数控机床的进给伺服系统培训教程

第五章数控机床的进给伺服系统内容提要进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。1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。2第一节概述一、进给伺服系统的定义及组成.定义

进给伺服系统(FeedServoSystem)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。3组成：

位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。实际速度反馈位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-机械执行部件CNC插补指令+-电机4二、NC机床对数控进给伺服系统的要求1.调速范围要宽且要有良好的稳定性

调速范围：

一般要求：

稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。52.输出位置精度要高▢静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)▢

动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。(轮廓精度)

▢灵敏度要高，有足够高的分辩率。6负载特性要硬

▢当负载变化时，输出速度应基本不变，即△F尽可能小；▢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；▢应有足够的过载能力。即，要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。

tF△t△F7响应速度快且无超调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。通常要求从0→Fmax（Fmax→0），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。tFtp8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。5.能可逆运行和频繁灵活启停。6.系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。9第二节进给伺服驱动系统、概述

1.进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的驱动电机及其控制和驱动装置组成。2.驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有：步进电机

直流伺服电机交流伺服电机直线电机103.速速度度单单元元是是上上述述驱驱动动电电机机及及其其控控制制和和驱驱动动装装置置，通常常驱驱动动电电机机与与速速度度控控制制单单元元是是相相互互配配套套供供应应的的，，其其性性能能参参数数都都是是进进行行了了相相互互匹匹配配，，这这样样才才能能获获得得高高性性能能的的系系统统指指标标。。4.速速度度控控制制单单元元主主要要作作用用：接受受来来自自位位置置控控制制单单元元的的速速度度指指令令信信号号，，对对其其进进行行适适当当的的调调节节运运算算(目的是稳速速)，将其变换成成电机转速的的控制量(频率，电压压等)，再经功率放大大部件将其变变换成电机的的驱动电量，，使驱动电机机按要求运行行。