武汉科技大学机械自动化学院：《数控原理 Numerical Control Principle》课程教学资源（PPT课件讲稿）第7章 数控机床的伺服系统

第7章数控机床的伺服系统 71概述 伺服系统:以位置和速度作为控制对象的自动控制系统。 4伺服系统接受数控装置发来的进给脉冲指令信号,经过信号 变换和电压、功率放大由执行元件将其转变为角位移和直线 位移,以驱动数控设备各运动部件实现运动。 711伺服系统的分类 1.按照调节理论分类 1)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,无位置检测装置

第7章 数控机床的伺服系统 7.1 概 述 伺服系统：以位置和速度作为控制对象的自动控制系统。 伺服系统接受数控装置发来的进给脉冲指令信号，经过信号 变换和电压、功率放大由执行元件将其转变为角位移和直线 位移，以驱动数控设备各运动部件实现运动。 7.1.1 伺服系统的分类 1. 按照调节理论分类 1）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，无位置检测装置

7.1概述 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。 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 取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传 动精度。 结构简单,成本较低,适用于对精度和速度要求不高的经 济型、中小型数控系统

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。 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 取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传 动精度。 结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经 济型、中小型数控系统。 7.1 概 述

7.1概述 (2)闭环伺服系统 4有位置检测装置,且装在机床工作台上,直接检测工作台的 实际位移 利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行 位置控制。 精度高,其运动精度取决于检测装置的精度,与传动链的误 差无关。 适用于大型或比较精密的数控设备。 (3)半闭环伺服系统 4有位置检测装置,且装在电机或丝杠的端头,检测角位移, 间接获得工作台的位移。 ±精度比闭环控制低,滚珠丝杠的精度影响位置检测的精度。 适用于中小型数控机床

（2）闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的 实际位移。 利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行 位置控制。 精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误 差无关。 适用于大型或比较精密的数控设备。 （3）半闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移， 间接获得工作台的位移。 精度比闭环控制低，滚珠丝杠的精度影响位置检测的精度。 适用于中小型数控机床。 7.1 概 述

2.按使用的驱动元件分类 (1)电液伺服系统 4执行元件:电液脉冲马达或电液伺服马达。 驱动元件:液动机或液压缸 4优点:低速高输出力矩,刚性好,时间常数小,反应快,速 度平稳。 缺点:需要供油系统,体积大,产生噪声和漏油等问题 (2)电气伺服系统 执行元件:伺服电机(步进电机、交流或直流伺服电机) 4驱动元件:电力电子器件。 现代数控机床均采用电气伺服系统

2. 按使用的驱动元件分类 （1）电液伺服系统 执行元件：电液脉冲马达或电液伺服马达。 驱动元件：液动机或液压缸。 优点：低速高输出力矩，刚性好，时间常数小，反应快，速 度平稳。 缺点：需要供油系统，体积大，产生噪声和漏油等问题。 （2）电气伺服系统 执行元件：伺服电机（步进电机、交流或直流伺服电机）。 驱动元件：电力电子器件。 现代数控机床均采用电气伺服系统

3.按被控对象分类 (1)进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动,提供切削所需的转矩。 4包括速度控制环和位置控制环。 (2)主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动,提供所需的驱动功率和切削力。 般的主轴控制只有一个速度控制系统,具有C轴控制的主 轴伺服系统与进给伺服系统相同,是一般概念的位置伺服 控制系统。 刀库的位置控制是简单的位置伺服控制

3. 按被控对象分类 （1）进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削所需的转矩。 包括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动，提供所需的驱动功率和切削力。 一般的主轴控制只有一个速度控制系统，具有C轴控制的主 轴伺服系统与进给伺服系统相同，是一般概念的位置伺服 控制系统。 刀库的位置控制是简单的位置伺服控制

