数控机床的伺服系统课件

1、第7章 数控机床的伺服系统7.1 概述7.2 伺服系统的分类7.3 数控机床伺服驱动装置7.4 典型进给伺服系统（位置控制）7.1 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。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。7.1.1 伺服系统的组成伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈

2、单元和机械执行部件。7.1.2 伺服系统的基本要求 （1）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，包括定位精度和轮廓加工精度。数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与指令位移之差要小。（2）稳定性好 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。7.1.2 伺服系统的基本要求（3）快速响应并无超调快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短

3、。通常要求从 0Fmax(Fmax0)，其时间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。tFtp7.1.2 伺服系统的基本要求（4）调速范围宽调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。一般要求：（5）低速大转矩进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 7.1.2 伺服系统的基本要求对伺服电机的要求:高精度、快反映、宽调速和大转矩（1）电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。（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，

4、以满足低速大转矩的要求。（3）为了满足快速响应的要求，电机应能在较短时间内达到规定的速度。电机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压。（4）电机应能承受频繁的起动、制动和反转。7.2 伺服系统的分类开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统电液伺服系统、电气伺服系统直流伺服系统、交流伺服系统进给伺服系统、主轴伺服系统脉冲/数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统、数字伺服系统7.2.1 按调节理论分类 按照调节理论分：开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。开环最为简单。由于可能发生“失步”现象，造成进给运动的速度和行程误差。故该类控制方式，仅限

5、于精度不高的经济型中、小数控机床的进给传动。半闭环的检测装置，安装在伺服电动机或传动丝杆上，闭环则将其装在运动部件上。由于丝杆螺距误差以及受载后丝杆、轴承变形等影响，半闭环对检测结果的校正并不完全，控制精度比闭环要低一些。闭环则用于精度要求较高的机床，如高精度镗铣加工中心7.2.2 按使用的驱动元件分类（1）电液伺服系统执行元件为液压元件，其前一级为电气元件。驱动元件为液动机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。特点：电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩，以及刚性好，时间常数小、反映快和速度平稳等优点。然而，液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大。此外，还有噪声、漏油等问题

6、。7.2.2 按使用的驱动元件分类（2）电气伺服系统电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，操作维护方便可靠性高.电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电机,直流伺服电机和交流伺服电机。特点：没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题.但反应速度和低速力矩不如液压系统高性能大大提高，已经在更大范围取代液压伺服系统。7.2.3 按使用的伺服电机分类（1）直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机）。小惯量伺服电机具有高的额定转速、低的惯量和良好的快速性。在应用时，要经过中间机械传动（如齿轮副）才能与丝杆相连接。永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下

7、长时间工作以及电机的转子惯量较大，能直接与丝杆相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转。由于电刷的限制转速的不能提高很多，一般额定转速为10001500r/min，而且结构复杂，价格较贵。7.2.3 按使用的伺服电机分类（2）交流伺服系统可分为：交流伺服系统伺服电机和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服电机）。交流伺服电机不受应用环境的限制，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应好。在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机提高10%70%。还有交流电机的容量可以比直流电机造得大，达到更高的电压和转速。7.2.4 按用途和功能分类（1）进给伺服系统 进给伺服系统包括速度控制环

8、和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。（2）主轴伺服系统 一般的主轴控制只是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。7.2.5 按反馈比较控制方式分类(1)脉冲/数字比较伺服系统它是将数控装置发出的数字(或脉冲)指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲)形式表示的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。脉冲、数字比较伺服系统结构简单，容易实现，整机工作稳定。(2)相位比较伺服系统位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载

9、波的相位，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。相位伺服系统适用于感应式检测元件的工作状态，可得到满意的精度。此外由于载波频率高，响应快，抗干扰性强，很适于连续控制的伺服系统。7.2.5 按反馈比较控制方式分类(3) 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成数字信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。在以上三种伺服系统中，相位比较和幅值比较系统从结构上和安装维护上都比脉冲、数字比较系统复杂和要求高，所以一般情况下脉冲、数字比较伺服系统应用的广泛

