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1、数控机床的伺服控制系统山东大学控制科学与工程学院 曾毅第1讲1 1数控机床的伺服控制系统伺服控制系统(Servo Control System)定义：在自动控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。伺服控制系统* *2 2数控机床的伺服控制系统伺服控制系统(Servo Control System)定义：在自动控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。* *3 3数控机床的伺服控制系统第一章 伺服控制系统的基本结构与分类第一章 伺服控制系统的基本结构与分类第二章 第二章 伺服系统的执行组件伺服系统的
2、执行组件第三章 第三章 伺服驱动器的选择伺服驱动器的选择第四章 步进电动机常见故障分析与维修第四章 步进电动机常见故障分析与维修* *4 4数控机床的伺服控制系统第一章 伺服控制系统的基本结构与分类第一章 伺服控制系统的基本结构与分类第二章 第二章 伺服系统的执行组件伺服系统的执行组件第三章 第三章 伺服驱动器的选择伺服驱动器的选择第四章 步进电动机常见故障分析与维修第四章 步进电动机常见故障分析与维修* *5 5第一章 伺服控制系统的基本结构与分类第二次世界大战期间，由于军事上的需求，美国麻省理工学院于1944年研制成功了世界上第一个伺服控制系统：火炮自动跟踪目标伺服控制系统。军事需求的激励
3、和控制器件、执行机构和功率驱动装置的发展推动了伺服系统控制技术的高速发展。上世纪60年代伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。一、伺服控制系统的发展过程DateDate6 6第一章 伺服控制系统的基本结构与分类例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，火炮方位的自动跟踪，防空导弹的制导控制，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是自动控制系统的一个重要分支。 一、伺服控制系统的发展过程DateDate7 7第一章 伺服控制系统的基本结构与分类伺服控制系统是数控机床的执行机构；是数控机床的“四肢和
4、眼睛”，数控机床的精度和速度等技术指标主要取决于伺服系统。1、稳定性好：稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有的平衡状态。2、精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。例如，作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01mm0.00lmm之间。3、快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒。 二、数控机床对伺服控制系统的要求DateDate8 8第一章 伺服控制系统的基本结构与分类4、
5、调速范围广：为了简化机床的机械结构，提高机床的转动精度和系统的硬度，数控机床对伺服控制系统提出较宽的调速范围。机床的调速范围是指电动机带额定负载状态下能够达到的最高速nmax和最低速nmin之比，即：一般数控机床的调速范围可达：D=24000高精密数控机床的调速范围可达：D=1000005、低速大转矩：机床加工的特点是低速时进行重切削，所以要求伺服控制系统应具有低速时输出转矩大的特性。二、数控机床对伺服控制系统的要求DateDate9 9第一章 伺服控制系统的基本结构与分类1、按照被驱动的执行元件分类电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）伺服控制系统电液伺服控制由于具有输出功率大、系统刚度大、控
6、制精度高和电气控制电路简单等突出优点在各类机床、重型机械、起重机械、汽车、大型试验设备、航空航天、船舶和武器装备等领域得到了广泛的应用。但是，电液伺服控制系统的缺点是加工难度大，抗污染能力差，维护不易，成本较高。 三、伺服控制系统的基本结构与分类DateDate1010第一章 伺服控制系统的基本结构与分类1、按照被驱动的执行元件分类电液伺服控制系统（执行元件是液压缸）伺服控制系统电气伺服控制系统（执行元件是电动机）三、伺服控制系统的基本结构与分类步进电动机伺服控制系统电气伺服控制系统 直流电动机伺服控制系统交流电动机伺服控制系统DateDate1111第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按
7、照自动控制原理分类开环伺服控制系统伺服控制系统 半闭环伺服控制系统 闭环伺服控制系统三、伺服控制系统的基本结构与分类DateDate1212第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按照自动控制原理分类1)闭环伺服系统 数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转动，经过齿轮、滚珠丝杠等传动元件带动机床工作台移动。三、伺服控制系统的基本结构与分类DateDate1313第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按照自动控制原理分类1)闭环伺服系统 装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，反馈到数控装置的比
8、较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制。若两者存在差值，经放大器放大后，再控制伺服驱动电动机转动，直至差值为零时，工作台才停止移动。三、伺服控制系统的基本结构与分类DateDate1414第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按照自动控制原理分类1)闭环伺服系统 闭环伺服系统的优点是精度高、速度快。主要用在精度要求较高的数控镗铣床、数控超精车床、数控超精镗床等机床上。三、伺服控制系统的基本结构与分类DateDate1515第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按照自动控制原理分类2)半闭环伺服系统 这种控制系统不是直接测量工作台的位移量，而是通过旋转变压器、光电编码盘或分解器等
