型：第一类、与驱动控制器和测量装置之间的连接电路。
第二类、电源及保护电路。
第三类、开/ 关信号和代码连接电路。
接口电路的主要任务是：1）进行电平切换和功率放大。
2）防止噪声引起误动作。
3）模拟量和数字量之间的转换。
机床控制的I/O部件1）特点：a、可靠性高抗干扰的能力强。
b 、进行信息转换功率放大。
2）光电隔离电路作用：a隔离信号防干扰、b电平转化。
多微处理机CNC装置的基本功能模块：1）CNCt理模块2 ）CNC插补模块3 ）位置控制模块4 ）PLC模块5）操作与控制数据输入输出和显示模块 6 ）存储器模块并行处理方法：资源共享、资源重复和时间重叠。
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。
数控技术及应用第6章 数控机床的电气驱动-步进电动机
工作方式
步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、 双六拍；三相双三拍等 双六拍；三相双三拍等。“单”是指每次只有一相 绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。
一、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型 三相绕组联接方式： （2）三相绕组中的通电顺序为： 三相绕组中的通电顺序为： A相 → B相 → C相 通电顺序也可以为： 通电顺序也可以为： A 相 → C 相→ B 相
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。 相通电使转子1 对齐。
A
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
B相通电，转子2、4齿 相通电，转子 、 齿 相通电 相轴线对齐， 和B相轴线对齐，相对 相轴线对齐 A相通电位置转 °； 相通电位置转30° 相通电位置转
C相通电再转 ° 相通电再转30° 相通电再转
（3）工作过程 ） A 相通电，A 方向的磁 相通电，
A
B' 4 1 2 3 A'
通经转子形成闭合回路。 通经转子形成闭合回路。
C' B
若转子和磁场轴线方向 原有一定角度， 原有一定角度，则在磁 场的作用下，转子 场的作用下，
C
被磁化，吸引转子， 被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁 阻最小的路径闭合， 阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 定子的齿对齐停止转动。 定子的齿对齐停止转动。
2、步进电动机
工作原理： 工作原理 ： 步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲 脉冲 线位移或角位移的电动机。每来一个 信号转换成线位移或角位移 线位移或角位移 信号 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小 段距离。 特点： 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，改变转动方向。 (4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。
数控机床的种类及其特点
金属切削机床：对金属材料的坯料或工件，用切削、特种加工等方法进行加工，使之获得要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。
1952年，试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。
它是由大型立式仿型铣床改装而成的三坐标数控铣床，其数控装置采用电子管元件，体积庞大，可作直线插补。
1957年投入使用。
1959年，美国克耐·杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功开发了加工中心（Machining Center－MC）。
数控机床主要由以下七个基本部分组成：介质：数控机床加工零件所需的控制信息和数据的载体（1）控制，即用来存放加工程序的载体，也称程序载体；早期用穿孔带、穿孔卡、磁带或磁盘制成。
（2）输入装置：将程序载体上的控制代码转换成电平信号，送数控装置的内部存储器。
如光电阅读机、磁带机、软驱、MDI、计算机输入（3）数控装置：NC机床的核心部件，它将输入的电信号译码和寄存，进行数据的运算和处理，实现刀具运动轨迹的插补运算，输出机床动作的控制指令。
主要包括运算器、控制器、存储器等，早期由逻辑元件的固定硬接线电路组成。
（4）强电控制装置：接受NC内部PLC输出的M、S、T信号，经功率放大驱动执行部件。
是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的辅助控制系统。
（5）伺服系统：接受数控装置输出的进给指令脉冲，经转换和功率放大，带动机床的移动部件或执行部件产生指令规定的运动，是一个位置控制系统，要求准确的控制机床刀具或工作台的位置。
由伺服驱动装置（位置和速度控制单元）、伺服电机和检测反馈装置组成。
它是整个数控系统的执行部分。
（6）检测反馈装置：测量运动部件的实际位移和速度，并转换成数字反馈信号后送回NC装置，从而构成机床伺服控制的闭合路径。
通常安装在机床的工作台或丝杠上。
（7）机床：主轴、床身、立柱、导轨、滚珠丝杠、工作台、刀架（库）等机床的机械构件。
1.2.1 按工艺用途分类1、普通数控机床 NC：包括：切削类.成型类.特种加工类.测量绘图类等2、数控加工中心机床 Machining Center－MC：结构：普通NC机床＋刀库和自动换刀装置（ATC）特点：一次装夹后能完成多个工序，又称多工序数控机床3、多坐标数控机床：结构特点：可以进行多坐标轴的联动控制，常用4～6轴,多则可达24轴4、计算机群控： Direct Numerical Control －DNC即直接数控1.2.2 按运动方式分类1．点位控制数控机床点位控制NC机床能控制工件相对于刀具运动，从一个位置精确地移动到另一个位置，在移动过程中不进行任何切削加工。
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。
数控机床的伺服系统的组成和各伺服电机技术的特点
数控机床的伺服系统的组成和各伺服电机技术的特点
数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。
伺服系统的组成是由：比较环节——驱动电路——执行元件——传动装置——移动部件；速度反馈，位置反馈环节。
进给伺服电机技术特点有六点：
1 调速范围宽。
2 位移精度高；一般数控机床的脉冲当量为0.01mm~0.005mm脉冲，高精度的数控机床其脉冲当量可达0.001mm脉冲。
3 定位精度高；定位精度一般为0.01mm~0.001mm，甚至0.1um。
4 稳定性好；对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀，平稳，稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。
5 动态响应要求过渡时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒。
步进电机的特点：步进电机的角位移或直线位移与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率成正比，能快速
的起动，制动和反转；在一定频率范围内各种运动方式都能任意的改变且不会失步，当停止输入控制脉冲后，只要维持控制绕组电流不变，电动机就会保持在某一固定位置上，所以步进电机具有自整步的能力，并且没有周累积误差，所以定位精度较高。
数控机床的位置伺服系统设计
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图 １ 系统 硬 件 框 图
