数控机床的伺服系统和常用驱动元件(ppt 60页)
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数控机床的伺服系统
第七章 数控机床的伺服系统
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂， 价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交 流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服 电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修， 制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速 度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统， 交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。
第七章 数控机床的伺服系统
进给伺服系统的作用：接受数控装臵发出的进给速度和位 移指令信号，由伺服驱动装臵作一定的转换和放大后，经伺服 电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机 构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行 部件的运动速度与位臵，以及几个执行部件按一定规律运动所 合成的运动轨迹。如果把数控装臵比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的 “四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随 者。
第七章 数控机床的伺服系统
二、步进电机工作原理
步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中， 步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一 定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带 动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数 量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序 来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由 于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定， 速度也受到步进电机性能的限制。
第七章 数控机床的伺服系统
直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直 演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动 能的一种推力装臵，是一种较为理想的驱动装臵。在机床进给 系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是 取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传 动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动 机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机 床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。 随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相 信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。
第4章 数控机床伺服系统
图4-7 永磁直流伺服电动机
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
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式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
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第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
伺服电动机PPT课件
2）磁场控制：通过改变励磁电压大小和方向来改变直 流伺服电动机的转速和转向。（信号加在励磁绕组两端）
采用电枢控制时，其机械特性方程为：
n=
Uc Ce
Ra CeCt 2
T
励磁绕组接与恒压直流电 源Uf上，流过恒定励磁电 流If，产生恒定磁通Φ，将 控制电压Uc加在电枢绕组 上来控制电枢电流Ic，进 而控制电磁转矩T杯型转子
2.工作原理
工作时，在励磁绕组上加单相交流
电Uf，在控制绕组上加控制信号电压 Uc，二者同频率，由于电流If和Ic在相 位上相差90°，它们产生的磁通Φf和 Φc在相位上也相差90°，于是在空间 产生一个两相旋转磁场。此时交流伺
服电动机的转子向某一个方向旋转。
当控制信号电压为零时，如果转子是
“伺服”的含义 Servomechanism “伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。
伺服电机（servo motor ）又称执行电动机，在自动控 制系统中，它的转矩和转速受信号电压控制。当信号电压 的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动方向将非 常灵敏和准确地跟着变化。当信号消失时，转子能及时地 停转。