10、，而且相位比较系统又比幅值比较系统应用的多。(4)全数字伺服系统 伺服系统采用高速、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、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。Send of a level of variable duration and voltage.CNC+-DriveTachoMotor7.2.5 按反馈比较控制方式分类7.3 数控机床伺服驱动装置数控机床伺服驱动装置的作用： 接收数控系统发出的进给指令信号，并将其转变为角位移或直线位移，从而驱动执行部件实现所要求的运动。在数控机床中常用的伺服电机有：直流

11、伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机等。7.3.1 步进电机工作原理： 步进电机是一种把脉冲信号转换成角位移的电气机械。电脉冲的数量代表了转子的角位移量，转子的转速与电脉冲的频率成正比，旋转方向取决于脉冲的顺序，转矩是由于磁阻作用所产生。步进电机用于与控制脉冲组成的开环系统中。7.3.1 步进电机（1）步进电机的分类及结构按作用原理分，步进电机有磁阻式(反应式)、感应子式和永磁式三大类。按输出功率和使用场合分类，分为功率步进电机和控制步进电机。按结构分类，分为径向式(单段式)、轴向式(多段式)和印刷绕组式步进电机。按相数分类，分为三相、四相、五相、六相等。7.3.1 步进电机各种步进电机

12、都是由定子和转子组成。磁阻式步进电机(以三相反应式为例)结构如图所示。7.3.1 步进电机感应子式步进电机分为励磁式和永磁式两种。感应子式步进电机的结构与磁阻式步进电机的结构相似。其定子转子铁心的磁场和齿槽均一样，两者的差别是感应子式步进电机存在轴向存在恒定磁场。励磁感应子式步进电机是靠转子上的励磁绕组产生轴向磁场。永磁感应子式步进电机的转子由一段环形磁钢(在转子中部)和二段铁心(在环形磁钢的两端)，轴向充磁，建立轴向磁场。7.3.1 步进电机（2）步进电机的工作原理以下图所示的反应式三相步进电机为例加以说明。 Winding 1 1001001001001001001001001 Windi

13、ng 2 0100100100100100100100100 Winding 3 0010010010010010010010010 7.3.1 步进电机定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步30。按ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30。这种控制方式叫单三拍方式。缺点：每次只有一相绕组通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易失步，此外，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。7.3.1 步进电机双三拍:ABBCCAAB(逆时针方向) ACCBBAAC(顺时针方向) 由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作

14、较稳定。三相六拍:AABBBCCCAA(逆时针方向) AACCCBBBAA(顺时针方向) 每切换一次，步进电机每步转过15。对应一个指令电脉冲，转子转动一个固定角度，称为步距角。单极步进电机7.3.1 步进电机7.3.1 步进电机单极步进电机的两种典型控制电路7.3.1 步进电机双极步进电机7.3.1 步进电机双极步进电机的控制电路7.3.1 步进电机(3)步进电机的主要特性 步距角指每给一个脉冲信号，电机转子应转过角度的理论值，它是步进电机的重要指标。它取决于电机结构和控制方式。步距角可按下式计算： =360/mzk式中，m为定子相数； z为转子齿数；k为通电系数，若连续两次通电相数相同为1

15、，若不同则为2。7.3.1 步进电机 矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq如果在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度，转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡，该电磁转矩Mj称为静态转矩，该角度称为失调角。步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角的变化曲线称为矩角特性，如下图所示7.3.1 步进电机矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静态转矩Mjmax，Mjmax是代表电机承载能力的重要指标，Mjmax越大，电机带负载的能力越强，运行的快速性和稳定性越好。相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转距Mq，当负载力矩小于Mq时，步进电机才能

16、正常启动运行，否则将会造成失步。一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相邻两条曲线的交点上移，会使Mq增加；采用多相通电方式，即变m相m拍通电方式为m相2m拍通电方式，也会使Mq增加。7.3.1 步进电机 启动频率fq和启动时的惯频特性启动频率或突跳频率fq：步进电机由静止突然启动、并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率，是反映步进电机快速性能的重要指标。空载启动时，定子绕组通电状态变化的频率不能高于启动频率。启动时的惯频特性：电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。一般来说，随着负载惯量的增加，启动频率会下降。如果除了惯性负载外还有转矩负载，则启动频率将进一步下降。7