（ ）位置环设计 。位 置控制 环在整个控制系统 中举足轻 １ 重， 也是 三个控制环 中最为复杂的控制环 。 其内容包括位置控 加速功能等。 设计采用 ＩＴ Ｌ ７ １ Ｎ Ｅ ８５ Ｈ作为 Ｃ Ｕ， Ｐ 位置环控制程 序 固化在 ８ ５ Ｈ内部 ４ ７１ Ｋ字节 的 Ｅ Ｒ Ｍ中 ， ＰＯ 主要完成位置伺 服 系统的控制 。伺服接 口电路采用 高精度 的 １ ４位 ＤＡ转化 ／
Ｚ ＨＡＯ Ｙ －ｕ ｎ ａｊａ
（ｈ 州 ｖｃ ｗｎ ｉｈｓｈｏ ｏ ｙ ａ ｉ ，Ｈ ｎｎ Ｐｏｉ ｅ Ｊ ｕｎ Ｈｅａ ５ ６ ０ Ｃ ｉａ ｔｅ ｏ￣ ｄ ｈ ｃｏｌ ｆ Ｊ ｕｎ Ｃｔ ｅａ ｒ ｎ ， ｉ ａ ， ｎｎ ４ ４ ５ ， ｈｎ） ｇ ｉ ｙ ｖｃ ｙ
第 ３ ８卷 第 １期 ・ 术 学
Ｖ ｏ１ Ｎ ｏ． ． ３８ １
湖
南
农
机
２０１１年 １ 月
Ｊａ ． ０ １１ ｎ ２
ＨＵＮＡＮ ＡＧＲ ＣＵＬ Ｉ ＴＵＲ ＡＣＨＩ ＡＬ Ｍ ＮＥＲＹ
数控机 床的位置伺服 系统设 计
赵 亚 娟
（ 河南 省济 源市第 一职业 高 中 ， 河南 济源 ４４ ５ ） ５ ６０
服系统驱动机械执行部分 ， 最终实现精确的进给运动。 服系 伺 统实际上是一种高精度 的位置跟踪与定位 系统 。伺服系统 的 性能决定 了数控机床的许多性能 。因此提高进给伺服系统 的 动态特性与静态特性的品质 是人们始终追求 的 目标 。
数控技术第二版课后答案
数控技术第二版章节练习答案第一章绪论数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工数控机床的组成及各部分基本功能答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床三者如何区别答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
．数控机床有哪些特点答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。
适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床各有何特点答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
（2）闭环控制系统；其特点：a. 反馈信号取自于机床的最终运动部件（机床工作台）；b. 主要检测机床工作台的位移量；c. 精度高，稳定性难以控制，价格高。
机床数控技术--习题答案—第6章数控伺服系统
第5章 位置检测装置习题及答案1.伺服系统中常用的位置检测装置有几种？各有什么特点？答：伺服系统中常用的位置检测装置有：旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器和光栅，各检测装置的特点如下：旋转变压器：又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。
其特点是坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、成本低，是数控系统中较为常用的位置传感器；感应同步器：感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。
踏实利用滑尺上的励磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置的变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置信号来实现位移检测的，其特点为：精度高，工作可靠，抗干扰能力强，维修简单、寿命长，测量距离长，工艺好、成本低、便于成批生产；脉冲编码器：脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。
数控机床主要使用光电式脉冲编码器。
光电式脉冲编码器按编码方式又分为绝对值式和增量式两种，常用的为增量式脉冲编码器，其优点是结构简单、成本低、使用方便，缺点是有可能由于噪声或其它外界的干扰产生计数误差，若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故发生前执行部件的正确位置；光栅：在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅作为位置检测装置。
它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC或数显装置来实现闭环控制的。
计量光栅分为圆光栅和长光栅两种。
圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移，由于激光技术的发展，光栅制作的精度有了很大的提高，现在光栅精度可以达到微米级甚至亚微米级。
2. 旋转变压器由哪些部分组成？其检测的基本原理如何？答：旋转变压器又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种，结构如下图所示：有刷式旋转变压器的结构无刷式旋转变压器结构示意图1-转轴 ; 2-轴承 ; 3-机壳; 4-转子铁心; 5-定子铁心6-端盖 ; 7-电刷 ;8-集电环旋转变压器是根据互感原理工作的。
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，
数控技术 题库
第一章概论一、选择题1.数控机床的控制核心是。
a) 数控系统b) 专用软件c)CPU2.FMS是指。
a）直接数控系统；b）自动化工厂；c）柔性制造系统；d）计算机集成制造系统3.编排数控加工工序时，为了提高精度，可采用。
a)精密专用夹具； b）一次装夹多工序集中；c)流水线作业法； d）工序分散加法。
4.加工中心与普通数控机床区别在于。
a)有刀库和自动换刀装置； b）转速c）机床的刚性好；d）进给速度高。
5.“CNC”的含义是（）A．数字控制B. 计算机数字控制 C.网络控制6.数控机床是在（）生的。
A．日本 B. 美国 C. 英国7.数控机床的核心是（）A．伺服系统B. 数控系统 C. 反馈系统 D. 传动系统8.开环控制系统用于（）数控机床上。
A．经济型 B. 中、高档 C. 精密9.心与数控铣床的主要区别是（）。
A. 数控系统复杂程度不同B. 机床精度不同C. 有无自动换刀系统10. 基本控制轴数是（）A．一轴 B. 二轴 C.三轴 D. 四轴28.加工精度高、（）、自动化程度高、劳动强度小、生产效率高等是数控机床加工的特点。
A.加工轮廓简单，生产批量又特别大B.加工对象适应性强C. 夹装困难或必须依靠人工找正，定位才能保证其加工精度的单件零件D.适于加工余量特别大，材料和余量都不均匀的零件10.二、填空题1.数控机床组成包括CNC数控系统和机床主体两大部分。
2.数控机床的类型按加工功能分为金属切削类、金属成型类、特种加工类和其他等几种类型。
3.简单地说，是否采用数控机床进行加工，主要取决于零件的复杂程度；而是否采用专用机床进行加工，主要取决于零件的生产批量。
4.数控机床的基本组成包括_____输入装置______、____数控系统________、__伺服测量反馈系统、____辅助控制装置______、加工程序及机床本体。
5.FMC代表________柔性制造单元__________，FMS代表___柔性制造系统_______________，CIMS代表_________计算机集成制造系统_________。
数控机床的进给伺服系统概述
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
数控机床的伺服驱动系统
数控机床的伺服驱动系统
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，而在数控机床中，伺服系
2
统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机
等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给
脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有
