第五章_数控机床的伺服系统.

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1、第五章第五章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 数控伺服系统数控伺服系统是指以机床运动部件是指以机床运动部件( (如工作台、主轴和刀具等如工作台、主轴和刀具等) )的的位置和速度位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。 数控伺服系统的作用数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。运动，并保证动作的快速性和准确性。 伺服系统既是数控机床控制器与刀具

2、、主轴间的信息传递环节，伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。一。第一节 概述伺服系统的主要功能伺服系统的主要功能: :从数控系统接收微小的电从数控系统接收微小的电控信号（控信号（5V5V左右，左右，mAmA级），放大成强电的驱动信号级），放大成强电的驱动信号（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行

3、元件行元件伺服电动机，将电控信号的变化，转换成伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动第一节 概述CNCCNC装置装置伺服驱动伺服驱动器器伺服电机伺服电机数控机床数控机床第一节 概述一、数控机床对数控伺服系统的要求一、数

4、控机床对数控伺服系统的要求 1 1、精度高、精度高 由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加工质量，要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要工质量，要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要求定位精度为求定位精度为0.0010.001-0.01mm-0.01mm，高档设备达到高档设备达到0.10.1mm以上。速度以上。速度控制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力，以保证动、控制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力，以保证动、静态精度较高。静态精度较高。2 2、快速响应特性好、快速响应特性好 快速响应是伺服系统动态品质

5、的标志之一，反映系统的跟快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且踪精度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在响应要快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在2020msms以以内，在短时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差内，在短时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差小，反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。小，反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。 第一节 概述3 3、调速范围宽、调速范围宽 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控由于工件材

6、料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。既满足高速加工要求，又满足低速进给要求。足够的调速范围。既满足高速加工要求，又满足低速进给要求。在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转距。在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转距。4 4、系统可靠性好、系统可靠性好 数控机床的使用率很高，常常是数控机床的使用率很高，常常是2424h h连续工作不停机，因而连续工作不停机，因而要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔

7、的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠的平均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠性越好。性越好。 第一节 概述 执行元件及其驱动控制单元执行元件及其驱动控制单元必不可少。驱动控制单元将进给必不可少。驱动控制单元将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。转化为相应的机械位移。 开环伺服系统开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机。执行元件选用步进电动机。 闭环（半闭环）伺服系统闭环（半闭环）伺

8、服系统由执行元件、驱动控制单元、机床由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。二、数控机

9、床伺服系统的基本组成二、数控机床伺服系统的基本组成 伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；开环伺开环伺服系统服系统和和闭环伺服系统闭环伺服系统。 开环开环伺服系统伺服系统闭环闭环伺服系统伺服系统第一节 概述数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成 第一节 概述三、数控机床伺服驱动系统的分类三、数控机床伺服驱动系统的分类 按控制原理和有无位置反馈装置分为按控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺开环和闭环伺服系统服系统；按用途和功能分为；按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动进给驱动系统和主轴驱动系统系统；按驱动执行元件的动作原理分为；按驱动执行元件的

10、动作原理分为电液伺服驱动电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统伺服系统。第一节 概述驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲1.1.开环和闭环控制开环和闭环控制(1) (1) 开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装置。（信号流是单向的）置。（信号流是单向的）数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进数控系统发出指令脉冲经

11、过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移大小。而决定了工作台的位移大小。开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取决于步进电机的