第六章数控机床的伺服系统概要

E/R- Modul NCU
Peripherie SIMATIC S7-300
Umrichter SIMODRIVE 611 digital mit CNC SINUMERIK 840D
Leistungsteil
DrehstromHauptspindelmotor
DrehstromServomotoren
忠实地执行由CNC装置发来的运动命令， 驱动刀具或工作台的完成进给运动, 最终实现精确的速度与位移量。
第六章 数控机床的伺服系统
§6. 1概述
一、(进给)伺服系统的定义 Feed Servo System
以机床移动部件（如工作台、主轴或刀架）的位置和速 度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统或位置随动系 统。
§6. 1概述
三、数控机床对数控进给伺服系统的要求 (5) 低速大扭矩：
数控加工的特点是在低速时切削深度和进给量较大。
(6) 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。
综上所述： 对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面； 对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。
§6. 1概述
四、数控机床伺服系统的分类
精度和低表面粗糙度，要求响应速度快。
即在无超调或超调很小的前提下，执行部件的运动速度 的建立时间 tp 应尽可能短。
F 通常要求从 0→Fmax （Fmax→0 ) , 其时间应小200ms， 且不能有超调或超调很小，否则对 机械部件不利，有害于加工质量。
tp
t
§6. 1概述
三、数控机床对数控进给伺服系统的要求
第六章 数控机床的伺服系统
● 数控机床对进给伺服系统的要求 ● 伺服系统的分类及主要特点 ● 常用伺服驱动装置的特点 ● 几种典型位置检测装置工作原理 ● 闭环和半闭环进给伺服系统
第六章 数控机床的伺服系统
CNC装置: 数控系统的“大脑”， 发布“命令”的“指挥所”
进给伺服系统: 数控系统的“四肢”， 一种 “执行机构” 。
4、系统的结构较简单，调试、维修、使用都很方便，工作可 靠，成本低廉。
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
二、步进电机及其工作原理
逆时针旋转30°
A C 1 2B
4 B
3C
A
逆时针旋转30°
A
C 1B
4
2
B3 C
A
B相通电
A
C
B
41 32
B
C
A
A相通电
C相通电 逆时针旋转30°
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
§6. 1概述
三、数控机床对数控进给伺服系统的要求 （1）输出位置精度要高
静态：要求定位精度高 / 重复定位精度高， 保证尺寸精度
即 定位误差要小 / 重复定位误差要小。
动态：要求跟随精度高，即跟随误差要小 以保证轮廓精度 (动态性能指标)
另外，要求灵敏度高，有足够高的分辩率。
§6. 1概述
三、数控机床对数控进给伺服系统的要求 （2）响应速度快且无超调： 对伺服系统动态性能的要求 反映了系统对插补指令的跟踪精度；为了保证轮廓切削形状
按用途和 进给驱动系统： 控制机床工作台或刀架的进给运动
功能分为：
主轴驱动系统；
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。
按控制原理 开环伺服系统
和有无检测 闭环伺服系统 反馈环节分： 半闭环伺服系统
按驱动执行元件 电液伺服系统 的动作原理分： 电气伺服系统
直流伺服系统 交流伺服系统
§6. 1概述
二、伺服系统的作用 接收数控装置发出的进给脉冲或进给位移量信息
经信号转换和电压、功率放大 变为伺服电机的转动(或移动 )
由伺服电机带动机械传动机构 实现机床工作台相对于刀具的直线位移或回转位移。
数控机床的伺服驱动
数控机床的伺服驱动
Bedientafelfront mit PCU 20/50/70
(3) 良好的稳定性 伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的调节过
程后，恢复到原有的平衡状态或达到新的平衡状态，即有 较强的抗干扰能力。
稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控 加工的精度和表面粗糙度。
●在系统负载范围内，负载特性要硬
F
当负载变化时，输出速度应基本不变。 即△F尽可能小；
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
● 开环进给伺服系统特点：
Z2
f，
步进电机 Z1
t
3、系统的位移精度较低，其定位精度一般可达±0.02mm。 如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可 提高到±0.01mm。
此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度 也受到限制，在脉冲当量为0.01mm时，一般不超过5m/min。
二、步进电机及其工作原理
（一）步进电机工作原理
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。
定子绕组
定子
转子
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
两个相对的磁极组 成一相：
共有三相定子绕组
为简化分析，假设
A
1
B
4
A
3
C' 1 B
42
B'
3C
A'
2 C
AA
C'
B
B'
C
A'
转子只有四个齿。
转子
IA A
定子绕组
定子
IBB
IC
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
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。
IA A
1）三相单三拍：
通电顺序为：
转子
A相 B相 C相
定子绕组
定子
IBB
通电顺序也可以为：
IC
A 相 C 相 B 相
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
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§6. 2 开环伺服系统及步进电机
一、开环进给伺服系统
★开环系统是最简单的进给伺服系统，
★系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电 液脉冲马达等。
Z2
f，
t
步进电机
Z1
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
● 开环进给伺服系统特点： 1、无位置检测装置。
Z2
f，
步进电机 Z1
t
2、系统的位移精度主要决定于 1）.步进电机的角位移精度、 2）.齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度 3）.系统的摩擦阻尼特性。
当负载突变时，要求速度的恢复时间短 且无振荡。即△t尽可能短；
这要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。
△t △F
t
§6. 1概述
三、数控机床对数控进给伺服系统的要求 （4）调速范围要宽
调速范围： RN Fmax Fmin
一般要求： RN 10000 且 0.1mm min Fmin 1mm min