即，调节、变换、、功放。11进给驱动系统统的特点（与与主运动（主主轴）系统比比较）：功率相对较小小；控制精度要求求高；控制性能要求求高，尤其是是动态性能。。12、步进电机及及其驱动装置置步进电机流行于70年年代，该系统统结构简单、、控制容易、、维修方面，，且控制为全全数字化。随随着计算机技技术的发展，，除功率驱动动电路之外，，其它部分均均可由软件实现，从而进一步步简化结构。。因此，这类类系统目前仍仍有相当的市市场。目前步步进电机仅用于小容量、、低速、精度度要不高的场场合，如经济型数控控、打印机、、绘图机等计计算机的外部部设备。131415步进电机是一一种将电脉冲冲信号转化为为机械角位移移的电磁机械械装置。由于所用电源源是脉冲电源源，所以也称称为脉冲马达。步进电机和一一般电机不同同，一般电机机通电后连续续转动，而步步进电机则随随输入的脉冲冲按节拍一步步一步地转动动。对步进电电机施加一个个电脉冲信号号时，步进电电机就旋转一一个固定的角角度，称为一步。每一步所转转过的角度叫叫做步距角。▢步进电机16步进电机的角角位移量和输输入的脉冲数数成正比。在在时间上与输输入的脉冲同同步。因此，只需要控制输输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可以获得所所需要的转角、转速及转动方向。在无脉冲输入入时，步进电电机在绕组电电源激励下，，气隙磁场能能使转子保持持原有的位置置而处于定位位状态。▢步进电机17▢步进电电机的分类按运动方式分分：旋转运运动、直线运运动式步进电电机按工作原理分分：反应式（磁阻阻式）、电磁磁式、永磁式式；按结构分：单段式（径向向式）、多段段式（轴向式式）按使用场合分分：功率步步进电机和控控制步进电机机；按相数分分：三三相、、四相、、五相、、六相、、八相等等按使用频频率分：：高频频率和低低频步进进电机不同的步步进电机机，其工工作原理理、驱动动装置也也不完全全一样。。18▢步进电机机的工作作原理如图所示示，三相反应应式步进进电机工工作原理理图。由转子和和定子组组成。定定子上有有A、B、、C三对对磁极绕绕组，分别为为A相、B相、C相。转子是硅钢片片软磁材材料迭合合成的带带齿廓形形状的铁铁心。如果在定定子上的的三对绕绕组中通通直流电电流，就就会产生生磁场。。B相通电电A相通电电C相通电电19BACBCABACBCABACBCA12341234逆时针回转300逆时针回转300当A、B、C三对磁极极的绕组组依次轮轮流通电电，则A、B、、C三对对磁极依依次产生生磁场吸吸引转子子转动。。√当A相通通电时，，B相和C相不通通电，电电机铁心心的AA轴方向向产生磁磁通，在在磁拉力力的作用用下，转转子1、、3齿与与A相磁磁极对齐齐，2、、4两齿齿与B、、C两磁磁极相对对错开30020√当B相通通电时，，C相和A相断电电，电机机铁心的的BB轴轴方向产产生磁通通，在磁磁拉力的的作用下下，转子子沿逆时时针方向向旋转300，2、4齿与B相相磁极对对齐。1、3两两齿与C、A两两磁极相相对错开开300√当C相通通电时，，A相和B相断电电，电机机铁心的的CC轴轴方向产产生磁通通，在磁磁拉力的的作用下下，转子子沿逆时时针方向向旋转300，1、3齿与C相相磁极对对齐。2、4两两齿与A、B两两磁极相相对错开开300若按A

