数控机床的伺服驱动系统

tp
t
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7.1.3 数控机床对进给伺服驱动系统的要求
4. 调速范围要宽
调速范围是指电机在额定负载时所能提供的最高转速 和最低转速之比。为保证在任何切削条件下都能获得最 佳的切削速度，要求进给伺服驱动系统必须提供较大的
调速范围，一般调速范围应达到1︰2000。现有的高性能
进给伺服系统已具备无级调速，且调速范围在1︰10000 以上。
CNC
插 补 指令
A相、B相 脉冲频率f 脉冲环 f、 n 功率 脉冲个数n 形分配 放大 换算 C相、… 变换
机械执行部件
采用步进电机作为驱动元件；
无位置反馈，其精度主要取
电机
决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度 ；
结构简单、调试维修方便，工作稳定、设备投资低， 一般用于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的经济 型数控机床。 13
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驱动电机：是进给系统的动力部件，它提供执行部 分运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有：
步进电机
直流伺服电机
交流伺服电机 直线电机。
检测装置： 在闭环、半闭环控制系统中，它的主 要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构 成闭环或半闭环控制 ,对驱动装置进行控制。 常用的检测装置有：感应同步器、旋转变压器、光 栅、脉冲编码器等。
间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚
性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳
定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、
超精磨床以及较大型的数控机床等。
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光栅尺
光栅尺
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按驱动电机的类型分：
（1）步进电机伺服驱动系统。步进电机将进给指令
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7.1.3 数控机床对进给伺服驱动系统的要求
5. 低速转矩要大
在切削加工中，粗加工一般要求低进给速度、大切削 量，为此，要求进给伺服驱动系统在低速进给时输出足 够大的转矩，提供良好的切削能力。
6. 能可逆运行和频繁灵活启停。 7. 可靠性高
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对主轴伺服系统，还应满足如下要求： 1．主轴与进给驱动的同步控制 为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，要 求主轴驱动与进给驱动实现同步控制。 2．准停控制 在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴 能进行高精确位置的停止。 3．角度分度控制 有两种类型： 一是固定的等分角度控制； 二是连续的任意角度控制。（称为“C”轴控制）
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7.1.2 伺服驱动系统的分类
伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下 三种。
进给驱动系统
开环系统
用途和功能
主轴驱动系统
控制原理
电液伺服系统
电气驱动系统
半闭环系统 闭环系统
驱动元 件的类型
步进电机伺服驱动系统 直流伺服驱动系统 交流伺服驱动系统
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按控制原理分类
主要内容
开环控制 (Open-Loop Servo-Drive)
步进电机
步进电机
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按控制原理分类
半闭环控制 (Half-Closed-Loop Servo-Drive)
伺服电机 指令脉冲 工作台
位置比较
电路
速度控制
电路
速度反馈 检测元件
位置反馈
半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(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。
通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转300，1、3齿与
C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两磁极相对错开300 转子如何旋转？
1 4 2 3 1 4 2
3
逆时针回转30° 若按A B C。。。通电相序连续通电，则步进电机就连
360 0.9 400
若丝杠的导程为10mm，齿轮传动比是1，系统的脉冲当量为：
0.9 i t 1 10 0.025 (mm) 360 360

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步进电机的角位移量和输入的电脉冲数成正比。
步进电机的转速与输入的电脉冲信号的频率成正比
步进电机的转动方向与步进电机的工作方式(通电顺 序)有关。 只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电 相序，便可以获得所需要的转角、转速及转动方向。 在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下， 气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。
第7章 数控机床的伺服驱动系统
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主要内容
7.1 概述
7.2 步进电机及其驱动控制系统
7.3 直流伺服电机及其速度控制
7.4 交流伺服电机及其速度控制系统
7.5 直线电机及其在数控机床中的应用简介
7.6 位置控制
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7.1 概 述
7.1.1 进给伺服系统的定义及组成
定义： 伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制
信号变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移， 通过齿轮和丝杠螺母副带动工作台移动。 特点：在大负载和速度较高的情况下容易失步、能耗大、 速度低、精度较差。 应用：故主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机 床和旧机床改造。
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按驱动电机的类型分：
（2）直流电机伺服驱动系统。
特点：有良好的宽调速性能，输出转矩大、过载能力强。 在上世纪70年代和80年代初，数控机床多采用直流电机伺
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7.1.1 进给伺服系统的定义及组成
进给伺服系统是数控系统主要的子系统。
如果说C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。
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7.1.1 进给伺服系统的定义及组成
两个相对的磁极组成一相
转子是硅钢片软磁材料 迭合成的带齿廓形状的 铁心。
如果在定子上的三对绕组中 通直流电流，就会产生磁场。
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当转子齿数是2时，每 来一个电脉冲，转子转 过60°
flash
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步进电机的工作方式(通电顺序)可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。 几个概念的含义： “拍”——定子相绕组每改变一次通电状态，称为 “一拍”。 “单”——指只有一相绕组通电。 “双”——指有两相绕组同时通
பைடு நூலகம்
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1．三相三拍工作方式
当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B、C三对
磁极依次产生磁场吸引转子转动。
√当A相通电时，B相和C相不通电，电机铁心的AA轴方向产生 磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐，2、4 两齿与B、C两磁极相对错开300
A C B 4 B C A
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A C 1 2 3 B
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7.2 步进电机及其驱动控制系统
