数控技术及应用第7章 数控机床进给伺服系统的控制原理

指令
伺服驱动装置
位置控制模 块 速度控制单 元 速度环
工作台 位置检测
速度检测
伺服电 机
位置环
测量反 馈
图7-2 闭环进给伺服系统结构
闭环伺服系统又可进一步分为闭环和半闭环伺服系统。 闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上 位置检测装置安装在机床的工作台上（图7 位置检测装置安装在机床的工作台上 -2），检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将 测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依 此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高 的大型数控机床上。 半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴 位置检测元件安装在电动机轴 上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动 部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量(图7-3)。 即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误 差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于 闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使 用半闭环系统较多。
进给伺服系统作用
进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速 度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放 大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电 机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件 实现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控 制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一 定规律运动所合成的运动轨迹。如果把数控装置比作数 控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么 伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的 机构，它是一个不折不扣的跟随者。
伺服系统的分类
数控机床的伺服系统： 1.按其控制原理和有无位置反馈装置 控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺 控制原理和有无位置反馈装置 服系统； 2.按其用途和功能 用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统； 用途和功能 3.按其驱动执行元件的动作原理 驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统 驱动执行元件的动作原理 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。
进给伺服系统的动、 进给伺服系统的动、静态性能分析
针对斜坡型输入信号分析伺服系统的动态、静态特性。 1、动态性能 就数学模型而言，进给伺服系统是一个典型的二阶系统， 阻尼比 是描述系统动态系统性能的重要参数，下面分欠阻 尼（0< <1),临界阻尼（ε = 1 ）和过阻尼（ >1 ）三种情 况进行分析。 (1)欠阻尼：这种情况下，进给伺服系统的传递函数有一对共 轭复极点，系统对于斜坡输入信号的跟随响应是要经历振荡 的，见书图7-13。 （2）过阻尼：这种情况下，进给伺服系统的传递函数有一对 不相同的实数极点，系统对输入信号的响应是无振荡的，见 书图7-14。 （3）临界阻尼：这种情况下，进给伺服系统的传递函数有一 对相同的实数极点，系统对输入信号的响应也是无振荡的， 与过阻尼情况类似。
开环控制步进式伺服系统的工作原理
2. 工作台进给速度的控制 数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路， 表现为控制步进电机定子绕组的通电、断电状态的电平 信号变化频率，定子绕组通电状态变化频率决定步进电 定子绕组通电状态变化频率决定步进电 机的转速，该转速经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，体 机的转速 现为工作台的进给速度V，即进给脉冲的频率决定了工作 台的进给速度。 3. 工作台运动方向的控制 改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序 输入脉冲信号的循环顺序方向，就可 输入脉冲信号的循环顺序 改变定子绕组中电流的通断循环顺序 定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机 步进电机 定子绕组中电流的通断循环顺序 实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。 实现正转和反转
（3）控制信号送入电动机驱动电源。控制信号功率小，要进 行功率放大。 （4）电动机驱动电源驱动电动机旋转以减小误差直至为零。 （5）达到期望位置。 （6）从内存读入输入信号 重复上述步骤，直到加工完成。
闭环（半闭环） 闭环（半闭环）系统的机床工件加工过程
采用闭环（半闭环）系统的机床在加工工件时的过程如 下： （1）比较输入和输出信号。 （2）计算控制信号。 （3）控制信号送入电动机驱动电源。 （4）电动机驱动电源驱动电动机旋转以减小误差直至为零。 （5）达到期望位置。 （6）从内存读入输入信号 重复上述步骤，直到加工完成。注意：只有当实际值与 期望值存在偏差时，才产生运动，因此这种系统又被称为偏 差驱动闭环系统。
概述
二、闭环和半闭环控制系统的区别
闭环系统为了测量直线进给运动，沿导轨移动方 向安装直线位移传感器，直接测量工作台的位移；而 半闭环系统则把角位移传感器安装在滚珠丝杠端部， 测量其角位移，这时传感器角位移的值不能反映滚珠 丝杠本身的行程误差及其变形，以及滚珠丝杠副以后 传动链所产生的那部分工作台的位移误差。从两者反 馈信号测取上的差异来看，明显影响实际控制效果， 因此，在工程上被认为是两种不同的类型，但是就控 制原理上讲，两者没有什么差别。
ε ε
ε
进给伺服系统的动、 进给伺服系统的动、静态性能分析
由于数控机床的伺服进给控制不允许出现振荡， 故欠阻尼的情况是应当避免的；对于临界阻尼，是 一种中间状态，一旦系统参数发生变化，就有可能 转变为欠阻尼，故临界阻尼也要尽量避免。由此可 得到结论：数控机床的进给伺服系统应当在过阻尼 数控机床的进给伺服系统应当在过阻尼 的情况下运行。 的情况下运行
提高步进电机伺服系统精度的措施
1.传动间隙补偿
提高步进电机伺服系统精度的措施
2. 螺距误差补偿
提高步进电机伺服系统精度的措施
3.细分线路 3.细分线路
闭环（半闭环） 闭环（半闭环）进给伺服系统