B

C。。。通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步进电机沿逆时针方向转动300，即步距角为300。21若按ACB。。。进行，则则转子沿沿顺时针针方向旋旋转。上述通电电方式称称为三相单三三拍通电方式式。所谓“单单”是指指每次只只有一相相绕组通通电的意意思。√“一拍””——从一一相通电电换接到到另一相相通电称称为一拍拍。√“三拍””——每一一拍转子子转过一一个步距距角，这这样“三三拍”是是指通电电换接三三次后完完成一个个通电周周期。三相六拍拍通电方方式———即按AABBBCCCA相序通电电。（见见下图））22B相通电BC相通电C相通电AB相通电A相通电CA相通电工作原理理：当A相通通电，1、3齿齿与A相磁极极对齐。当A、、B两相相同时通通电，因因A极吸吸引1、、3齿，，B极吸吸引2、、4齿，，转子逆逆时针旋旋转150。随着A相断电电，只有有B相通通电13A吸1、、3两齿齿A吸1、、3两齿齿B吸2、、4两齿齿B吸2、、4两齿齿B吸2、、4两齿齿C吸1、、324C吸1、、3A吸2、、4C吸1、、323转子又逆逆时针转转150，2、4齿齿与B相相磁极对对齐，如果继继续按BCCCAA。。。。相序通电电，步进进电机就就沿着逆逆时针方方向，以以150的步距角角一步一一步移动动。这种通电电方式采采用单、双相相轮流通通电，在通电电换接时时，总有有一相通通电，所所以工作作较平稳稳。实际使用用的步进进电机，，一般都都要求有有较小的的步距角角，因为为步距角角越小所所达到的的位置精精度越高高。以上所述述，步进电机机的步距距角大小小不仅与与通电方方式有关关，还与与转子的的齿数有有关。计算公式式为：mzk360=m——定定子励磁磁绕组相相数Z——转转子齿数数K——通通电方式式，单为为1，双双为224步进电机机转速计计算：360o=n60f=6fo式中：n——转转速（r/min);f——脉脉冲频率率，即每每秒输入入步进电电机的脉脉冲数；；———用度数数表示的的步距角角。式中，当转子的的步距角角一定时时，步进进电机的的转速与与输入的的脉冲频频率成正正比。25步进电机机的特点点：（1）步步进电机机的输出出转角与与脉冲频频率严格格成正比比，所以以控制输输入步进进电机的的脉冲个个数就能能控制位位移量。。（2）步步进电机机的转速速与输入入的脉冲冲频率成成正比，，只要控控制脉冲冲频率就就能调节节步进电电机的转转速。（3）当当停止送送入脉冲冲时，只只要维持持绕组内内电流不不变，电电机轴可可以保持持在某固固定位置置上，不不需要机机械装制制装置。。（4）改改变通电电相序即即可改变变电机转转向。（5）步步进电机机存在齿齿间相邻邻误差，，但不存存在累积积误差26第三节典典型进进给伺服服系统(位置控控制)一、开环环进给伺伺服系统统(Open-LoopSystem)不带位置置测量反反馈装置置的系统统；驱动电机机只能用用步进电电机；主要用于于经济型型数控或或普通机机床的数数控化改改造A’相、B’相C’相、…A相、B相C相、……f、nCNC插补指令令脉冲频率率f和脉脉冲个数数n换算脉冲环形形分配变变换功率放大大步进电机机27.步步进电机机开环系系统设计计要解决的的主要问问题：①动力计计算②②传传动计算算③③驱动电电路设计计或选择择目的：传传动计算算选择合合适的参参数以满满足脉冲当量量和进给速度度F的要求。。图中：f—脉脉冲频率率（HZ）α—步步距角（（度））Z1、Z2—传动动齿轮齿齿数t—螺螺距(mm)—脉冲冲当量（（mm）步进电机Z1Z2tf，28传动比选选择：为了凑脉冲当当量mm，也也为了增大传递递的扭矩矩，在步进进电机与与丝杆之之间，要要增加一一对齿轮传动动副，那么，，传动比比i=Z1/Z2与α、、t之间有如如下关系系：α—步距距角，－－脉脉冲当量量，t－－丝丝杠导程程。29例1：=0.01mm,t=6mm,α=0.75°步进电机Z1Z2tf，30进给速度度F：一般步进进电机：若：δ=0.01mm则则：若δδ=0.001mm则则：因此，当一一定时时，与与δ成成正比，故我们们在谈到到步进电电机开环环系统的的最高速速度时，，都应指指明是在在多大的的脉冲当当量δ下下的,否否则是没没有意义义的。31.