(2)转子的惯性小，即能实现迅速起动、停转。 (3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。 (4)无“自转”现象，伺服电动机在控制电压消失后，应 立即停转；
伺服电动机典型生产厂家 德国西门子，产品外形有：
伺服电机
伺服电机驱动器
日本松下及安川，产品外形有：
松下交流伺服电机及驱动器
安川伺服电机驱动器
驱动器
复习
1．熟悉交流伺服电动机的结构、原理和特点。 2. 熟悉直流伺服电动机的结构、原理和特点。 3．掌握伺服电动机的维护方法。 4．了解伺服驱动器。
采用电枢控制时，其机械特性方程为：
n=
Uc Ce
Ra CeCt 2
T
励磁绕组接与恒压直流电 源Uf上，流过恒定励磁电 流If，产生恒定磁通Φ，将 控制电压Uc加在电枢绕组 上来控制电枢电流Ic，进 而控制电磁转矩T杯型转子
2.工作原理
工作时，在励磁绕组上加单相交流
电Uf，在控制绕组上加控制信号电压 Uc，二者同频率，由于电流If和Ic在相 位上相差90°，它们产生的磁通Φf和 Φc在相位上也相差90°，于是在空间 产生一个两相旋转磁场。此时交流伺
服电动机的转子向某一个方向旋转。
当控制信号电压为零时，如果转子是
“伺服”的含义 Servomechanism “伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。
伺服电机（servo motor ）又称执行电动机，在自动控 制系统中，它的转矩和转速受信号电压控制。当信号电压 的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动方向将非 常灵敏和准确地跟着变化。当信号消失时，转子能及时地 停转。
(2)转子的惯性小，即能实现迅速起动、停转。 (3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。 (4)无“自转”现象，伺服电动机在控制电压消失后，应 立即停转；
伺服电动机典型生产厂家 德国西门子，产品外形有：
伺服电机
伺服电机驱动器
日本松下及安川，产品外形有：
松下交流伺服电机及驱动器
安川伺服电机驱动器
驱动器
复习
1．熟悉交流伺服电动机的结构、原理和特点。 2. 熟悉直流伺服电动机的结构、原理和特点。 3．掌握伺服电动机的维护方法。 4．了解伺服驱动器。
机床数控原理及应用--绪论 ppt课件
PPT课件
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五、数控机床的分类
数控机床规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可 以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面4种 方法来分类的。
1. 按工艺用途分类 2. 按运动轨迹分类 3. 按伺服系统的控制方式分类 4. 按数控装置分类
PPT课件
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1. 按工艺用途分类
• 一般数控机床：车铣镗钻磨等，功能与通用机床相似；但是可以加工复杂形状的 零件。
滚动部件
刀库和机械手、数控机床的工作原理
数控机床加工零件,首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化 ,用规定的代码和程序格式编写加工程序,然后将所编写的程序指令输 入到机床的数控装置中.数控装置再将程序(代码)进行译码、运算，向 机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动 部件，控制所需要的运动，最后加工出合格零件。
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三、数控机床的组成
常用的伺服元件
步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机
常用的检测元件
编码盘 光栅
磁珊
PPT课件
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三、数控机床的组成
4、机床 早期采用通用车床，现在采用了新的加强刚性、减小热变形、
提高精度等方面的技术使其发生了很大的变化。 目前已模块化生产，分为六大块
数控系统
主轴单元
数控刀架和转台
• 软件控制数控机床（CNC） 主要功能由软件实现，软件模块
扩展
化，便于
PPT课件
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六、数控机床的特点及优势
（1）采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械结构
1. 设得计到特简化点，传动链较短；
（2）为了使连续性自动化加工，机械结构具有较高 的 动 态刚度及耐磨性，热变形小；
伺服系统概述 PPT课件
12 伺服系统概述
伺服系统的特点和功用
• 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据 指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置 • 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重 要组成
12 伺服系统概述
二、伺服系统基本类型
按控制原理分 有开环、闭环和半闭环三种形式 按被控制量性质分 有位移、速度、力和力矩等伺 服系统形式 按驱动方式分 有电气、液压和气压等伺服驱动形式 按执行元件分 有步进电机伺服、直流电机伺服和交 流电机伺服形式
12 伺服系统概述
气压系统与液压系统的比较
1.
2.
3. 4.
5.
