第四章 数控机床的伺服系统

1、第四章 数控机床的伺服系统1. 概述2. 常用驱动原件3. 位移测量装置了解：常用伺服驱动原件工作原理理解：位移测量装置工作原理掌握：伺服驱动系统的定义、组成第四章 数控机床的伺服驱动系统（6学时）4.1 概 述伺服驱动系统简称伺服系统（Servo System），是一种以机床移动部件的位置（或角度）和速度（或转速）作为控制对象的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。伺服系统的主要功能是接收来自插补装置或插补软件生成的进给指令，并按指令信息来驱动各运动部件运动，以加工出符合图纸要求的零件。伺服系统一般由伺服驱动装置、驱动元件、机械传动机构及末端执行部件等组成。对于闭环控制系统还包括检

2、测反馈装置。伺服系统是数控装置与机床本体的联系环节，忠实而准确地执行CNC装置发出的运动指令。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，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。因此，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。4.1.1数控机床伺服系统的分类按照调节理论，数控机床进给伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统；按照控制对象和使用目的，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统；按驱动部件的动作原理又可将其分为电液控制系统和电气控制系统。其中，电气控制系统按所使用的驱动元件的类型，又分为步进

3、电动机驱动系统、直流伺服电动机驱动系统和交流伺服电动机驱动系统，近年来又出现了直线电机驱动系统；按照反馈比较方式，数控机床进给伺服系统有数字脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。1、按照调节理论分类（1)开环伺服系统步进电机驱动线路步进电机指令脉冲脉冲频率脉冲数目机床速度位置滚珠丝杠等旋转速度旋转角度图4-1 开环伺服系统原理图图4-1所示为开环伺服系统原理图，它是由步进电机及其驱动线路构成。其功能是每接收一个指令脉冲，步进电机就旋转一定角度，步进电机的旋转速度取决于指令脉冲的频率，转角的大小则取决于脉冲数目。由于系统中没有位置检测器及反馈线路，工作台是否移动到

4、位，取决于步进电机的步距角精度、齿轮传动间隙、丝杠螺母副精度等，因此，开环系统的精度较差，但由于其结构简单。易于调整，在精度不高的场合仍得到广泛应用。开环系统中，伺服驱动装置主要是步进电机，无检测元件、无反馈回路，控制方式简单，但精度难保证，切削力矩小，用于要求不高的经济型数控机床。（2)闭环伺服系统图4-2所示为闭环伺服系统原理图，它由伺服电机、检测反馈单元、驱动线路、比较环节等部分组成。检测反馈单元安装在机床工作台上，直接将测量的工作台位移量转换成电信号，反馈给比较环节，与指令信号比较，并将其差值经伺服放大，控制伺服电机带动工作台移动，直至二者差值为零为止。闭环伺服系统消除了进给传动系统的

5、全部误差，所以精度很高（从理论上讲，精度取决于检测装置的测量精度）。然而，由于各个环节都包括在反馈回路内，所以机械传动系统的刚度、间隙、制造误差和摩擦阻尼等非性因素都直接影响伺服系统的调制参数。由此可见，闭环伺服系统的结构复杂，其调试、维护都有较高的技术难度，价格也较昂贵。常用于精密数控机床。 图4-2 闭环伺服系统（3)半闭环伺服系统 图4-3 半闭环伺服系统图4-3所示为半闭环伺服系统原理图，与闭环伺服系统的区别在于，半闭环伺服系统的反馈环节不在机床工作台上而安装在中间某一部位（如电机轴上），这样的伺服系统称为半闭环伺服系统。由于这种系统抛开了机械传动系统的刚度、间隙、制造误差和摩擦阻尼等

6、非性因素，所以这种系统调试比较容易，稳定性好。尽管这种系统不反映反馈回路之外的误差，但由于采用高分辨率的检测元件，也可以获得比较满意的精度。2、按照控制对象和使用目的分类（1）进给伺服系统进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。用于控制机床各坐标轴得切削进给运动，是一种精密的位置跟踪、定位系统。如X向、Y向、Z向进给伺服系统。（2）主轴伺服系统一般的主轴控制只是速度控制系统，用于控制机床主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，而且需完成转速范围内的无级调速。具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，具有位置、速度控制功能。如，车铣加工中心可以进行X、C轴插补，C轴是一