17、.3.1 步进电机 运行矩频特性定义：步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，其值远大于启动频率。运行矩频特性是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系，它是衡量步进电机运转时承载能力的动态指标，如图所示。7.3.1 步进电机 加、减速特性 步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。 当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升;同样，从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加速时间、减速

18、时间不能过小，否则会出现失步或超步。 7.3.1 步进电机步进电机的两种典型应用7.3.1 步进电机步进电机的闭环控制7.3.1 步进电机磁阻步进电机的典型控制电路7.3.1 步进电机两种处理尖峰电压的方法7.3.2 直流伺服电机(1)直流伺服电机的的分类按励磁方式来分 有电磁式和永磁式2种。电磁式是采用励磁绕组励磁，分为并励、串励和复励3种形式。永磁式是采用永久磁铁励磁。按转子转动惯量来分 有小惯量、中惯量和大惯量3种。按转子结构来分 分为有槽式、无槽式、印刷式、杯式及无刷式。7.3.2 直流伺服电机永磁直流伺服电机组成：机壳、磁极(定子)、电 枢(转子)和换向器等。特点：普通型永磁直流伺服

19、电 机的转子惯量大，调速范 围宽，所以也叫做大惯量 宽调速永磁直流伺服电 机，广泛用在进给直流伺 服系统中。 1极靴 2机壳 3瓦状永磁材料（定子） 4电枢（转子） （2）直流伺服电机的结构和工作原理7.3.2 直流伺服电机直流主轴伺服电机的结构 因为要求主轴电机有大的输出功率，所以在结构上不做成永磁式，而与普通励磁直流电机相同，为他激式。其结构示意图如图所示 7.3.2 直流伺服电机直流伺服电机的控制7.3.2 直流伺服电机直流伺服电机的驱动原理伺服电机7.3.2 直流伺服电机7.3.2 直流伺服电机（3）直流电机的工作特性静态特性工作原理：由励磁绕组和磁极建立磁场，通电导体(电枢磁绕)切割

20、磁力线产生电磁转矩，转矩的大小正比于电机中气隙磁场和电枢电流。电磁转矩由下式表示：式中：KT转矩常数； 磁场磁通；Ia电枢电流； TM电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为：式中：Ua电枢上的外加电压；Ra电枢电阻； Ea电枢反电势。7.3.2 直流伺服电机电枢反电势与转速之间有以下关系：式中：Ke电势常数；电机转速(角速度)。根据以上各式可以求得上式表明了电机转速与电磁力矩的关系，此关系称为机械特性，如图所示。7.3.2 直流伺服电机机械特性是静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，稳定运行时，电磁转矩与所带负载转矩相等。当负载转矩为零时，电磁转矩也为零，这时可得0为理想空载转速。当转速为零，即

21、电机刚通电时的启动转矩Ts可由以上式子求得 Ts又称为堵转转矩，式中Ua/Ra为起动时电流，一般直流电机该值很小，因此启动力矩不能满足要求。7.3.2 直流伺服电机当电机带动某一负载TL时，电机转速与理想空载转速会有一个差值，的值表明了机械特性的硬度，越小，机械特性越硬。由上面的式子可得式中，TL为所带负载力矩。的大小与电机的调速范围有密切关系。值大，不可能实现宽范围的调速。进给系统要求很宽的调速范围，为此采用永磁直流伺服电机。7.3.2 直流伺服电机动态特性 电机处于过渡过程工作状态时，其动态特性直接影响着生产率、加工精度和表面质量。直流伺服电机有优良品质。直流电机的动态力矩平衡方程式为式中

22、：TM电机电磁转矩； TL折算到电机轴上的负载转矩； 电机转子角速度； J电机转子上总转动惯量； t时间自变量。7.3.2 直流伺服电机上式表明动态过程中，电机由直流电能转换来的电磁转矩TM，克服负载转矩后，其剩余部分用来克服机械惯量，产生加速度，以使电机由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态。为了取得平稳的、快速的、无振荡的、单调上升的转速过渡过程，要减小过渡过程时间。为此，中小惯量电机采取的措施是，从结构上减小其转子转动惯量J；大惯量电机采取的措施是，从结构上提高起动力矩Ts。7.3.2 直流伺服电机（4）永磁直流伺服电机的工作原理和特性 永磁直流伺服电机(以下均指普通型，即大惯量宽调速永磁直