空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大 气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污 染环境。 空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之 一，易于远距离控制。 工作压力低．可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优 点。 维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化 工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则 特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生 产过程。
优点
操作简便；编程容易； 能实现定位伺服控制； 响应快、易与计算机 （CPU）连接；体积小、 动力大、无污染。
缺点
瞬时输出功率大；过载 差；一旦卡死，会引起 烧毁事故；受外界噪音 影响大。 功率小、体积大、难于 小型化；动作不平稳、 远距离传输困难；噪音 大；难于伺服。 设备难于小型化；液压 源和液压油要求严格； 易产生泄露而污染环境。
12 伺服系统概述
三、伺服系统基本要求
精度高： 稳定性好：
数控机床-PowerPointPresentation
二、数控系统的日常维护
检测反馈元件的维护 光电编码器、接近开关、行程开关与撞块、 光栅等元件的检查和维护 备用电路板的定期通电 备用电路板应定期装到CNC系统上通电运 行，长期停用的数控机床也要经常通电， 利用电器元件本身的发热来驱散电气柜内 的潮气。保证电器元件性能的稳定可靠。
三、诊断常用的仪器仪表及工具
如不能消失，把可能引起该故障的原 因罗列出来，进行综合分析、判断，必要 时进行一些检测或试验，达到确诊故障的 目的。
复位后，故障不能消失，可从以下几方面 进行调查： 1.检查机床的运行状态 机床故障时的运行方式 CRT显示的内容（报警信号和报警号） 驱动装置、变频器等显示的报警指示 故障时轴的定位误差 刀具轨迹是否正常 辅助机能的运行状态
1.仪器仪表 万用表—可测电阻、交、直流电压、电流
指针式：有测量过程 数字式：直接读数 相序表—可检查直流驱动装置输入电流的 相序 双踪示波器—检查信号波形 钳形电流表—不断线检测电流
三、诊断常用的仪器仪表及工具
脉冲发生笔与逻辑测试笔 对芯片或功能电路板的输入注入逻辑 电平脉冲，用逻辑测试笔检测输出电平， 以判别其功能正常与否。
3）按故障发生的性质分类 软件故障—程序编制错误、参数设置 不正确、机床操作失误等引起。 硬件故障—电子元器件、润滑系统、 限位机构、换刀系统、机床本体等硬件损 坏造成。 干扰故障—由于系统工艺、线路设计、 电源地线配置不当等以及工作环境的恶劣 变化而产生。
4）按故障的严重程度分类 危险性故障—数控系统发生故障 时，机床安全保护系统在需要动作时， 因故障失去保护动作，造成人身或设 备事故。 安全性故障—机床安全保护系统 在不需要动作时发生动作，引起机床 不能起动。
二、常用故障诊断方法
第三节 伺服进给系统
第三节伺服进给系统数控机床的进给系统又称“伺服进给系统”。
所谓“伺服”，即，可以严格按照控制信号完成相应的动作。
在数控机床的结构中，简化最多的就是进给系统。
所有数控机床的（做直线运动的）伺服进给系统，基本形式都是一样的。
一、传统机床进给系统的特点1．进给运动速度低、消耗功率少进给运动的速度一般较低，因而常采用大降速比的传动机构，如丝杠螺母、蜗杆蜗轮等。
这些机构的传动效率虽低，但因进给功率小，相对功率损失很小。
2．进给运动数目多不同的机床对进给运动的种类和数量要求也不同。
例如：立式钻床只要求一个进给运动；卧式车床为两个（纵、横向）；而卧式铣镗床则有五个进给运动。
进给运动越多，相应的各种机构（如变速与换向、运动转换以及操纵等机构）也就越多，结构就更为复杂。
3．恒转矩传动进给运动的载荷特点与主运动不同。
当进给量较大时，常采用较小的背吃刀量；当进给量较小时，则选用较大的背吃刀量。
所以，在采用各种不同进给量的情况下，其切削分力大致相同，即都有可能达到最大进给力。
因此，进给传动系统最后输出轴的最大转矩可近似地认为相等。
这就是进给传动恒转矩工作的特点。
4．进给传动系统的传动精度进给传动链从首端到末端，有很多齿轮等进行传递，每个传动件的误差都将乘以其后的传动比并最终影响末端件输出，输出端的总误差是中间各传动件误差的累积（均方根）。
因为进给传动链总趋势是降速，所以远离末端件的传动件误差影响较小，而越靠近末端件的传动件误差，对总的传动精度的影响越大。
因此把越靠近末端件的传动比取得越小（相当于“前慢后快”原则），对减小其前面各传动件的误差影响越大。
这就是“传动比递降原则”。
应该注意：传统机床仅在“内联系传动链”中需要考虑传动精度。
二、提高传动精度的措施：①缩短传动链减少传动件数目，以减少误差的来源。
（即累积误差减少）②合理分配各传动副的传动比尽可能采用传动比递降原则；尽量采用大降速比的末端传动副，如：输出为回转运动用蜗杆蜗轮副，输出为直线运动用丝杠螺母副。
数控机床的伺服驱动系统
不同的含义。数组说明的方括号中给出的是某一维的长度;而 数组元素中的下标是该元素在数组中的位置标识。 数组是一种构造类型的数据。一维数组可以看作是由一维数 组嵌套而构成的。
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
数控机床进给伺服系统的工作原理(共5张PPT)
度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、 伺服机构或伺服单元。
进给伺服系统的工作原理
进给伺进服系给统伺的工服作系原理统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给
数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
机床完成进给运动。。 带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。
它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。 进给伺服系统的工作原理 伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
进 进给伺服系统的工作原理