提提高步进进电机开开环伺服服系统传传动精精度的措措施▢概述影响步进进电机开开环系统统传动精精度的因因素：步进电机机的步距角精精度；机械传动动部件的的精度；丝杆等机机械传动动部件、、支承的的传动间隙隙；传动件和和支承件件的变形。提高步进进电机开开环系统统传动精精度的措措施适当提高高系统组组成环节节的精度度；采取各种种精度补补偿措施施。32▢传动间隙隙补偿在整个行行程范围围内测量量传动机机构传动动间隙，，取其平平均值存存放在数数控系统统中的间间隙补偿偿单元，，当进给给系统反反向运动动时，数数控系统统自动将将补偿值值加到进进给指令令中，从从而达到到补偿目目的。▢螺螺距误差差补偿利用计算算机的运运算处理理能力，，可以补补偿滚珠珠丝杠的的螺距累积积误差，以提高高进给位位移精度度。方法：首先测量量出进给给丝杠螺螺距误差差曲线(规律)，然后后可采用用下列两两种方法法实现误误差补偿偿：硬件件补偿、、软件补补偿。33例2设X-Y工作作台由步步进电机机直接经经丝杆螺螺母副驱驱动，丝丝杆螺距距为5mm，步步进电机机步距角角为150，工作方方式三相相六拍，，工作台台最大行行程为400mm，求求：（1）脉脉冲当量量；（2）微微机发出出的脉冲冲总数是是多少？？步进电机Z1Z2tf，34(2)计计算脉冲冲数n，，由n=L(工作台台最大行行程）所以，，脉冲冲数为为：n=L/=400/0.02083=19200步解：（1））由计计算脉脉冲当当量：360=L0已知，，L0=5mm，，=150求脉冲冲当量量=？？=5/3601.5=0.02083(mm)35例3步进电电机直直接经经丝杆杆螺母母驱动动工作作台，，步进进电机机步距距角0.720,工作作台质质量为为100kg，，负载载质量量为50kg，，切削削负载载为4000N，丝丝杆螺螺距为为5mm，，如果果步进进电机机从500Hz线性性加速速到2000Hz，，加速速时间间为0.2S，，求步步进电电机的的驱动动转距距？解：（1）忽略滚滚珠丝丝扛及及电机机的转转动惯惯量，，则折折算到到电机机轴上上等效效转动动惯量量：V=f·=5000.01=5mm/s360=L0=0.01mmJ=m(V)236J=m(V)2所以，，=（100+50））（5/2）=95.0810-6(kg.m)22(2)求电电机轴轴的等等效转转矩：：T=F（（））VF———为切切削负负载4000N;V———5mm/s=4000（5/2）=3184.7N.mm=3.184N.M(3)步进进电动动机的的角加加速度度：=ddt=dfdt=(t–0)t23600.72.=2000–5000.223600.72=94.2rad/s237所以，，步进电电机的的启动动转矩矩为：：TqT+JT———等效效转矩矩；J———空载启启动时时,产产生最最大加加速度度所需需的转转矩;——步进电电动机机的角角加速速度。。所以，，TqT+J=3.184+95.0810-694.2=3.27N·m38例4一台五五相步步进电电机，，五相相五拍拍运行行时其其步距距角是是1.50，此电电动机机转子子上应应有几几个齿齿？齿齿距角角是多多少？？此电电动机机若按按十拍拍运行行，齿齿距角角度是是多少少度？？按五五拍和和十拍拍运行行时，，每走走一步步对应应的电电角度度是多多少？？解：（（1））步距距角：：360=mKz0Z———齿数数；m———相数数；K———1五五拍（（单拍拍）2十十拍（（双拍拍）39所以，，五拍运运行时时：360=mKz0=1.50K=1m=5Z=3600/51=48齿十拍运运行时时：360=52480=0.750(2)齿距距角：c=360480=7.50齿距角角的电电角度度：e=360mK0五拍运运行时时：e=360510=72040十拍运运行时时：e=36052=360041例5设有一一步进进电机机驱动动的工工作台台，步步进电电机通通过减减速齿齿轮副副驱动动滚珠珠丝杆杆，其其参数数符号号如下下：脉脉冲当当量，滚滚珠丝丝杆的的基本本导程程为L。步步进电电机的的步距距角为为，，减速速齿轮轮比为为1：：i。。问题题：（1））试写写出、、、L、i之间间的的关系系；（2））若=0.001mm，L。。=5mm;减减速比比为1：5，问问选择择步进进电机机的步步距角角应为为多少少？42360=L0i=36050.001/5=0.36

