第五章数控机床伺服系统

伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；开环伺 服系统和闭环伺服系统。 开环伺服系统
闭环伺服系统
第五章数控机床伺服系统
第一节 概述
数控伺服系统的基本组成
第一节 概述
三、数控机床伺服驱动系统的分类
按控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺 服系统；按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动 系统；按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动 系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为 直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机 伺服系统。
主轴伺服系统只是一个速度控制系统，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，且保证任意转速的调节。
第一节 概述
2.直流伺服驱动与交流伺服驱动
➢直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过 载能力强，而且由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成 闭环后易于调整；直流中小惯量伺服电动机，比较适应数控机床对 频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。直流电动机具有电 刷和机械换向器，限制了它向大容量、高电压、高速度方向发展。
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第一节 概述
(2) 闭环伺服系统
指令 位置控制
速度控制
伺服电机 速度检测
位置检测
有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工 作台的实际位移。
利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值 进行位置控制。
精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动 链的误差无关。
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，使系统的 设计、安装和调试都相当困难。
指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台 的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进 而决定了工作台的位移大小。
开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取 决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。
结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济 型、中小型数控系统。
第一节 概述
1.开环和闭环控制
脉冲
驱动电路
步进电机
工作台
(1) 开环伺服系统
开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装 置。（信号流是单向的）
数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进 电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通 过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。
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。
适用于中小型数控机床。
第一节 概述
2.进给驱动与主轴驱动
进给伺服系统用于数控机床工作台或刀架坐标 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转矩，包括速度控制 环和位置控制环。
适用于大型或比较精密的数控设备。
第一节 概述
指令
(3) 半闭环伺服系统 位置控制
速度控制
伺服电机 脉冲编码器
工作台
有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测 角位移，间接获得工作台的位移。
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。
床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足 够的调速范围。既满足高速加工要求，又满足低速进给要求。 在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转距。 4、系统可靠性好
数控机床的使用率很高，常常是24h连续工作不停机，因而 要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短 的平均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠 性越好。
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第一节 概述
数控机床的伺服驱动
装 置
器伺 服 驱 动
床数 控 机
机伺 服 电
第一节 概述
一、数控机床对数控伺服系统的要求
1、精度高
由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加工 质量，要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要求 定位精度为0.001-0.01mm，高档设备达到0.1μm以上。速度控 制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力，以保证动、 静态精度较高。 2、快速响应特性好
快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪 精度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响 应要快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在20ms以内， 在短时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差小， 反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。
第一节 概述
3、调速范围宽 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机
第五章 数控机床的伺服系统
第一节 概述 第二节 开环步进伺服系统 第三节 数控机床的检测元件 第四节 闭环伺服系统
第一节 概述
数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)
的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。
数控伺服系统的作用在于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。
伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节， 又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控 机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之 一。
伺服系统的主要功能:从数控系统接收微小的电
控信号（5V左右，mA级），放大成强电的驱动信号 （几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行 元件——伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动 机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体 部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机 床主体运动的速度控制和位置控制，达到加工出所需工 件的外形和尺寸的最终目标。
第一节 概述
二、数控机床伺服系统的基本组成
执行元件及其驱动控制单元必不可少。驱动控制单元将进给 指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号 转化为相应的机械位移。
开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常， 执行元件选用步进电动机。
闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床 以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反 馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台 的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反 馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经 驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。