23、流伺服电机)的工作原理与一般(励磁式)直流电机基本相同，但磁场的建立由永久磁铁实现，当电流通过电枢绕组（线圈）时，电流与磁场相互作用，产生感应电势,电磁力和电磁转矩,使电枢旋转。7.3.2 直流伺服电机永磁直流伺服电机的性能特点低转速大惯量转矩大起动力矩大调速范围大，低速运行平稳，力矩波动小7.3.2 直流伺服电机永磁直流伺服电机的特性曲线1） 转矩-速度特性曲线。它又叫做工作曲线，如右图所示。伺服电机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线分成三个区域 ：I区为连续工作区，II区为断续工作区，III区为瞬时加速和减速区域。7.3.2 直流伺服电机在断续工作

24、区（II区 ），此时电机只能根据负载-工作周期曲线，见图，所决定的允许工作时间和断电时间做间歇工作。 7.3.2 直流伺服电机2）负载-工作周期曲线 该曲线给出了在满足机械所需转矩，而又确保电机不过热的情况下，允许电机的工作时间。因此，这些曲线是由电机温度极限所决定的。 负载-工作周期曲线的使用方法:首先根据实际负载转矩的要求，求出电机在该时的过载倍数Tmd7.3.2 直流伺服电机然后在负载-工作周期曲线的水平轴线上找到实际机械所需要的工作时间tR，并从该点向上作垂线，与所要求的Tmd的那条曲线相交。再从该点作水平线，与纵轴相交的点即为允许的负载工作周期比d。式中：tR电机工作时间； tF电机

25、断电时间。最后可以求出最短断电时间tF 7.3.2 直流伺服电机主轴直流伺服电机工作原理同一般他激励直流电机一样，电枢线圈中的电流与磁场相互作用产生电磁力、电磁转矩。其性能主要表现在转矩-速度特性曲线上，如图所示。（5）主轴直流伺服电机的工作原理和特性7.3.2 直流伺服电机在基本转速nj以下属于恒转矩(T)调速范围，用改变电枢电压来调速；在基本转速以上属于恒功率(P)调速范围，采用控制激磁的调速方法调速。一般来说，恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1：2。直流主轴伺服电机一般都有过载能力，且大都以能过150%(即连续额定电流的1.5倍)为指标。 7.3.3 交流伺服电机交流异步(感应)伺服

26、电机特点：结构简单，制造容量大，主要用在主轴驱动系统中；交流同步伺服电机可方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机构特性和很宽的调速范围，在电源电压和频度固定不变时，它的转速是稳定不变的。与直流伺服电机相比交流伺服电机无如下缺点：电刷和换向器易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流电机的结构复杂，制造困难，材料消耗大，制造成本高。7.3.3 交流伺服电机（1）永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理交流同步伺服电机分为：励磁式和永磁式输出功率范围较宽磁阻式和磁滞式输出功率小 各种交流同步伺服电机的结构均类似，都由定子和转子两

27、个主要部分组成。7.3.3 交流伺服电机永磁交流同步伺服电机由定子、转子和丝三部分组成。结构原理图见图。电枢在定子上，定子具有齿槽，内有三相交流绕组，形状与普通交流感应电机的定子相同。 1定子 2转子 3脉冲编码器 4定子三相绕组 5接线盒永磁交流同步伺服电机的结构7.3.3 交流伺服电机这种结构优点：气隙磁密度较高，极数较多。电机外形呈多边形，且无外壳。转子由多块永磁铁和冲片组成，磁场波形为正弦波。转子结构中还有一类是有极靴的星形转子，采用矩形磁铁或整体星形磁铁。检测元件(脉冲编码器或旋转变压器)安装在电机轴上，它的作用是检测出转子磁场相对于定子绕组的位置。 7.3.3 交流伺服电机1）工作

