第五章 数控机床的进给伺服系统 一、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，又称位置随动系统、 驱动系统、伺服机构或伺服单元。 伺服系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脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大 由伺服电机带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移 。 第一节 概述 数控机床的伺服包括：进给伺服驱动系统和主轴伺服系统 两部分。根据CNC发出的动作指令，伺服系统准确、快速 地完成各坐标轴的进给运动，与主轴驱动相配合，完成加 工件的高精度加工。 因此，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，其性能 的优劣直接影响零件的加工精度和生产效率，它的价格在 这个数控机床的成本构成中占有相当大的份额。 第一节 概述 第一节 概述 第一节 概述 1.调速范围要宽 2.位移精度要高 3.跟随误差要小,响应要快 4.稳定性要好，可靠性要高。 一数控机床对伺服系统的要求 比较控制环节比较控制环节驱动控制单元驱动控制单元执行元件执行元件 反馈检测单元反馈检测单元 机床机床 进给进给 指令指令 二伺服驱动系统的组成 1. 按控制理论分类 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环伺服系统 2. 按驱动执行元件的动作原理分类 电液伺服系统 电气伺服系统 三伺服驱动系统的分类 第一节 概述 3. 按被控对象分类 进给伺服系统 主轴伺服系统 4. 按反馈比较控制方式分类 脉冲、数字比较伺服系统 相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统 全数字伺服系统 三伺服驱动系统的分类 第一节 概述 5. 按执行电动机类型分类 直流伺服系统 交流伺服系统 在数控机床中使用的伺服电动机有步进 电动机、直流伺服电动机、交流伺电动机和 直线电动机等。步进伺服驱动系统的执行元 件是步进电机。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电动机一般用于开环伺服系统中，没有 位置反馈环节，位置控制精度由步进电动机和进 给链来决定。 步进电机的种类 按电机的结构和材料分类 反应式：不用永久磁铁，靠定子和转子的软钢齿 之闭的电磁引力产生力矩，结构简单，步距角可 以做得很小，应用最广。 永磁式：转子有多条永久磁铁组成，定子和转子 间的引力和斥力都产生力矩，功率密度大，但步 距角不可能做的很小。 混合式：结合上述两种的优点，永久磁铁提高功 率密度，细密的极齿减小步距角，但加工困难， 成本高。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的 机电执行元件。 步进电动机由转子和定子绕组组成。当某相定子绕组由 脉冲电流励磁后，便能吸引转子，使转子转一个角度，即步 距角，每一个步距角对应一个位移量，指令脉冲的频率就对 应工作台的移动速度。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的结构 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的原理 结论 (1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转 子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角 ； (2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方 向随之改变； (3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转 子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高； (4) 步进电机步距角 与定子绕组的相数m、转子的齿 数z、通电方式k有关，可用下式表示 式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依 此类推。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的原理 步距角 0.53，决定控制精度，是决定步进伺服系统脉冲 当量的重要参数。 启动频率 fq。 空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的 正常运行所允许的最高频率 矩角特性、最大静态转矩 和启动转矩 。 矩角特性是步进电机的一个重要特性，它 是指步进电机产生的静态转矩 与失调角的 变化规律。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的特性 连续运行的最高工作频率 保证不丢步运行的极限频率 加减速特性 描述步进电机由静止到工作频率和由工作频 率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状 态的变化频率与时间的关系。 第二节 步进伺服驱动控制 系统由步进电机驱动线路+步进电机组成，对工作台位 移、速度和运动方向进行控制。 第二节 步进伺服驱动控制 步进式伺服系统工作原理 1. 工作台位移的控制 进给脉冲的个数N 定子绕组通电状态变化次数N 角 位移= N 工作台位移L= t/360 2.工作台进给速度的控制 进给进给 脉冲的频频率f 定子绕组绕组 通电电状态态的变变化频频率 f 步进电进电 机的转转速工作台的进给进给 速度v 3.工作台方向的控制 定子绕组通电顺序的改变-工作台运动方向改变 第二节 步进伺服驱动控制 功能：将一定频率f、数量N和方向的进给 脉冲转换为控制步进电机定子各相绕组通 断电状态变化的频率、次数和顺序的功率 信号。 第二节 步进伺服驱动控制 步进电机的驱动控制线路 1.脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为 正向或负向脉冲进给信号 2. 加减脉冲分配电路 将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲。 3.加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的 脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数 第二节 步进伺服驱动控制 同步器同步器可逆计数器可逆计数器振荡器振荡器数模转换数模转换 f f a a f f b b 4. 