燕山大学机械学院：《数控技术》课程电子教案（PPT教学课件）第六章 数控机床的伺服系统

返回课件首页 第六章数控机床的伺服系统 第一节概述 、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

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。 返回课件首页

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

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

数控机床闭环进给系统的一般结构如图6-1所示, 这是一个双闭环系统,内环为速度环,外环为位置环 速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度 控制单元是一个独立的单元部件,它是用来控制电机 转速的,是速度控制系统的核心。速度检测装置有测 速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的 位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制 等部分组成。由速度检测装置提供速度反馈值的速度 环控制在进给驱动装置内完成,而装在电动机轴上或 机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的 位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看,是 个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控 制系统。但从内部的实际工作来看,它是先把位置控 制指令转换成相应的速度信号后,通过调速系统驱动 伺服电机,才实现实际位移的

数控机床闭环进给系统的一般结构如图6-1所示， 这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。 速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度 控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机 转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测 速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的 位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制 等部分组成。由速度检测装置提供速度反馈值的速度 环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或 机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的 位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是 一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控 制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控 制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动 伺服电机，才实现实际位移的

伺服驱动装置 指令 工作台 位置控制模 速度控制单 快块 位置检泱 速度环 伺服电 机 速度检测 测量反 位置环 图6-1闭环进给伺服系统结构

位置控制模 块 速度控制单 元 伺服电 机 工作台 位置检测 测量反 馈 速度环 速度检测 位置环 图6-1 闭环进给伺服系统结构 指令 伺服驱动装置

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能复现输入量的 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

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能复现输入量的 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 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标 它反映了系统銀踪精度。机床进给荷服系统实 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

3. 快速响应 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

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 、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

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

(一)开环和闭环伺服系统 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件,它没有 位置反馈回路和速度反馈回路,因此设备投资低,调 试维修方便,但精度差,高速扭矩小,被用于中、低 档数控机床及普通机床改造。如图6-2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 工作台 齿轮箱 步进电机 指令脉冲 驱动控制 线路 图6-2开环伺服系统简图

（一）开环和闭环伺服系统 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有 位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调 试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低 档数控机床及普通机床改造。如图6-2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。 齿轮箱 步进电机 指令脉冲 图6-2开环伺服系统简图 工作台 驱动控制 线路

闭环伺服系统又可进一步分为闭环和半闭环伺服系 统。闭环伺服系统的位置检测装置安装在机 台上(图6-1),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 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 的中小型数控机床上,使用半闭环系统较多

闭环伺服系统又可进一步分为闭环和半闭环伺服系 统。闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作 台上（图6-1），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。 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 的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多

指令 位置比速度控 作 较 制 伺服电 速度反馈机 位置反馈 图6-3半闭环伺服系统简图

指令 + —- 速度反馈 位置反馈 图6-3 半闭环伺服系统简图 位置比 较 速度控 制 工作台 伺服电 机