28、原理 永磁交流同步伺服电机与励磁式交流同步电机相比较 工作原理类似，即转子磁场与定子磁场相互作用的原理。不同的是，转子磁场不是由转子中激磁绕组产生，而是由转子永久磁铁产生。原理图如右。永磁交流同步伺服电机工作原理和性能7.3.3 交流伺服电机根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极就要与转子的永久磁铁磁极互相吸引住，并带着转子一起旋转。因此，转子也将以同步转数ns与定子旋转磁场一起旋转。当转子轴上加有负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不一致（不重合)，相差一个角，负载转矩变化，角也变化。只要不超过一定界限，转子仍然跟着定子以同步转数旋转。设转子转速为n0（r/min），则

29、n0=ns=60f/p 式中：f-电源交流电频率（Hz）；p-转子磁极对数。7.3.3 交流伺服电机永磁交流同步电机的缺点是起动困难。原因：这是由于转子本身的惯量以及定、转子磁场之间转速相差太大，使在起动时,转子受到的平均转矩为零，因此不能自起动。解决方法：不用加起动绕组的办法，而是在设计中设法减低转子惯量，以及在速度控制单元中采取先低速后高速的控制方法等来解决自起动问题。7.3.3 交流伺服电机2）永磁交流同步伺服电机的性能 永磁交流同步伺服电机的性能也用特性曲线和数据表来表示。最主要的是转矩-速度特性曲线，如右图所示。 连续工作区（I）划定的条件有两个：一是供给电机的电流是理想的正弦波；二

30、是电机工作在某一特定温度下。断续工作区(II区)的范围更大，尤其在高速区，这有利于提高电机的加、减速能力。7.3.3 交流伺服电机（2）交流主轴伺服电机的结构和工作原理 交流主轴电机采用专门设计的鼠笼式交流异步伺服电机。 交流主轴伺服电机从结构上分有带换向器和不带换向器两种。通常多用不带换向器的三相感应电机。它的结构是定子上装有对称三相绕组，而在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用金属环把它们连在一起，称为笼式转子。7.3.3 交流伺服电机交流主轴伺服电机结构如图所示。1-交流主轴电机；2-普通交流异步感应电机；3-通风孔7.3.3 交流伺服电机交流主轴伺服电机的性能用特性曲线

31、和数据表来表示，下图给出了功率-速度关系曲线。7.3.3 交流伺服电机交流伺服电机的速度控制 交流伺服电机转速 n 调速的理论基础结论：变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源7.3.3 交流伺服电机调频调压电源的分类可控硅整流器逆变器整流器逆变器电压型变频器方案示意图7.3.3 交流伺服电机电压型变频器工作原理LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABC结论：变频器实现变频调 压的关键是逆变器控 制端获得要求的控制 波形（如SPWM 波）。7.3.3 交流伺服电机驱动原理7.3.3 交流伺服电机IPMPMSM三相220VPG+驱动保护电路开关电源单相220V编码器输入接口FPGA显示、

32、按键光耦26LS3226LS31光耦光耦光耦263DSP(ADSP401)EEPROM串行通讯编码器输出信号输出输入脉冲接口RS232串型接口模拟接口6AT89C527.3.3 交流伺服电机控制波形的实现方式（电机调速的控制方式）：相位控制；矢量变换控制；PWM控制；磁场控制；7.3.4 直线电机随着以高效率、高精度为基本特征的高速加工技术的发展，要求高速加工机床除必须具有适宜高速加工的主轴部件，动、静、热刚度好的机床支撑部件，高刚度、高精度的刀柄和快速换刀装置，高压大流量的喷射冷却系统和安全装置等之外，对高速机床的进给系统也在进给速度、加速度及精度方面提出了更高的要求，由“旋转伺服电机滚珠丝

33、杠”构成的传统直线运动进给方式已很难适应，因此，一种崭新的传动方式应运而生了，这就是直线电机直接驱动系统。工作台床身直线电机7.3.4 直线电机7.3.4 直线电机(1) 直线电机的特点高速响应性 由于系统中取消了响应时间较大的机械传动件(如丝杠等)，使整个闭环伺服系统动态响应性能大大提高。高精度性 由于取消了丝杠等机械传动机构，因而减少了插补时因传动系统滞后所带来的跟随误差。通过高精度(如m级)的直线位移检测元件进行位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。7.3.4 直线电机(1) 直线电机的特点速度快，加减速过程短 机床直线电机进给系统，能够满足60100m/min或更高的超高速切削