环形分配器 将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机 定子绕组通断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及 顺序与进给脉冲的个数及方向对应。 常用电机有三、四、五相。 脉冲分配也可用软件实现。 5. 功率放大器 将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前置 放大器和功率放大器组成。 第二节 步进伺服驱动控制 四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施 影响步进式伺服驱动系统精度的因素： 步进电机的质量 机械传动部分的结构和质量 控制线路 由于受工艺和结构的限制，常常从控制线路采取措施， 通常采用的措施有： 细分电路 齿隙补偿（反向间隙补偿） 螺距误差补偿 第二节 步进伺服驱动控制 1. 细分电路 把步进电机的一步再分得细一些，减小脉冲当量 2.齿隙补偿（反向间隙补偿） 原因：机械传动链在改变方向时， 由于间隙的存在，会引起步进电机的空走； 补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向 时增加输出脉冲进行补偿。 第二节 步进伺服驱动控制 细分前后一步角位移波形图 （a） 无细分 （b） 细分后 3. 螺距误差补偿 原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台的位 置精度，需要进行补偿； 补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向 时增加输出脉冲进行补偿。 实现方法： 安置两个补偿杆 按照螺距误差在补偿杆上设置挡块 工作台移动时行程开关与挡块接触 时进行补偿。 第二节 步进伺服驱动控制 第二节 步进伺服驱动控制 曲线1理想的移动 （没有螺距误差） 曲线2实际的移动 （有螺距的误差） 曲线3补偿前的误 差曲线 曲线4补偿后的误 差曲线 第三节 闭环伺服控制原理与系统 闭环控制的特点：工作可靠，抗干扰性强，精度高，但增加了位 置检测、反馈、比较等环节，结构复杂，调试困难。 一、闭环伺服系统的执行元件 数控系统对执行元件（能量转换和信号转换）的要求： 尽可能减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态 响应； 尽可能提高电机的过载能力，以适应经常出现的冲击 现象； 尽可能提高电机低速运行的稳定性和均匀性，以保证 低速时伺服系统的精度。 1. 直流伺服电机 第三节 闭环伺服控制原理与系统 直流伺服电机与普通直流电机的工作原理与基本结构是一样的， 从结构特点上可以分为有刷和无刷两种基本类型。两者的静态特性和 动态特性完全相同，控制方法也相同。 常用的直流电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调 速电机等。 (1) 低惯量直流伺服电机。主要有无槽电枢直流伺服电机及其他一些 类型的电机。无槽电枢直流伺服电机的工作原理与一般直流电机相同 ，其结构的差别和特点是：电枢铁心是光滑无槽的圆体，电枢绕组用 环氧树脂固化成型并粘结在电枢铁心表面上，电枢的长度与外径之比 在5倍以上，气隙尺寸比一般的直流电机大10倍以上。它的输出功率 在几十瓦至10 kW以内。主要用于要求快速动作、功率较大的系统。 (2) 宽调速直流力矩电机。这种电机用提高转矩的方法来改善其动 态性能。它的结构形式与一般直流电机相似，通常采用他激式。 目前几乎都用永磁式电枢控制。 直流伺服电机的调速原理 = 调调速方法： 改变电变电 枢电压电压 V 改变电势变电势 系数（实际实际 是改变变励磁回路参数） 改变电变电 阻（串联电联电 阻） 第三节 闭环伺服控制原理与系统 V Ra Kt KtKv M- 直流伺服电机的调速原理 目前使用最广泛的是脉宽调速PWM（改变电枢电压V） 第三节 闭环伺服控制原理与系统 直流伺服电机调速的优点： 直流伺服电机具有优良的控制特性，单一通过控制电 机的输入电压就可实现转速的控制，负载力矩对电机转速 的影响相对较小，电机的动态特性较好，能满足伺服系统 对响应的要求，正是由于这些优点，使得伺服电机在数控 机床及其他数控设备中得到广泛应用。 第三节 闭环伺服控制原理与系统 2. 交流伺服电机 用三相正弦电流驱动的伺服电机，按工作原理分为： 永磁同步型（SM型） 异步感应型（IM型） AC伺服电机本身结构简单，坚固耐用，体积较小， 重量较轻，没有整流子机械换向，远比DC伺服电机便于 维护，但速度的控制方法比DC伺服电机要复杂的多，对 控制元件的容量及速度的要求也很高。AC伺服电机（包 括伺服单元）的价格高于同等DC伺服电机。 第三节 闭环伺服控制原理与系统 第三节 闭环伺服控制原理与系统 交流伺服电机的控制方法 幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制 鉴相式伺服系统 鉴相式伺服系统是数控机床中使用较多的一种位置控制系统，它 是采用相位比较的方式实现闭环（半闭环）控制的伺服系统。 特点：工作可靠，抗干扰性强，精度高，由于增加了位置检测、反 馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比它的结构比较复杂，调试 较困难。 鉴相式伺服系统的基本组成 第三节 闭环伺服控制原理与系统 各组成部分的功能介绍 1.基准信号发生器 2.脉冲调相器 3.检测元件及信号处理线路 4.鉴相器 鉴相器的输入信号有两路，一路是来自脉冲调相器的指令信号； 另一路是来自检测元件及信号处理线路的反馈信号，它反映了工 作台的实际位移大小。 5.驱动线路和执行元件 第三节 闭环伺服控制原理与系统 鉴相式伺服系统的工作原理 鉴相式伺服系统利用相位比较的原理进行工作 当数控机床的数控装置要求工作台沿一个方向进给 时，插补器或插补软件便产生一系列进给脉冲。 该进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的 指令进给量，其频率代表了工作台的进给速度，其方向 代表了工作台的进给方向。 第三节 闭环伺服控制原理与系统 鉴相式伺服系统的工作原理 进给脉冲经过脉冲调相器转变为相对于基准信号的相 位差，设为； 反馈馈信号经过脉冲调相器转变为相对于基准信号的相 位差，设为 ； 两者送入鉴鉴相器中得到跟随误误差- 。 进给进给 开始时时： =0， = 1 跟随误误差- = 1 工作台进给进给 后： = 1 跟随误误差- = 1 - 1 第三节 闭环伺服控制原理与系统 1. 以旋转变压器为测量元件的半闭环伺服系统 第三节 闭环伺服控制原理与系统 鉴相式伺服系统的类别 2. 以光栅为测量元件的半闭环伺服系统 第三节 闭环伺服控制原理与系统 鉴相式伺服系