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线
位移的控制电动机。
步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，
而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。
对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个 固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。 例：步进电机每转400步，即步距角为：
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优点：结构简单，价格便宜，工作可靠； 缺点： – 容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定 位精度； – 在低速时容易产生振动； – 细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低 了低速振动。 应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型 数控机床的进给驱动。
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7.2.1 步进电机工作原理
数控机床伺服驱动系统的基本组成
由比较环节、驱动控制装置、检测反馈装置和执 行元件四部分组成
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伺服系统（Servo System)
CNC系统
控制信号
驱动电机
光栅尺
反馈信号
检测装置
伺服驱动系统
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比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，
以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路
或计算机来实现。 控制器通常是计算机CNC或PLC控制电路，其主要任务是对 比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按 要求动作。 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的 能量转化成机械能，驱动被控对象工作。一般指各种电机或 液压、气动伺服机构等。
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伺服驱动元件又称为执行电机，在输入电信号之 前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即 转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改 变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失， 转子立即自行停转。
系统。 又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单 元，是实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构。
作用：伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数
控机床的重要组成部分。
功能：接收来自CNC装置（插补装置或插补软件）的进给指
令脉冲，经过信号变换及电压、功率放大，驱动各坐标轴按指 令脉冲运动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加 工出所要求的复杂形状工件。
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7.1.3 数控机床对进给伺服驱动系统的要求
3.响应速度快，无超调
快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标，它反映
了系统对插补指令的跟踪精度。 加工过程中，进给伺服驱动系统 跟踪指令信号的速度要快，过渡 时间要短，且无超调，这样跟随 F
误差才小。否则对机械部件不利，
有害于加工质量。 过渡过程一般应在几十毫秒以内。
A相断电，B相通电如何变化？
√当B相通电时，C相和A相断电，电机铁心的BB轴方向产生磁
通，在磁拉力的作用下，2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与C 、A两磁极相对错开300 转子如何旋转？
1 4 3 2 4
1
2 3
逆时针回转30°
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√当C相通电时，A相和B相断电，电机铁心的CC轴方向产生磁
B相断电，C相通电如何变化？
交流电机伺服驱动系统在进给伺服驱动 中已逐渐取代了直流电机伺服驱动系统。
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按驱动电机的类型分：
（4）直线电机伺服驱动系统。直接驱动机床工作
台运动，取消了电机和工作台之间的一切中间传动环 节，形成了所谓的“直接驱动”或“零传动”。 特点：克服了传统驱动方式中传动环节带来的缺点，显 著提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性。
直线电机
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7.1.3 数控机床对进给伺服驱动系统的要求
1. 精度要高
数控机床伺服系统的精度是指机床工作的实际位置复现
插补器指令信号的精确程度。 静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复 定位误差要小。高档数控机床微米级 ，超精密机床亚微 米级。 （以保证尺寸精度）
动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。
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交流伺服 电机
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按控制原理分类
闭环控制
指令脉冲
(Closed-Loop Servo-Drive )
伺服电机
速度控制 工作台
主要内容
位置比较 电路
电路
速度反馈
位置反馈
位置采样点 直接对运动部件的实际位置进行检测。
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闭环控制
(Closed-Loop Servo-Drive )
从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、
（以保证轮廓精度） 灵敏度要高：有足够高的分辩率。
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7.1.3 数控机床对进给伺服驱动系统的要求
2. 工作稳定性好
工作稳定性是指伺服系统在突变指令信号或外界干扰的
作用下，能够快速的达到新平衡状态或恢复原有平衡状
态的能力。 工作稳定性越好，机床运动平稳性越高，工件的加 工质量就越好。 速度稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速 时的平稳性显得特别重要 较强的抗干扰能力是获得均匀进给速度的重要保证。
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半闭环数控系统
半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因
此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开 环系统，但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以 消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这 类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高， 因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。
工作原理：按电磁吸引原理工作（以反应式步进 电机为例） 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有 激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠 磁极对齿的吸合工作。
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步进电机的工作原理
工作原理：按电磁吸引原理工作 由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对磁极绕 组，分别为A相、B相、C相。
服系统。但直流伺服电机由于具有电刷和机械换向器，使
结构与体积受限制，现已基本被交流伺服电机取代。
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按驱动电机的类型分：
（3）交流电机伺服驱动系统。常永磁同步伺服电机。
特点：相对于直流伺服电机，具有结构简单、体积小、惯量 小、响应速度快、效率高等特点。采用变频调速。 应用：它更适应大容量、高速加工的要求。