（4）步进电动机的主要特点
步进电动机受脉冲信号的 控制，每输入一个脉冲， 就变换一次绕组的通电状 态，电动机就相应转动一 步。因此角位移与输入脉 冲个数成严格的比例关系。
一旦停止送入控制脉冲， 只要维持控制绕组电流不 变，电动机可以保持在其 固定的位置上，不需要机 械制动装置。
输出转角精度高，虽有相 邻齿距误差；但无积累误 差。
4.3.2.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的 执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性 材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电 磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机 的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。 机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动 机和宽调速电动机等。
θb =
从上面的分析可以看 出，步进电动机转动 的角度取决于定子绕 组的相数、转子齿数 及供电的逻辑状态。 若以θb表示步距角， 则有
（4-12）
360
mzK 式中 m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由 步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系 数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K ＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控 机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ
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
数控机床的驱动与位置共69页
数控技术
2. 稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程
后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。
3. 动态响应快 动态响应反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的
数控技术
第６章 数控机床的驱动与位置控制
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数控技术
6.1 概述 6.2 开环进给伺服系统 6.3 闭环及ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ闭环进给伺服系统 6.4 检测元件
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数控技术
4．调速范围宽 调速范围S是指机械装置要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速
nmin之比（nmax和nmin一般是指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机 械，也可以是实际负载时的转速。）。
目前，先进水平是在进给速度范围已达到脉冲当量为lμ m的情况下， 进给速度从0～240m/min连续可调。但对于一般的数控机床而言，要求进 给伺服系统在0～24m/min进给速度下都能工作，而且可以分为以下几种 状态: （1）在l～24000mm/min范围，要求速度均匀、稳定、无爬行，且速降要 小。 （2）在lmm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。 （3）在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩，以维持 定位精度，使定位精度满足系统的要求。也就是说，应处于伺服锁住状 态。
伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现切削刀具与工件间 运动、主电机运动的驱动和执行机构，是数控机床的“四肢”。伺服系 统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。数控机床的最高移动 速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态 性能。
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电气伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
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。
进给驱动系统
第6章 数控机床的伺服系统
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。
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。
第6章 数控机床的伺服系统
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
第6章 数控机床的伺服系统
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。
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பைடு நூலகம்移量。
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。
在现代CNC机床中得到了广泛应用。
第6章 数控机床的伺服系统
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。
1.开环伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
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
第6章 数控机床的伺服系统
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；
6.2 开环伺服系统
一、工作原理
第6章 数控机床的伺服系统
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。
第6章 数控机床的伺服系统
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
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
第6章 数控机床的伺服系统
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。
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
第6章 数控机床的伺服系统
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。
第6章 数控机床的伺服系统
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。
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
第6章 数控机床的伺服系统
三、步进电机的驱动控制电路
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