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1、SchoolofMechanicalandPowerEngineering机械与动力工程学院数控技术SchoolofMechanicalandPowerEngineeringSchoolofMechanicalandPowerEngineering第六章数控机床的伺服系统本章内容：概述开环步进式伺服系统位置检测装置闭环（交直流）伺服系统SchoolofMechanicalandPowerEngineering伺服来自英文单词Servo，“伺服（SERVO）”在中英文里一个音、意都相同的词，顾名思义，它表示“伺候服侍”，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动。在数控机床中，伺服是指有关的传动或运
2、动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器，控制电路简单，价格低廉，可靠性高。和普通电机的区别主要在于：脉冲控制。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件。其控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是内部有机械换向装置，碳刷易磨损。在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。闭环系统逐渐取代开环系统。第一节概述SchoolofMechanicalan
3、dPowerEngineering现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械。伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75。在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴得到快速应用，其转子为主轴旋转部分。其转数在30000rpm10
4、0000rpm，工作台的进给速度在分辨率为1m时达到100mmin，甚至200mmin以上在分辨率为0.1m时，在24mmin以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统的要求包括:定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。SchoolofMechanicalandPowerEngineering国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性，或许品牌效应也是难以短时间
5、逾越的障碍。近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应用。数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一直是现代数控机床的关键技术之一。第一节概述SchoolofMechanicalandPowerEngine
6、ering伺服驱动系统与一般机床进给系统的区别进给系统的作用在于保证切削过程能够连续进行，不能控制执行件的位移和轨迹；伺服系统将指令信号加以转换和放大，不仅能控制执行件的速度、方向，而且能精确控制其位置、以及几个执行件按一定的运动规律合成的轨迹。第一节概述SchoolofMechanicalandPowerEngineering一、伺服系统的组成、作用和特点:组成伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系；机械传动部件和执行件组成机械传动系。第一节概述数控伺服系统的基本组成SchoolofMechanicalandPo
7、werEngineering伺服系统的作用:接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，经过一定的信号转换和电压、功率放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、刀架等执行部件进行工作进给和快速进给。主要通过步进电机、交直流伺服电动机等进给驱动元件来实现。伺服系统可被看作是一个独立部分，与数控系统和机床本体并列为数控数控机床的三大组成部分。第一节概述SchoolofMechanicalandPowerEngineering特点：能根据指令信号自动精确的控制执行部件运动的位移、方向和速度，使数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。性能：最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和
8、静态性能取决于各个组成环节的特性和各个环节性能参数的合理匹配。第一节概述SchoolofMechanicalandPowerEngineering数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。第一节概述二、数控机床对进给伺服系统的要求1可逆运行可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向或反向运动。要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量改变为机械
9、能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。SchoolofMechanicalandPowerEngineering2高精度数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为0.010.001，甚至可高达0.1m，以保证加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。第一节概述二、数控机床对进给伺服系统的要求SchoolofMechanicalandPowerEngineering3调速范围宽调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于
10、加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，即有很大的调速范围。目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1m的情况下，进给速度能在0240mmin的范围内连续可调。在这一调速范围内，要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变。第一节概述二、数控机床对进给伺服系统的要求SchoolofMechanicalandPowerEngineering4快速响应并无超调要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。伺服系统处于频繁地启动、
11、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。第一节概述二、数控机床对进给伺服系统的要求SchoolofMechanicalandPowerEngineering5低速大转矩机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。第一节概述二、数控机床对进给伺服系统的要求SchoolofMechanicalandPowerEngineering1按控制方式和有无检测反馈环节分类（1）开环伺服系统（2）闭环伺服系统（3）半闭环伺服系统指令驱动电
12、路步进电机工作台脉冲伺服电机速度检测速度控制位置控制位置检测伺服电机速度控制位置控制工作台脉冲编码器指令第一节概述三、伺服系统的分类SchoolofMechanicalandPowerEngineering（1）开环伺服系统组成：步进电机、驱动电路、传动机构工作原理：在数控机床上它由步进电机、功率步进电机或电液脉冲马达驱动。数控系统发出的指令脉冲信号经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过变速齿轮和滚珠丝杠螺母副驱动执行件(工作台或刀架)移动。第一节概述三、伺服系统的分类SchoolofMechanicalandPowerEngineering无位置反馈，开环系统的位移精度主要取决于步
13、进电机的角位移和齿轮、丝杠等传动件的螺距精度，以及系统的摩擦阻尼特性.开环系统的位移精度一般较低，其定位精度可达0.02mm，当采用螺距误差补偿后，定位精度提高到0.01mm；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。第一节概述三、伺服系统的分类（1）开环伺服系统SchoolofMechanicalandPowerEngineering（2）闭环系统闭环控制系统是一种包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值精密地响应输入量的自动控制系统。在数控机床上，由于
14、反馈信号所取的位置不同，而分为全闭环系统和半闭环系统。第一节概述三、伺服系统的分类SchoolofMechanicalandPowerEngineering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。第一节概述三、伺服系统的分类SchoolofMechanicalandPowerEngineering全闭环系统全闭环系统的反馈信号取自机床工作台（或刀架）实际位置，所以系统传动链的误差、环内各元件的误差以及运动种造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。全闭环系统除电器方面误差外，还有很多机械传动误差，如丝杠螺母副、导轨副等都包括在
15、反馈回路种，它们的刚性、传动间隙、摩擦阻尼特性都是变化的，有些还是非线性的，所以全闭环系统的设计和调整都有较大的技术难度，价格也较昂贵。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。第一节概述三、伺服系统的分类SchoolofMechanicalandPowerEngineering半闭环伺服系统半闭环伺服系统同样也是一种闭环系统。只不过在数控机床这种具体应用场合下，它的反馈信号取自系统的中间部位（如驱动伺服电机的轴上），如图所示。这样系统由电机输出轴至最末端件（工作台或刀架）之间的误差（如：联轴器误差、丝杠的弹性变形及螺距误差、导轨副的摩擦阻尼等）没有得到系统
16、的补偿。因此，在数控机床上，半闭环系统只反馈补偿了进给传动系统的部分误差，所以其精度比全闭环系统要低一些。第一节概述三、伺服系统的分类SchoolofMechanicalandPowerEngineering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。但由于这种系统舍弃了传动系统的刚性和非线性的摩擦阻尼等。故系统调试较容易，稳定性也较好。由于采用高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度和速度，特别是制造伺服电机时，都将测速发电机、旋转变压器（或脉冲编码器）直接装在伺服电机轴的尾部，减少机床制造时的安装调试麻烦，结构也比较简单，故这种被广泛应于中小型数控机床上。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。SchoolofMechanicalandPowerEngineering2