34、进给速度。由于具有“零传动”的高速响应性，其加减速过程大大缩短，加速度一般可达到210g(g=9.8m/s2)。运行时噪声低 取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，导轨副可采用滚动导轨或磁悬浮导轨(无机械接触)，使运动噪声大大下降。7.3.4 直线电机(1) 直线电机的特点效率高 由于无中间传动环节，也就取消了其机械摩擦时的能量损耗。动态刚度高 由于没有中间传动部件，传动效率高，可获得很好的动态刚度(动态刚度即为在脉冲负荷作用下，伺服系统保持其位置的能力)。7.3.4 直线电机(1) 直线电机的特点推力平稳 “直接驱动”提高了传动刚度，直线电机的布局，可根据机床导轨的形面结构及其工作台运动时的受力情

35、况来布置，通常设计成均布对称，使其运动推力平稳。行程长度不受限制 通过直线电机的动子(初级)的铺设可无限延长定子(次级)的行程长度，并可在一个行程全长上安装使用多个工作台。7.3.4 直线电机(1)直线电机的特点采用全闭环控制系统 由于直线电机的动子已和机床的工作台合二为一，因此，与滚珠丝杠进给单元不同，直线电机进给单元只能采用全闭环控制系统。7.3.4 直线电机直线电机在机床上的应用存在的问题:由于没有机械联接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块或制动器。当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控制装置具有自动整定功能，因此能快速调机。磁铁(或线圈)对电机部件的吸力很大，因此应注意

36、选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。7.3.4 直线电机（2）直线电机的分类按原理分 直线直流电机、直线交流电机、直线步进电机、混合式直线电机和微特直线电机等。按照励磁方式 可以分为永磁式(同步)和感应式(异步)两种。7.3.4 直线电机（3）直线电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。将左下图所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了右下图所示的直线电机。旋转电机的基本工作原理直线电机的基本工作原理7.4 典型进给伺服系统(位置控制)7.4.1 开环控制步进式进给伺服系统 由步进电机构成的开环控制系

37、统因受所能达到的精度的限制，目前常用于经济型数控或普通机床的数控化改造。采用步进电机开环伺服系统的数控机床，如图所示步进电机由于采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，由步进电机所构成的开环控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑，这个功能由环形脉冲分配器实现。还要求有功率驱动部分。为了保证步进电机不失步地启停，要求控制系统具有升降速控制环节。7.4.1 开环控制步进式进给伺服系统（1）步进电机开环伺服系统设计 步进电机开环系统设计要解决的主要问题：动力计算、传动计算、驱动电路设计或选择。步进电机开环系统参数示意图f脉冲频率（HZ ）步距角（度）Z1、Z2传动齿轮齿数t螺距(mm

38、)脉冲当量（mm）7.4.1 开环控制步进式进给伺服系统传动比选择 为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2应满足与、t之间有如下关系：即：例如： = 0.01 t=6mm =0.757.4.1 开环控制步进式进给伺服系统进给速度F一般步进电机：若：=0.01mm，则：若：=0.001mm，则： 因此，当fmax一定时，Fmax与成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量下的，否则是没有意义的。7.4.1 开环控制步进式进给伺服系统（2）提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施影响步进电机开

39、环系统传动精度的因素：步进电机的步距角精度；机械传动部件的精度；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；传动件和支承件的变形。提高步进电机开环系统传动精度的措施：适当提高系统组成环节的精度；采取各种精度补偿措施。7.4.1 开环控制步进式进给伺服系统7.4.1 开环控制步进式进给伺服系统传动间隙补偿 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。螺矩误差补偿 滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围内的，也就是它的螺距总是存在着

40、一定的误差的，利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精度。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统位置控制 按调节理论可分为开环控制和闭环控制两类； 若按工作原理来分，闭环控制系统又可以分为相位比较伺服系统，幅值比较伺服系统，数字/脉冲比较伺服系统以及全数字控制伺服系统。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统（1）相位比较伺服系统 相位比较伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环控制的伺服系统，是高性能数控机床所使用的一种伺服系统。 它工作可靠，抗干扰性强，精度高，但结构比较复杂，调试也比较困难。 相位比较伺服系统常使用感应同步器和旋转变压器作为检测元件，并以相位方式