4.按反馈比较控制方式分类 (1)数字一脉冲比较伺服系统 4将数控装置发出的数字(或脉冲)指令信号与检测装置测量的 以数字(或脉冲)形式表示的反馈信号直接进行比较,产生位 置差值,形成闭环和半闭环控制。 (2)相位比较伺服系统 4采用相位工作方式,指令信号与反馈信号均以相位形式表示并 进行比较。 (3)幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小,并与指 令信号进行比较。 (4)全数字控制伺服系统 由位置、速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化

4. 按反馈比较控制方式分类 （1）数字－脉冲比较伺服系统 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测量的 以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，产生位 置差值，形成闭环和半闭环控制。 （2）相位比较伺服系统 采用相位工作方式，指令信号与反馈信号均以相位形式表示并 进行比较。 （3）幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小，并与指 令信号进行比较。 （4）全数字控制伺服系统 由位置、速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化

7.1.2伺服系统的组成 4由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。 (1)控制器:由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单元 组成。 控制器最多构成三闭环控制:外环为位置环,中环为速度环, 内环为电流环。 (2)功率驱动装置:由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。 功能:一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上, 调节电机力矩的大小;另一方面按电机要求将恒压恒频的电 网供电转换为电机所需直流电或交流电 (3)位置检测装置:闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置, 其安装位置不同;开环伺服系统无位置检测装置。 (4)伺服电机:闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电 机;开环伺服系统采用步进电机

7.1.2 伺服系统的组成 由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。 （1）控制器：由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单元 组成。 控制器最多构成三闭环控制：外环为位置环，中环为速度环， 内环为电流环。 （2）功率驱动装置：由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。 功能：一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上， 调节电机力矩的大小；另一方面按电机要求将恒压恒频的电 网供电转换为电机所需直流电或交流电。 （3）位置检测装置：闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置， 其安装位置不同；开环伺服系统无位置检测装置。 （4）伺服电机：闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电 机；开环伺服系统采用步进电机

伺服系统结构 电网 控制器 数控定 装置气少 位置调解速度调解}一电流调解功率驱动装置 工作台 电流反馈 检测装置 速度反馈 位置反馈 伺服系统 检测反馈装置

伺服系统结构

7.1.3数控机床对伺服系统的要求 1.数控机床对进给伺服系统的要求 (1)调速范围大,低速转矩大。 调速范围:机械装置要求电机能提供的最高进给速度相对于 最低进给速度之比。 4为保证所有加工条件下,均能得到最佳切削条件和加工质量, 就要求进给速度在较大的范围内变化。 4低速切削要求电机输出较大的转矩,避免出现低速爬行现象。 (2)精度高。 精度:伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。 为保证数控加工精度要求,主要保证机床的定位精度和进给 跟踪精度

7.1.3 数控机床对伺服系统的要求 1. 数控机床对进给伺服系统的要求 （1）调速范围大，低速转矩大。 调速范围：机械装置要求电机能提供的最高进给速度相对于 最低进给速度之比。 为保证所有加工条件下，均能得到最佳切削条件和加工质量， 就要求进给速度在较大的范围内变化。 低速切削要求电机输出较大的转矩，避免出现低速爬行现象。 （2）精度高。 精度：伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。 为保证数控加工精度要求，主要保证机床的定位精度和进给 跟踪精度

71.3数控机床对伺服系统的要求 (3)快速响应无超调。 快速响应反映系统的跟踪精度。 (4)稳定性好,可靠性高。 稳定性:系统在给定输入或外界干扰作用下,能经过短暂 的调节达到新的或恢复到原来平衡状态。 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀、平稳。 (5)足够的传动刚性,较强的过载能力,电机的惯量与移 动部件的惯量相匹配,伺服电机能够频繁启停和可逆运行

（3）快速响应无超调。 快速响应反映系统的跟踪精度。 （4）稳定性好，可靠性高。 稳定性：系统在给定输入或外界干扰作用下，能经过短暂 的调节达到新的或恢复到原来平衡状态。 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀、平稳。 （5）足够的传动刚性，较强的过载能力，电机的惯量与移 动部件的惯量相匹配，伺服电机能够频繁启停和可逆运行。 7.1.3 数控机床对伺服系统的要求