它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。 数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
给 ，经位置控制和速度控制单元输出到速度环，直到机床完成进给运动。 比较控制环节 驱动控制单元 执行元件 进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机 指 构或伺服单元。 令 机 进给伺服系统的工作原理 床 数控机床常见故障诊断与排除
，经位脉置控冲制或和速进度给控制位单移元量输出信到息速度，环经，直过到变机换床完和成放进给大运由动伺。 服电机带动传动机构，最后转化为机床的
伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
进给伺直服系线统或是数转控动装置位和移机。床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机
进给伺服系统的工作原理
进给伺进服系给统伺的工服作系原理统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给
数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
机床完成进给运动。。 带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。
它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。 进给伺服系统的工作原理 伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
进 进给伺服系统的工作原理
它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。 数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
给 ，经位置控制和速度控制单元输出到速度环，直到机床完成进给运动。 比较控制环节 驱动控制单元 执行元件 进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机 指 构或伺服单元。 令 机 进给伺服系统的工作原理 床 数控机床常见故障诊断与排除
，经位脉置控冲制或和速进度给控制位单移元量输出信到息速度，环经，直过到变机换床完和成放进给大运由动伺。 服电机带动传动机构，最后转化为机床的
伺服系统 是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
进给伺直服系线统或是数转控动装置位和移机。床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机
数控机床的进给伺服系统概述
M j max
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
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（3）有一定的步距精度，没有累积误差。
（4）缺点是效率低，拖动负载的能力不大，最高输入脉 冲频率一般不超过18kHz。
4、步进电机的主要特性
(1)步距角α及其步距误差
指每输入一个脉冲信号，转子应转过角度的理论值。它取决于电机结构和 控制方式。
式中 m——定子相数； z——转子齿数； k——通电系数，若连续两次通电相数相同为1，若不同则为2。
f、n
脉冲环 形分配
变换
A相、B
相
功率
放大
C相、…
机械执行部件
电机
2. 全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接对 运动部件的实际位置进行检测。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单 元
机械执行部件 电机
2、结构及工作原理
——以三相反应式步进电动机为例
由定子、定子绕组和转子组成 。
工作方式：
• 三相单三拍 • 三相双三拍 • 三相单双六拍
图4-5 三相反应式步进电动机结构示意图 1—定子 2—绕组 3—转子
(1) 三相单三拍工作方式—— 三相激磁绕组依次单独通电运行
为简化分析，假设步进电动机转子上只有4个齿
3. 半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱 动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度 进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单 元
机械执行部件 电机
通电顺序A→B→C→A 转子逆时针旋转
通电顺序A→C→B→A 转子顺时针旋转
一拍——从一相通电换 接到另一相通电
缺点：易在切换瞬间失去 自锁转矩，产生失步，或 在平衡位置产生振荡。
(2) 三相双三拍工作方式
在实际工作过程中多采用双三拍工作方式，即定子 绕组的通电顺序为AB-BC-CA-AB…或AC-CB-BA-AC…， 此时有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍 然旋转30°。
实际应用的步进电动机转子上的齿数很多，因为齿数越多步距角越小，
控制精度越高。通常的步距角是3°、1.5°或0.75°。 为此，在定子磁极上也制成同样大小的小齿。 但各极的齿依次与转子
的齿错开齿距的1／3(三相三拍)或1/6(三相六拍)。
假定三相步进电机转子上有40个小齿
（a）电动机的步距角结构
（b）展开后的齿距
第4章 数控机床的伺服系统和常用驱动元件
4.1 数控机床的伺服系统 4.2 数控机床的驱动电动机 4.3 数控机床的驱动装置
4.1 数控机床的伺服系统
一. 伺服系统的定义、组成 1 . 定义：
伺服系统(Servo System)——以机床运动部件的 位置和速度作为控制量的自动控制系统。
进给伺服系统——以机械位移为直接控制目标,保证加工轮廓. 主轴伺服系统——以速度控制为主，提供切削转矩和功率.