41、工作。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统相位比较伺服系统的组成 相位比较伺服系统主要由基准信号发生器、脉冲调相器、鉴相器、伺服放大器、检测元件和执行元件(伺服电动机)等组成。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统相位比较伺服系统的工作原理在伺服系统中，指令脉冲F经脉冲调相器转换为指令相位信号F1(),而感应同步器为相位工作方式，定尺的位置检测信号经整形后得到位置反馈信号F2()，F1()和F2()是两个同频的脉冲信号，它们的相位差反映了指令位置和实际位置的偏差。当指令脉冲F=0且工作台处于静止时，F1()和F2()为两个同频同相的脉冲信号，相位差=0。此时，伺服放大器的速度给定为0，它输出到伺

42、服电动机的电枢电压也为0，工作台保持静止状态。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统当指令脉冲F0时，工作台将从静止状态向指令位置移动。当相位差输出=l20。该信号经放大器放大后，驱动伺服电动机使工作台正向进给。当相位差=l2=0，则说明工作台实际进给位置已到达指令规定的位置。此时，伺服电动机停止对工作台的驱动，工作台停止在指令规定的位置上。工作台反向进给原理与正向进给时相同。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统（2）幅值比较伺服系统 幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的半闭环控制系统，简称幅值伺服系统。7.4.2 闭环、

43、半闭环进给伺服系统如下图所示是一个采用旋转变压器作为位置检测元件的幅值比较伺服系统原理框图，其由鉴幅器和电压频率变换器组成的位置测量信号处理电路、比较器、励磁电路、伺服放大器和伺服电机共五部分组成。 7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统幅值比较伺服系统与相位伺服系统的区别 所用的位置检测元件工作在幅值工作方式，除感应同步器外，旋转变压器和磁栅都可用于幅值比较伺服系统。另外，比较器比较的是数字脉冲量，不是相位信号，所以不需要基准信号。进入比较器的脉冲信号有两路，一路是来自数控装置的指令脉冲，另一路是来自测量信号处理电路的反馈脉冲，两路脉冲信号在比较器中直接进行脉冲数量的比较。7.4.2 闭环、半

44、闭环进给伺服系统工作原理： 位置检测装置将测量出的实际位置转换成测量信号幅值的大小，再通过测量信号处理电路，将幅值的大小转换成反馈脉冲频率的高低。一路反馈脉冲信号进人比较器，与指令脉冲信号进行比较，从而得到位置偏差，经D/A转换、伺服放大后作为驱动伺服电机的信号，伺服电机带动工作台移动，直到比较器输出信号为零时停止；另一路反馈脉冲信号进人励磁电路，控制产生幅值工作方式的励磁信号。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统在幅值比较伺服系统中，鉴幅器即是解调电路，主要由低通滤波器、放大器和检波器组成。它的功能是对位置测量元件输出的代表工作台实际位移的电压信号进行滤波、放大、检波、整流，变成正、负与工作

45、台移动方向相对应、幅值与工作台位移成正比的直流电压信号。电压频率变换器的作用是根据输入的电压值，产生相应的脉冲。输入电压为正时，输出正向脉冲;输入电压为负时，输出负向脉冲，输入为0时，不产生任何脉冲。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统励磁电路的任务是根据电压频率变换器输出脉冲的多少和方向，生成测量元件所需的励磁电压信号Us=Umsinsint和Uc=Umcossint，其中电气角的大小由脉冲的多少和方向决定，Us和Uc的频率及周期根据要求可用基准信号的频率和计数器的位数调整、控制。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统（3）数字/脉冲比较伺服系统数字脉冲比较伺服系统结构比较简单，常采用光电编码

