数控机床的驱动与位置控制专训
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数控机床的驱动与位置 控制专训
2020年4月22日星期三
•6.1 概述 •6.2 开环进给伺服系统 •6.3 闭环及半闭环进给伺服系统 •6.4 检测元件
数控机床与其它机床主要区别是什么？ 为什么数控机床能加工复杂曲面，而普通机床不能？
• 答案是数控机床具有驱动与位置控制统。数控机床驱动与位置控制 统称伺服系统，它是数控机床的重要组成部分。伺服系统是以机床移动 部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统 或伺服机构。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软 件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其 转化为机床工作台相对于切削刀具的运动或主电机的运动。目前，这主 要通过对交、直流伺服电动机或步进电动机等进给驱动元件的控制来实 现。进给伺服系统的性能，如最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动 态和静态性能，在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质 量和生产效率。
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 加工表面粗糙度值，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。这一方面 要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方 面要求超调要小。这两方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一 定措施，按工艺加工要求作出一定的选择。
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。目前， 数控机床伺服系统位移精度可达到在全程范围内±5μm。
伺服系统的定位精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数 控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，高精度的定位精度 为±0.001mm，甚至0.1μm。
（2）闭环伺服系统 数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台（或
刀架）实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置， 因此需要位置检测装置。该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，求得误差，依此构成闭环位 置控制。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以 系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得 到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。目前闭环系统的分辨率 多数为lμm，定位精度可达±0.01～±0.05mm；高精度系统分辨率可达 0.1μm。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。
• 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。
6.1.1伺服系统的基本要求
1．精度高(位移精度、定位精度)
（3）半闭环系统 位置检测元件没直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是经过
中间机械传动部件的位置转换，称为间接测量。亦即坐标运动的传动链 有一部分在位置闭环以外，在环外的传动误差没有得到系统的补偿，因 而伺服系统的精度低于闭环系统。
• 半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环 内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿，理论上精度可以 达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影响 ，系统稳定性难以调整。此外，机床运行一段时间后，由于机械传动 部件的磨Fra Baidu bibliotek、变形及其它因素的改变，容易使系统稳定性改变，精度 发生变化。目前使用半闭环系统较多。只在具备传动部件精密度高、 性能稳定、使用过程温差变化不大的高精度数控机床上才使用全闭环 伺服系统。
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lμm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。
6.1 概述
数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动 控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床上，伺服 驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定 的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具 的运动或主电机的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电动机或步 进电动机等驱动元件的控制来实现。
主轴伺服系统主要是速度控制，它要求1:100～1000范围内的恒转矩 调速和1:10以上的恒功率调速，而且要保证足够大的输出功率。
数控机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在 低速时要有大的转矩输出。为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的 执行元件——伺服电动机也相应提出高精度、快响应、宽调速和大转矩 的要求，具体是： （1）电动机从最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑运转，转矩 波动要小，尤其在最低转速时，如0.1r/min或更低转速时，仍有平稳的 速度而无爬行现象。 （2）电动机负载特性硬，应具有较长时间的较大过载能力，以满足低速 大转矩的要求。 （3）满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短 时间内达到规定的速度。因此，伺服电动机必须具有较小的转动惯量和 大的堵转转矩，机电时间常数和起动电压应尽可能的小。 （4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。
1．按调节理论分类 •6.（11.）2其开伺驱环动服伺元系服件系统主统的要分是功类率步进电动机或电液脉冲马达。这两种驱动元
件工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它无位置反馈系统， 不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比于 指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。开环系统的结构简 单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于轻载负 载或经济型数控机床上。
2020年4月22日星期三
•6.1 概述 •6.2 开环进给伺服系统 •6.3 闭环及半闭环进给伺服系统 •6.4 检测元件
数控机床与其它机床主要区别是什么？ 为什么数控机床能加工复杂曲面，而普通机床不能？
• 答案是数控机床具有驱动与位置控制统。数控机床驱动与位置控制 统称伺服系统，它是数控机床的重要组成部分。伺服系统是以机床移动 部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统 或伺服机构。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软 件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其 转化为机床工作台相对于切削刀具的运动或主电机的运动。目前，这主 要通过对交、直流伺服电动机或步进电动机等进给驱动元件的控制来实 现。进给伺服系统的性能，如最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动 态和静态性能，在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质 量和生产效率。
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 加工表面粗糙度值，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。这一方面 要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方 面要求超调要小。这两方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一 定措施，按工艺加工要求作出一定的选择。
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。目前， 数控机床伺服系统位移精度可达到在全程范围内±5μm。
伺服系统的定位精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数 控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，高精度的定位精度 为±0.001mm，甚至0.1μm。
（2）闭环伺服系统 数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台（或
刀架）实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置， 因此需要位置检测装置。该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，求得误差，依此构成闭环位 置控制。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以 系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得 到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。目前闭环系统的分辨率 多数为lμm，定位精度可达±0.01～±0.05mm；高精度系统分辨率可达 0.1μm。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。
• 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。
6.1.1伺服系统的基本要求
1．精度高(位移精度、定位精度)
（3）半闭环系统 位置检测元件没直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是经过
中间机械传动部件的位置转换，称为间接测量。亦即坐标运动的传动链 有一部分在位置闭环以外，在环外的传动误差没有得到系统的补偿，因 而伺服系统的精度低于闭环系统。
• 半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环 内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿，理论上精度可以 达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影响 ，系统稳定性难以调整。此外，机床运行一段时间后，由于机械传动 部件的磨Fra Baidu bibliotek、变形及其它因素的改变，容易使系统稳定性改变，精度 发生变化。目前使用半闭环系统较多。只在具备传动部件精密度高、 性能稳定、使用过程温差变化不大的高精度数控机床上才使用全闭环 伺服系统。
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lμm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。
6.1 概述
数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动 控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床上，伺服 驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定 的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具 的运动或主电机的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电动机或步 进电动机等驱动元件的控制来实现。
主轴伺服系统主要是速度控制，它要求1:100～1000范围内的恒转矩 调速和1:10以上的恒功率调速，而且要保证足够大的输出功率。
数控机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在 低速时要有大的转矩输出。为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的 执行元件——伺服电动机也相应提出高精度、快响应、宽调速和大转矩 的要求，具体是： （1）电动机从最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑运转，转矩 波动要小，尤其在最低转速时，如0.1r/min或更低转速时，仍有平稳的 速度而无爬行现象。 （2）电动机负载特性硬，应具有较长时间的较大过载能力，以满足低速 大转矩的要求。 （3）满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短 时间内达到规定的速度。因此，伺服电动机必须具有较小的转动惯量和 大的堵转转矩，机电时间常数和起动电压应尽可能的小。 （4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。
1．按调节理论分类 •6.（11.）2其开伺驱环动服伺元系服件系统主统的要分是功类率步进电动机或电液脉冲马达。这两种驱动元
件工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它无位置反馈系统， 不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比于 指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。开环系统的结构简 单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于轻载负 载或经济型数控机床上。