7、般概念的伺服系统。（3）辅助伺服系统用于各类加工中心或多功能数控机床中，用来控制刀库、料库等辅助系统，一般多采用简易的位置控制。3、按驱动部件的动作原理分类早期的数控机床，尤其是大中型数控机床采用电液伺服系统驱动的较多。直流（DC）伺服系统，在20世纪7080年代的数控机床中占据主导地位。大惯量直流伺服电机具有良好的调速性能，输出转矩大，过载能力强，控制原理简单，构成闭环易于调整。小惯量质量伺服电机具有可频繁启动、制动和快速定位与切削的特点。20世纪80年代后，由于交流（AC）伺服电机的材料、结构、控制理论和方法均有突破性的进展，使AC电机结构简单、不需要维护、便于制造、不受恶劣环境影响，与直

8、流电机相比功率/重量比提高50左右。4、按照反馈比较方式分类（1）数字脉冲比较伺服系统数字脉冲比较伺服系统结构较简单，常采用光电编码器、光栅作为位置检测装置，以半闭环的控制结构形式构成的数字脉冲比较伺服系统应用较为广泛。数字脉冲比较伺服系统的特点是：指令位置信号与位置检测装置的反馈信号在位置控制单元中，是以脉冲、数字的形式进行比较的。比较后得到的位置偏差经D/A转换（全数字伺服系统不经D/A转换），发送给速度控制单元。图4-4、5为数字脉冲比较伺服系统的闭环、半闭环控制的结构图。图4-4闭环数字脉冲比较伺服系统框图图4-5半闭环数字脉冲比较伺服系统框图（2）相位比较伺服系统在相位比较伺服系统中

9、，位置检测装置采用相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成相应的同频率的某一载波的不同相位的脉冲信号，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。图4-6、7为相位比较伺服系统的原理框图。图4-7 半闭环相位比较伺服系统框图图4-6闭环相位比较伺服系统框图（3）幅值比较伺服系统幅值伺服系统主要是以旋转变压器、感应同步器为检测元件，是以其位置检测信号的幅值反映机械的实际位置，并以此作为位置反馈信号，再与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。如图4-8、9所示。图4-8 半闭环幅值比较伺服系统框图图4-9 闭环幅值比较伺服系统框图（4）全数字伺服系统随着微电子技术、计算机技术和

10、伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，软件数字PID使用灵活，柔性好。数字伺服系统还采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。4.1.2数控机床对伺服系统的要求伺服系统的动态响应和伺服精度是影响数控机床加工精度、表面质量和生产效率的重要因素。因此数控机床的伺服系统应满足以下基本要求：（1）精度高 为了保证零件加工质量和提高效率，就要求数控机床具有很高的定位精度和加工精度。在位置控制中要求有高的定位精度，如5µm、1µ

11、;m等；而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力。（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。为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求系统有良好的快速响应特性，即要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差（位置跟踪精度）要小，稳定性要好。（3）调速范围宽由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，为了保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统必须具有足够的调速范围，即能满足高速切削要求，又能满足低速加工要求。调速范围是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速之比。（作为电机本身是不具备调速能力的。调速是驱动提

12、供的，而驱动主要是指信号的处理能力(包括闭环)，因不同电机的电信号与机械比例不同，故不提供最高转速和最低转速，只提供比例。因此只有驱动有此指标，步进电机最低速为零，比例没办法给出,只给最高速）。数控机床的主轴伺服系统不仅应该具有宽的调速范围，而且能在尽可能宽的调速范围内保持恒功率输出。另外，为了满足不同数控机床的加工要求，主轴驱动系统还应该满足一些特殊要求。（4）低速大转矩根据机床加工特点，大都是在低速时进行重切削，既要求在低速时进给伺服系统有大的转矩输出。（5）稳定性高（系统可靠性好）数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，如果发生故障其损失就更大，所以提高数控机床的可靠性就显得更为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一，定义为：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对数控机床来说，它的规定条件是指其环境条件、工作条件及工作方式等，例如温度、湿度、振动、电源、干扰强度和操作规程等。这里的功能主要是指数控机床的使用功能，例如数控机床的各种机能，伺服性能等。平均故障间隔时间（MTBF）是指发生故障经修理或更换零件还能继续工作的可修复设备或系统，从一次故障到下一次故障的平均实际，数控机床常用它