46、器、光栅作位置检测装置，以半闭环的控制结构形式构成的数字脉冲比较伺服系统较为普遍。半闭环数字脉冲比较伺服系统原理框图7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统数字脉冲比较伺服系统的特点是指令脉冲信号与位置检测装置的反馈脉冲信号在比较器中是以脉冲数字的形式进行比较。数字脉冲比较电路的基本组成有两个部分：一是脉冲分离电路，二是可逆计数器7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统应用可逆计数器实现脉冲比较的基本要求是：当输入指令脉冲为正Pc+或反馈脉冲为负Pf-时，可逆计数器作加法计数器;当指令脉冲为负Pc-或反馈脉冲为正Pf+时，可逆计数器作减法计数。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统(4) 全数字控制伺服

47、系统全数字控制伺服系统的工作原理 全数字数控是用计算机软件实现数控的各种功能，完成各种参数的控制。在数控伺服系统中，主要表现在位置环、速度环和电流环的数字控制。现在，不但位置环的控制数字化，而且速度环和电流环的控制也全面数字化。数字化控制发展的关键是依靠控制理论及算法、检测传感器、电力电子器件和微处理器功能等的发展。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统全数字伺服控制系统7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统全数字控制伺服系统的特点采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳最优控制。数字伺服系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两个基本环节组成。离散系统的校正环节的比例(P)、积分(I)、微分(D

48、)控制，即PID控制可由软件实现。由位置、速度和电流构成的三环反馈实现全部数字化，由计算机处理。数字伺服系统具有较高的动、静态精度。在检测灵敏度、时间及温度漂移以及噪声及外部干扰等方面都优越于模拟伺服系统和模拟数字混合伺服系统。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统高速、高精度伺服系统的发展 数字伺服系统可以利用计算机和软件技术采用以下新的控制方法改善系统性能。1）前馈控制(Feedforword Control)引入前馈控制 这种系统在理论上可以完全消除系统的静态位置误差，即实现“无差调节”。微分环节的前馈控制可以补偿积分环节的相位滞后，从而提高控制精度。2）预测控制(Predictive C

49、ontrol) 这是目前用来减小伺服误差的另一方法。它是通过预测整个机床的伺服传递函数，再改变伺服系统的输入量，以产生符合要求的输出。7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统 一种全数字、采用脉宽调制（PWMpulse width modulation）控制的位置伺服系统如下图所示。 NC装置单片微机位置速度电流控制(PWM输出)晶体管放大器电流检测整形.信频.辨向A.B工作台PG电压7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统3）学习控制(Learning Control)或重复控制(Repetitive Control) 这种控制方法适用于周期性重复操作指令情况下的数控加工，可以获得高速、高精度的效果

50、。 它的工作原理是：在第一个加工过程中产生的伺服滞后误差，经过“学习”，系统能记住这个误差，在第二次重复这个加工过程中做到精确、无滞后地跟踪指令。“学习控制”是一种智能型的伺服控制。 7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统典型闭环伺服系统以半软件型位置伺服系统为例+调节运算零漂补偿硬件速度控制与驱动单元D/A软件位置控制ZA、BD0-+-F/V倍频计数器工作台PG电机+DAV1SV0U0UADU实际位置计算DA指令位置计算D0 / nZ7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统指令位置计算（含反向间隙、螺距误差补偿、限位处理）实际位置计算（反馈累积）跟随误差计算调节运算零点漂移补偿位置控制软件部分的任

51、务：7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统指令位置计算（反向间隙、螺距误差补偿、限位处理）：开始超程报警处理执行下一个任务NY7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统实际位置计算（反馈累积）跟随误差计算调节运算零点漂移补偿7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统 硬件部分的任务系 统 总 线数 字 接 口计 数 器锁 存 器光 电 隔 离 器 件D/A转换器方向控制与 功率放大频率/电压（F/V） 转换电路方向控制与功率放大展宽选通电路反馈脉冲倍频电路幅值比较电路位置反馈脉冲速度反馈电压速度指令电压CKABZQU0AA*BB*ZZ*UAZV0+-DA-+7.4.2 闭环、半闭环进给伺服系统+调节运算零漂补偿硬件速度控制与驱动单元D/A软件位置控制ZA、BD0-+-F/V倍频计数器工作台PG电机+DAV1SV0U0UADU实际位置计算DA指令位置计算D0 / nZ7.5 伺服系统性能分析、 控制系统的一般结构及传递函数R(S)输入信号C(S)输出信号E(S)偏差信