数控技术六进给伺服系统PPT课件

二、 对伺服系统的基本要求
1. 位移精度高
伺服系统的精度是指输出量跟随输入量的精确 程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求 机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服 系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。 两者误差愈小，位移精度愈高。
2. 稳定性好
稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在 短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来 平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗 干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性 直接影响数控加工精度和表面粗糙度。
3. 快速响应快
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反 映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就 是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削 形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪 指令信号的响应要快，跟随误差小。
4. 调速范围宽
调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转 速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀 具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在 各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服 系统具有足够宽的调速范围。
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第六章 数控机床的伺服系统
第一节 概述
一、 伺服系统的组成
数控机床的伺服系统按其功能可分为： 进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服 系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服 系统是以机床移动部件（如工作台）的位 置和速度作为控制量的自动控制系统，通 常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动 机构及执行部件组成。
进给伺服系统的作用：接受数控装置 发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动 装置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与一般机床的进给系 统有着本质的区别：能根据指令信号精确地控 制执行部件的运动速度与位置，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 把数控装置比作数控机床的“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。
位置反馈
图6-3 半闭环伺服系统简图
（ 二） 进给驱动与主轴驱动
进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用 于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制 机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程 所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统， 控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动 功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。
指令脉冲
工作台
步进电机
齿轮箱
驱动控制 线路
图6-1开环伺服系统简图
2、闭环伺服系统又可进一步分为全闭环和半
闭环伺服系统。全闭环伺服系统的位置检测装 置安装在机床的工作台上（图6-2），检测装置 测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量 值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值， 依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在 精度要求较高的大型数控机床上。
（三）直流、交流伺服系统与直线电动机伺服系统
直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使 用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺 服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机）， 调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电 机转动惯量较大，应用较方便 ，适合数控机床对 频繁启动、制动、以及速度定位、切削的要求。
小型数控机床上，使用半闭环系统较多。
指令
伺服驱动装置
位置控制模 块
速度控制单 元
速度环
工作台 位置检测
伺服电 机
速度检测
测量反
位置馈 环
图6-2 闭环进给伺服系统结 构
这种系统不反映反馈回路之外的误差，由于高分辨率的检 测元件也可以获得比较满意的精度
指令+
位置比
—-较
速度控 制
工作台
伺 机刷，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， 另外从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠 性角度来看，采用交流电机比采用直流电及更 合适。交流伺服电机已在数控机床中得到广泛 应用。
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 置，是一种较为理想的驱动装置。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。
5. 低速大扭矩
要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。 机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因 此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。
三、伺服系统的分类
数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置 反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按其用途 和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按 其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动 系统和电气伺服驱动系统。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 及直线电动机伺服系统。本章主要介绍进给伺 服驱动系统
3、半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在 电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后 通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作 台的位移，为间接测量(图6-3)。即坐标运动的 传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差 没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的 精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中
（一）开环和闭环伺服系统 1、如图6-1为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指
令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定,反映到工作台上 是其移动速度和位移大小。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电 顺序，就可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。由于系统 中没有监测和反馈环节，工作中移动到不到位，取决于不进电机的步 距角精度，齿轮传动间隙，丝杠螺母副的精度等。