由于在步进电机工作过程中始终保持有一相定子绕 组通电，所以工作比较平稳。
(3)三相单双六拍工作方式
如果按A-AB-B-BC-C-CA-A…(逆时针转动)或A-AC-C-CB-B-BA-A…(顺 时针转动)的顺序通电，称三相单双六拍工作方式。
每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。 由于电动机运转中始终有一相定子绕组通电，运转也比较平稳。
图4-8 三相反应式步进电动机的步距角结构及展开后的齿距
每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1／3 (三 相三拍)或1／6 (三相六拍)即达到新的平衡位置。
3．步进电动机的特点
（1）转子的角位移和转速严格地与输入脉冲的数量和脉 冲频率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的转向。
（2）维持控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置 上不动，即不需要机械制动。
4.2 数控机床的驱动电动机
电机是伺服系统的动力部件，提供运动所需 的动力。在数控机床上常用的电机有：
图4-4 数控机床驱动电动机的常用种类
一、步进电动机
步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、 维修方便。用于小容量、低速、精度要求不高的场合，如经 济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉 冲信号转换成相应机械角位移的机电执行元件。
当输入一个电脉冲时，电动机的转轴就转过一个相应 的角度，该角度称为步距角。
角位移∝脉冲个数 转速∝脉理分：反应式和励磁式 按输出力矩大小分：伺服步进电机和功率步进电机 按励磁组数分：三相、四相、五相、六相步进电机
2、特点（与主运动系统比较）： 功率相对较小； 控制精度要求高； 控制性能要求高，尤其是动态性能。
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。
CNC 插补 指令
位置控制单元
+
位置控制调
-
节器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
稳定性：指输出速度的波动要少。
4. 负载特性硬
F 在系统负载范围内，当负
载变化时，输出速度的变化
△F尽可能小，且△t尽可能短
△t △F
t
四、 进给伺服系统的类型
1. 开环数控系统
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系 统），故系统稳定性好。
CNC 插补指令
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
当有螺纹加工、准停和恒线速加工时主轴有位置控制要求.
2.组成
由伺服电动机、伺服驱动装置、位置检测装置等组成。
电能→ 机械能
功率放大和 速度调节
检测和反馈
二、进给伺服系统的作用、特点及组成
1. 作用
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运动，并保证动作 的快速性和准确性。
实际 速度 反馈
检测与反馈单元
机械执行部件 电机
三、NC机床对数控进给伺服系统的要求
1. 输出位置精度要高
2. 响应快且无超调
F
tp
t
tp 应尽可能短
3. 调速范围要宽且要有良好的稳定性 调速范围： R NF maF xmin 一般要求：
R N 10且 00 . 1 0 m m 0 m F m i 1 n m in m m
（4）缺点是效率低，拖动负载的能力不大，最高输入脉 冲频率一般不超过18kHz。
4、步进电机的主要特性
(1)步距角α及其步距误差
指每输入一个脉冲信号，转子应转过角度的理论值。它取决于电机结构和 控制方式。
式中 m——定子相数； z——转子齿数； k——通电系数，若连续两次通电相数相同为1，若不同则为2。
f、n
脉冲环 形分配
变换
A相、B
相
功率
放大
C相、…
机械执行部件
电机
2. 全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接对 运动部件的实际位置进行检测。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单 元
机械执行部件 电机
2、结构及工作原理
——以三相反应式步进电动机为例
由定子、定子绕组和转子组成 。
工作方式：
• 三相单三拍 • 三相双三拍 • 三相单双六拍
图4-5 三相反应式步进电动机结构示意图 1—定子 2—绕组 3—转子
(1) 三相单三拍工作方式—— 三相激磁绕组依次单独通电运行
为简化分析，假设步进电动机转子上只有4个齿
3. 半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱 动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度 进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单 元