0

0360=L00i解：（（1））求脉脉冲当当量：：(2)步步进电电机的的步距距角4344二、直直流伺伺服电电机及及驱动动直流电电机的的工作作原理理是建建立在在电磁磁力定定律基基础上上的，，电磁磁力的的大小小正比比于电电机中中的气气隙磁磁场，，直流流电机机的励励磁绕绕组所所建立立的磁磁场是是电机机的主主磁场场，按按对励励磁绕绕组的的励磁磁方式式不同同，直直流电电机可可分为为：他励式式、并并励式式、串串励式式、复复励励式、、永永磁磁式。。20世世纪80~90年代代中期期，永永磁式式直流流伺服服电机机在NC机机床中中广泛泛采用用。45直流伺伺服电电机的的特点点过载倍倍数大大，时时间长长；具有大大的转转矩/惯量量比，，电机机的加加速大大，响响应快快。低速转转矩大大，惯惯量大大，可可与丝丝杆直直接相相联，，省去去了齿齿轮等等传动动机构构。可可提高高了机机床的的加工工精度度。调速范范围大大，与与高性性能的的速度度控制制单元元组成成速度度控制制系统统时，，调速速范围围超过过1∶∶2000。46直流伺伺服电电机具具有优优良的的调速速性能能，80年代代初至至90年代代中，，在要要求调调速性性能较较高的的场合合，直直流伺伺服电电机调调速系系统的的应用用一直直占据据主导导地位位。但但其却却存在在一些些固有有的缺缺点，，即：：电刷和和换向向器易易磨损损，维维护麻麻烦结构复复杂，，制造造困难难，成成本高高而交流流伺服服电机机则没没有上上述缺缺点。。特别别是在在同样样体积积下，，交流流伺服服电机机的输输出功功率比比直流流电机机提高高10%～～70%，，且可可达到到的转转速比比直流流电机机高。。因此此，人人们一一直在在寻求求交流流电机机调速速方案案来取取代直直流电电机调调速的的方案案。471.分分类类三、交交流伺伺服电电机及及驱动动48调频调调压电电源的的分类类可控硅硅整流流器逆变器器整流器器逆变器器电压型型变频频器方方案示示意图图49电压型型变频频器工工作原原理LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABC结论：：变频器器实现现变频频调压压的关关键是是逆变变器控控制端端获得得要求求控制制波形形（如如SPWM波））。50控制波波形的的实现现方式式（电机机调速速的控控制方方式））：相位控控制矢量变变换控控制PWM控制制磁场控控制512.闭闭环环、半半闭环环进给给伺服服系统统▢闭环进进给伺伺服系系统的的实现现方案案分类类和特特征按系统统的控控制信信号类类型分分：模拟型型系统统、数数字型型系统统。模拟型型系统统：特征：：这类类系统统全部部采用用模拟拟元件件构成成；其其输入入（控控制））信号号、输输出的的位置置、速速度信信号也也是模模拟量量；速速度和和位置置检测测元也也是模模拟式式的。。52优点：抗干扰扰能力力强，，一般般不会会因峰峰值误误差导导致致致命的的误动动作。。可用常常规仪仪器仪仪表（（示波波器，，万用用表等等）直直接读读取信信息，，易易于随随时把把握系系统工工作的的基本本情况况。53缺点：：对弱信号号信噪分分离困难难，控制制精度的的提高受受到限制制。在零点附附近容易易受到温温度漂移移的影响响，使位位置控制制产生漂漂移误差差。位置、速速度调节节器的结结构和参参数调整整困难，，适应负负载变化化的能力力较差。。模拟系统统这种本本质缺陷陷，使它它很难满满足高精精度位置置伺服控控制的要要求，目目前已逐逐渐被数数字伺服服系统所所取代。。54数字型系系统：特征：这类系统统是指至至少其位置环控制与调调节采用用数字控控制技术术，即位位置指令令和反馈馈信号都都不再是是模拟信信号改改用数字字信号（（逻辑电电平脉冲冲信号））的系统统。55特点：可以通过过增加数数字信息息的字长长，来满满足要求求的控制制精度。。对逻辑电电平以下下的漂移移、噪声声不予响响应，零零点定位位精度可可以得到到充分保保证。容易对其其结构和和参数进进行修改改（根据据控制要要求），，且易于于与计算算机进行行数据交交换。