9、角位移测量元件，测量伺服机构中电动机或丝杠的转角，来间接测量工作台的位移。三、伺服控制系统的基本结构与分类DateDate1616第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按照自动控制原理分类2)半闭环伺服系统 这种系统中滚珠丝杠和工作台均在反馈环路之外，其传动误差等仍会影响工作台的位置精度，故称为半闭环控制系统。半闭环伺服系统介于开环和闭环之间，由于角位移测量元件比直线位移测量元件结构简单，因此装有精密滚珠丝杠和精密齿轮的半闭环系统被广泛应用。三、伺服控制系统的基本结构与分类DateDate1717第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按照自动控制原理分类2)半闭环伺服系统 目前已经把角位移
10、测量元件与伺服电动机设计成一个部件，使用起来十分方便。半闭环伺服系统的加工精度虽然没有闭环系统高，但是由于采用了高分辨率的测量元件，这种控制方式仍可获得比较满意的精度和速度。系统调试比闭环系统方便，稳定性好，成本也比闭环系统低，目前，大多数数控机床采用半闭环伺服系统。三、伺服控制系统的基本结构与分类DateDate1818第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按照自动控制原理分类3) 开环伺服系统 此系统不带位置与转速反馈检测装置，该系统根据指令输入，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠，使执行机构(如工作台)移动或转动。如图1所示，这种控制方式没有
11、来自位置测量元件的反馈信号， 对执行机构的动作情况不进行检查，指令流向为单向，因此被称为开环控制系统。三、伺服控制系统的基本结构与分类图 1 开环控制系统的框图DateDate1919第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按照自动控制原理分类3) 开环伺服系统 此系统不带位置与转速反馈检测装置，该系统根据指令输入，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠，使执行机构(如工作台)移动或转动。如图1所示，这种控制方式没有来自位置测量元件的反馈信号， 对执行机构的动作情况不进行检查，指令流向为单向，因此被称为开环控制系统。三、伺服控制系统的基本结构与分类图 1
12、 开环控制系统的框图DateDate2020第一章 伺服控制系统的基本结构与分类2、按照自动控制原理分类3) 开环伺服系统 步进电动机伺服系统是最典型的开环控制系统。这种控制系统的特点是系统简单，调试维修方便，工作稳定，成本较低。由于开环系统的精度主要取决于伺服元件和机床传动元件的精度、刚度和动态特性，因此控制精度较低。目前在国内多用于经济型数控机床，以及对旧机床的改造。三、伺服控制系统的基本结构与分类图 1 开环控制系统的框图DateDate2121数控机床的伺服控制系统第一章 伺服控制系统的基本结构与分类第一章 伺服控制系统的基本结构与分类第二章 第二章 伺服系统的执行组件伺服系统的执行组
13、件第三章 第三章 伺服驱动器的选择伺服驱动器的选择第四章 步进电动机常见故障分析与维修第四章 步进电动机常见故障分析与维修* *2222第二章 伺服系统的执行组件对于电气伺服控制系统的执行组件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。其作用是将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角速度和角位移的变化，从而带动机床的机械部件作相应的进给运动。伺服电机的功率容量一般都在15KW以下，其中步进电动机的容量一般都在1KW以下。伺服系统对执行组件的基本要求是：（1）控制简单，并具有较宽的调速范围；（2）动作迅速，时间常数小；（3）具有稳定的机械特性；（4）工作可靠，无自转现象（当输入信号为零时
14、，伺服电动机应立即停止转动）。DateDate2323第二章 伺服系统的执行组件一、步进电动机概述普通电动机是连续运转的。步进电动机是在外加电脉冲信号的作用下一步一步的运转，正因为它的运动形式是步进式的，故称为步进电动机。步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或线位移的电磁装置。 DateDate2424第二章 伺服系统的执行组件一、步进电动机概述由于步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组的通电顺序，便可获得所需的转角、转速和转动方向。无脉冲输入时，在绕组电源的激励下，气隙磁场使转子保持原有的位置处于定位状态。步
15、进电机具有独特的优点，作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化、工作可靠，而且可获得较高的控制精度。因而在工业上大量用作状态伺服组件、状态指示组件、位置控制和速度控制组件。 DateDate2525第二章 伺服系统的执行组件二、步进电动机的分类按工作原理：激磁式 定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动反应式 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动混合式 与反应式的主要区别是转子上置有磁钢按输出转矩大小：快速步进电机 输出扭矩一般为0.074Nm功率步进电机 输出扭矩一般为540Nm按定子排列方式：多段式（轴向式）定子各相按轴向依次排列单段式（径向式）定子各相在圆周依次排列D
16、ateDate2626第二章 伺服系统的执行组件二、步进电动机的分类按励磁相数不同分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小，但结构越复杂。 三、步进电动机的工作原理右图所示为数控机床中广泛应用的反应式步进电动机工作原理示意图。步进电动机由转子和定子组成。定子有六个磁极，磁极上有激磁线圈，每两个相对的磁极为一相，从而构成三相，分别称之为U、V、W三相。转子是带等距齿的铁心，图中所示转子上有四个等距的齿，这种步进电动机称之为三相步进电动机。DateDate2727第二章 伺服系统的执行组件三、步进电动机的工作原理当U、V、W三对磁极的绕组依次轮流通直流电，依次轮流产生磁场吸引转子转动。若首先让U相通电，则转子1、3两齿被磁极U吸引，转子就停留在图中所示的位置上。然后，U相断电，V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V的磁场产生，磁场把离它最近的2、4齿吸了过去，转子逆时针转过30，停在图中所示的位置上。接着，V相断电，W相通电，W相磁场吸引1、3齿，转子又逆时针转了 30 ，停在图中所示的位置上。 DateDate2828第二章 伺服系统的执行组件三、步进电动机的
