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