数控机床闭环进给系统的一般结构如图7-2所示，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 速度环由速 速度环 度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元 速度控制单元是一个独 度控制单元、速度检测装置等构成 速度控制单元 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 速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置 速度检测装置 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 是由 装置中的位置控制模块、速度控制单元、 装置中的位置控制模块 测及反馈控制等部分组成。由速度检测装置提供速度反馈值 测及反馈控制等部分组成 的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或 机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环 由数控装置来完成。 伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控 制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看， 它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速 系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
概述
一、数控机床进给运动伺服系统的分类和特点 数控机床进给运动
分为开环系统和闭环系统（半闭环）； 开环系统不进行位置和速度的检测，电动机将依 据电脉冲驱动进给运动达到期望位置。开环系统采用 步进电动机作为动力源，并且假定只要输入一定数量 电脉冲，机床相应移动一定位移。系统成本较低，但 一旦产生误差，就会逐渐累积。 闭环系统使用了位置检测元器件和比较器，成本 较高，但由于采取了闭环控制，误差较小。
指令 +
位置比 较
速度控 制 伺服电 机
工作台
速度反馈 位置反馈
图7-3 半闭环伺服系统简图
闭环（半闭环） 闭环（半闭环）系统的机床工件加工过程
采用闭环（半闭环）系统的机床在加工工件时的过程如 下： （1）比较输入和输出信号。得到误差信号。 （2）计算控制信号。采用控制算法计算误差信号，得到控
制信号。
齿轮箱
指令脉冲
驱动控制 线路
步进 电机
图7-1 步进电动机驱动的开环伺服系统简图
开环控制步进式伺服系统的工作原理
开环系统驱动控制线路接受来自CNC系统的进给脉冲信 号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、 断电的信号，使步进电机运转。步进电机转子与丝杠连在 一起，转子带动丝杠转动，丝杠转动使工作台移动。 1、工作台位移量的控制 数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电 机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转 过的角度为α，则步进电机转过的角位移量Φ＝Nα，再经减 速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L，即进给 进给 脉冲数决定了工作台的直线位移量L。 脉冲数决定了工作台的直线位移量
第来自百度文库章 数控机床进给伺服系统的控制原理
概述
• 机床主运动 机床主运动提供金属切削所需的能量，一 般为旋转运动，要求驱动动力源的功率大， 其控制问题主要是进行调速，要求较低； • 进给运动 进给运动根据工件的形状，保持工件与刀具 的相对位置，驱动动力源功率较小，但是为 了保证工件的加工精度，要进行位置伺服控 制，其控制要求较高。
开环伺服系统
开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件 步进电机作为驱动元件，它没有 步进电机作为驱动元件 位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试 维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数 控机床及普通机床改造。如图7-1为开环伺服系统简图， 步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由 进给脉冲的频率决定。 工作台
进给伺服系统的动、 进给伺服系统的动、静态性能分析
2、静态性能
进给伺服系统的静态性能的优劣主要体现为跟随误差的大小。 在进给伺服系统中，输入指令曲线和位置跟随响应曲线之间存在误 差，随时间增加，这一误差趋于固定，这一误差就称为系统跟随误 差，也常常表述为“伺服滞后”。 设进给伺服系统的斜坡输入指令信号为：（v为指令速度）
进给伺服系统中的位置指令信号
数控机床的进给位置指令是有CNC装置通过插补运算而得 装置通过插补运算而得 数控机床的进给位置指令是有 到的。 到的。 1、位置指令信号的函数规律 、 （1）直线插补：各进给轴的位置指令均为斜坡函数。 ）直线插补：各进给轴的位置指令均为斜坡函数。
z = vz t x = kvz t v z − z轴的进给速度；kvz − x轴的进给速度
（2）圆弧插补：位置指令是正弦函数。 ）圆弧插补：位置指令是正弦函数。
x
x=kz
z = r sin ωt ; x = r cos ωt ; r − 圆弧半径；ω − 角速度。
z
进给伺服系统中的位置指令信号
2、位置指令值的修正 以斜坡位置指令为例，按照一般情况， 以斜坡位置指令为例，按照一般情况，机床的位置指 令只有速度控制指令，一旦进给速度的突变， 令只有速度控制指令，一旦进给速度的突变，将造成系统 跟踪失步，增大跟随误差，为了解决这个问题， 跟踪失步，增大跟随误差，为了解决这个问题，对位置指 令函数进行修正，即对加速度进行限制。如图7 令函数进行修正，即对加速度进行限制。如图7-3、7-4， 修正后，进给速度指令曲线呈现“S”形，包含了速度和 修正后，进给速度指令曲线呈现“S”形 加速度信息， 加速度信息，在进给速度指令曲线中包含了匀加速上升和 匀减速下降阶段，进给速度不存在阶跃变化， 匀减速下降阶段，进给速度不存在阶跃变化，这样具有速 度和加速度指令值限制的位置指令修正就可以使机床达到 好的动态特性。 好的动态特性。
对伺服系统的基本要求
1.位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统 的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉 冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。 2.稳定性好 稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后， 达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。 3.快速响应 快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精 度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统。 4.调速范围宽 调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之 比。 5.低速大扭矩 低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是， 在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输 出。