数控机床伺服系统

第6章 数控机床伺服系统

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。

第一节 概述

. 进给伺服系统的定义及组成

. 定义：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。

一、进给伺服系统的定义及组成

组成： 进给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)；检测与反馈单元；机械执行部件。

３、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。

４、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。

５ 、速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。

６、速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放。

７、进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）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。

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(在调速范围内)

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。

调速范围：

一般要求：

2.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。

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。

3.负载特性要硬

在系统负载范围内，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，以满足低速大转矩的要求。（高速恒功率，低速恒转矩）

这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。

4. 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，minmaxFFRNmin1min1.010000minmmFmmRN且否则对机械部件不利，有害于加工质量。

5.系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。

6. 能可逆运行和频繁灵活启停。

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。

开环数控系统

– 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。

– 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。

– 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。

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。

半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。

由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。

半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。

全闭环数控系统

全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测

从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。

由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。

该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。

2．按使用的执行元件分类

（1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。

优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。

缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。

（2）电气伺服系统 伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）

优点：操作维护方便，可靠性高。

1）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺

服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺

服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。

2）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。

优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大。

3．按被控对象分类

（1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。

C 轴控制功能。

4．按反馈比较控制方式分类

（1）脉冲、数字比较伺服系统

（2）相位比较伺服系统

（3）幅值比较伺服系统

（4）全数字伺服系统

二、步进电机

步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。

步进电机——一种将电脉冲信号转换成相应角位移（或线位移）的控制电机。

对它送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度，称为一步。

控制性能好，控制系统简单可靠，成本低；

控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步。

（一）分类

按工作原理：反应式、永磁式、混合式等

按输出扭矩：功率式、伺服式

按运动方式：旋转式、直线式

通电方式（以m=3, Z=4为

例, 齿距角360/4=90, 定、

转子齿间相错90/3=30）

（1）三相单三拍（1相通电）:

步距角30

逆时针：ABCA…

顺时针：ACBA…

m相单m拍

（2）三相双三拍（2相通电）：AB BC CA AB …（逆时针,步距角30 ）;

m相双m拍

（3） 三相六拍（1-2相通电）：AAB  B  BC C CA A…逆时针,步距角15）

m相2m拍

m>3的通电方式（四相八拍、五相十拍等）

、反应式步进电机的特点：

——对步进电机的控制十分方便。F高 n快，通电顺序决定转向

——气隙小：30~50μm

——步距角小：软磁材料，靠磁阻变化产生转距。

——励磁电流较大。要求驱动电源功率较大，而效率较低

——电机的内部阻尼较小。当相数少时，单步运行振荡时间较长。

——带惯性负载能力差，尤其是在高速时易失步

——断电后无定位转矩。

（三）反应式步进电动机的主要性能指标 1、步距角和步距角误差

步距角:每改变一次通电状态转子所转过的角度

=360/mZK

（K 通电方式系数，相邻两次通电相数相同，则K=1；否则K=2）

数控机床: 0.18/0.36 ,0.36/0.72,0.6/1.2,0.75/1.5,1.5/3

静态步距角误差Δ =实际步距角-理论步距角=±10’~30'

2、最大静转矩Tjmax(n.m)：

转子初始稳定平衡位置：空载时某相通电，定、转子齿对齐，

转子上无转矩输出(不改变通电状态时，转子处于不动状态）；

失调角 θe：转子上加负载转矩后达到与T相平衡时所转过的角度；

静态矩角特性曲线：转子上静态电磁转矩T与失调角e的关系。

最大静转矩Tjmax：表示步进电机承受负载的能力

额定电流I↑→ Tjmax↑→负载能力↑ →运行快速性和稳定性

3、空载启动频率fq （步/s)

步进电机在空载时由静止状态能不失步启动进入正常运行的

最高频率。 fq↑→快速性↑

4、启动矩频特性

步进电机在带动负载转矩时启动频率与负载转矩的关系

5、空载运行频率（连续运行频率）fmax

步进电机空载启动后能不失步连续运行的最高频率

6、运行矩频特性

步进电机连续稳定运行时输 运行矩频特性

出电磁转矩T与连续运行频

率f之间的关系（衡量电机

运转时承载能力的动态性能

指标）。f↑→绕组感抗↑

→电流波形变坏→电流幅值

↓→T↓

（四）步进电机的选择

1、步距角的选择

δ=Sθ / 360º i (mm / 脉冲）

δ-脉冲当量 S –丝杠螺距

θ-步距角 （º）

i-电机与丝杠间的传动比，

I是大于1的数

2、最大静态转距Tjmax的选择

TF = (F+μW)S ×10¯³

2πηi (N.m)