石河子大学：《数控技术》课程教学资源（PPT课件）第七章 数控机床的伺服系统

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

 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

(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

开环伺服系统 A相、B CNC 脉冲频率f f、n 脉冲环 相 脉冲个数n 形分配 功率 插补指令 放大 换算 变换 C相、 机械执行部件 ☆开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件； ☆ 没有位置反馈回路和速度反馈回路； ☆设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小； ☆用于中、低档数控机床及普通机床改造

☆ 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件； ☆ 没有位置反馈回路和速度反馈回路； ☆ 设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小； ☆ 用于中、低档数控机床及普通机床改造

闭环伺服系统 位置控制单元 速度控制单元 插补 位置控制调节器 速度控制调 节与动 机械执行部件 定际速 实际位 电机 置反馈 度反 检测与反馈单元 ☆闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上； ☆检测装置构成闭环位置控制。 ☆闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上

☆ 闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上； ☆ 检测装置构成闭环位置控制。 ☆ 闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上

半闭环伺服系统 位置控制单元 速度控制单元 位置控制调节 速度控制 调节与驱动 机械执行部件 实际位 电机 置反横 检测与反位单元一 ☆位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机 的角度，为间接测量； ☆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； ☆半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。 ☆适用于精度要求适中的中小型数控机床

☆位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机 的角度，为间接测量； ☆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； ☆半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。 ☆适用于精度要求适中的中小型数控机床

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

（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，提供切削过程所需的转矩， 具有定位和轮廓跟踪功能。 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

（1）进给伺服系统  控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削过程所需的转矩， 具有定位和轮廓跟踪功能。  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 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

（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 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

 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