机械执行部件 电机
通电顺序A→B→C→A 转子逆时针旋转
通电顺序A→C→B→A 转子顺时针旋转
一拍——从一相通电换 接到另一相通电
缺点：易在切换瞬间失去 自锁转矩，产生失步，或 在平衡位置产生振荡。
(2) 三相双三拍工作方式
在实际工作过程中多采用双三拍工作方式，即定子 绕组的通电顺序为AB-BC-CA-AB…或AC-CB-BA-AC…， 此时有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍 然旋转30°。
实际应用的步进电动机转子上的齿数很多，因为齿数越多步距角越小，
控制精度越高。通常的步距角是3°、1.5°或0.75°。 为此，在定子磁极上也制成同样大小的小齿。 但各极的齿依次与转子
的齿错开齿距的1／3(三相三拍)或1/6(三相六拍)。
假定三相步进电机转子上有40个小齿
（a）电动机的步距角结构
（b）展开后的齿距
第4章 数控机床的伺服系统和常用驱动元件
4.1 数控机床的伺服系统 4.2 数控机床的驱动电动机 4.3 数控机床的驱动装置
4.1 数控机床的伺服系统
一. 伺服系统的定义、组成 1 . 定义：
伺服系统(Servo System)——以机床运动部件的 位置和速度作为控制量的自动控制系统。
进给伺服系统——以机械位移为直接控制目标,保证加工轮廓. 主轴伺服系统——以速度控制为主，提供切削转矩和功率.
由于在步进电机工作过程中始终保持有一相定子绕 组通电，所以工作比较平稳。
(3)三相单双六拍工作方式
如果按A-AB-B-BC-C-CA-A…(逆时针转动)或A-AC-C-CB-B-BA-A…(顺 时针转动)的顺序通电，称三相单双六拍工作方式。
每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。 由于电动机运转中始终有一相定子绕组通电，运转也比较平稳。
图4-8 三相反应式步进电动机的步距角结构及展开后的齿距
每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1／3 (三 相三拍)或1／6 (三相六拍)即达到新的平衡位置。
3．步进电动机的特点
（1）转子的角位移和转速严格地与输入脉冲的数量和脉 冲频率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的转向。
（2）维持控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置 上不动，即不需要机械制动。
4.2 数控机床的驱动电动机
电机是伺服系统的动力部件，提供运动所需 的动力。在数控机床上常用的电机有：
图4-4 数控机床驱动电动机的常用种类
一、步进电动机
步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、 维修方便。用于小容量、低速、精度要求不高的场合，如经 济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉 冲信号转换成相应机械角位移的机电执行元件。
当输入一个电脉冲时，电动机的转轴就转过一个相应 的角度，该角度称为步距角。
角位移∝脉冲个数 转速∝脉理分：反应式和励磁式 按输出力矩大小分：伺服步进电机和功率步进电机 按励磁组数分：三相、四相、五相、六相步进电机
2、特点（与主运动系统比较）： 功率相对较小； 控制精度要求高； 控制性能要求高，尤其是动态性能。
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。
CNC 插补 指令
位置控制单元
+
位置控制调
-
节器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
稳定性：指输出速度的波动要少。
4. 负载特性硬
F 在系统负载范围内，当负
载变化时，输出速度的变化
△F尽可能小，且△t尽可能短
△t △F
t
四、 进给伺服系统的类型
1. 开环数控系统
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系 统），故系统稳定性好。
CNC 插补指令
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
当有螺纹加工、准停和恒线速加工时主轴有位置控制要求.
2.组成
由伺服电动机、伺服驱动装置、位置检测装置等组成。
电能→ 机械能
功率放大和 速度调节
检测和反馈
二、进给伺服系统的作用、特点及组成
1. 作用
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运动，并保证动作 的快速性和准确性。
实际 速度 反馈
检测与反馈单元
机械执行部件 电机
三、NC机床对数控进给伺服系统的要求
1. 输出位置精度要高
2. 响应快且无超调
F
tp
t
tp 应尽可能短
3. 调速范围要宽且要有良好的稳定性 调速范围： R NF maF xmin 一般要求：
R N 10且 00 . 1 0 m m 0 m F m i 1 n m in m m