噪声峰值值大于逻逻辑电平平时，对对数据的的最高位位和最低低位的干干扰出错错程序是是相同的的，这种种错误可可能导致致系统致致命的危危害。传送数据据的数字字电路要要求具有有很宽的的频带。。以保证证脉冲上上、下降降沿有足足够的陡陡峭度。。抑制干扰扰、防止止数据出出错，是是数字伺伺服系统统设计成成功的关关键。56.数字伺服服系统的的类型57全硬件伺伺服系统统全硬件伺伺服系统统又称脉脉冲比较较伺服系系统，其其典型的的组成方方式如图图所示：：_NC装置置－F/V偏差计数器D/A速度控制制与驱动动单元A、B、、Z++_++－整形.倍倍频.辨辨向工作台PG电压Z58构成：该系统中中，位置置闭环的的控制与与调节运运算主要要由偏差差计数器器（一般般为可逆逆计数器器）和D/A完完成。柔性差：：系统全由由硬件构构成，使使得它的的各调节节器参数数在机电电联调整整定后就就固定下下来了，，不易改改变，这这对负载载惯量变变化不大大的位置置伺服系系统（如如车床刀刀架进给给控制）），可获获得满意意的控制制性能指指。而对对某些负负载惯量量较大的的系统，，则很难难在整个个范围内内（负载载惯量变变化）都都获得满满意的控控制效果果。59零漂将影影响精度度：这类系统统依靠D/A，，将位置置调节输输出的数数字量转转化成模模拟电压压作速度度指令信信号。提提供给速速度伺服服单元，，因此，，其零点点漂移将将影响定定位精度度。60+调节运算算零漂补偿偿硬件速度控制制与驱动单元D/A软件位置控制制ZA、BD0-++-F/V倍频计数器工作台PG电机+DAV1△SV0U0UA△D△U实际位置置计算△DA指令位置置计算△D0/nZ半软件型型伺服系系统61位置控制制的软件件现可以以由NC装置的的CPU实现，，也可以以由位置置控制板板上自带带的CPU实现现。位置控制制的调节节运算部部分由软软件实现现，增加加了灵活活性：调节器的的参数可可以通过过进行修修改、设设定调节算法法可以采采用较复复杂的算算法，以以提高控控制性能能（变结结构、变变增益））可增加许许多辅助助功能（（故障诊诊断、脉脉冲当量量变换等等）零点漂移移可通过过软件进进行补偿偿62由于其速速度单元元仍是模模拟型的的，全硬硬件型系系统中存存在的问问题并未未明显解解决，如如它的内内环参数数（速度度、电流流）和位位置环中中D/A转换器器的位数数依然是是固定的的。因此此难以兼兼顾负载载惯量大大的变化化。由于利用用软件采采用一些些补偿措措施，这这就使得得半软件件位置伺伺服系统统的位置置控制精精度和控控制性能能要高于于全硬件件型的位位置伺服服系统。。63全软件位位置伺服服系统除电流环仍为模拟拟结构外外，位置、速度控制制均由微机机通过控控制软件件来实现现，系统统组成如如图所示示：NC系统统微机位、、速度控控制(D/A输出)模拟电流流控制与与功放整形.倍倍频.辨辨向A、BZ工作台PG电压64图中的微微机位置置、速度度控制既既可以是是单微机机，又可可以是双双微机（（一个是是位置控控制，另另一个是是速度控控制）。。不过系系统中的的微机常常由单片片机来构构成。由于微机机的应用用，使系系统的控控制更加加灵活，，其特点点是：位置、速速度调节节器的结结构和参参数可以以按工作作环境自自动进行行切换，，使之适适应负载载变化的的能力显显著增强强，应用用优化理理论还可可使调节节器的参参数自动动化，使使系统可可驱动不不同的执执行机械械，通用用化程度度大大提提高。其余与半半软件型型系统相相同。65这种系统统的输出出通过D/A转转换成模模拟电压压作为电电流指令令送往模模拟电流流环，这这样，模模拟量的的零点漂漂移只会会使电流流指令产产生微小小的变化化，一般般这种变变化不足足以产生生驱动伺伺服电机机运动的的力矩，，也不会会对位置置控制精精度产生生不良影影响。66由于电流流环的结结构和参参数还是是固定的的，所以以还不能能通过微微机改变变控制策策略，以以获得较较理想的的控制效效果。由于该系系统工作作可靠，，结构紧紧凑，控控制性能能也优于于前述两两种系统统，使得得它在