第二讲 数控机床的伺服系统
第二讲 数控机床的伺服系统
在这一讲，我们一起学习 数控机床对进给伺服系统的要求 数控伺服驱动系统的分类 步进电机驱动系统 交流伺服系统
在这一讲，我们一起学习 ◼ 数控机床对进给伺服系统的要求 ◼ 数控伺服驱动系统的分类 ◼ 步进电机驱动系统 ◼ 交流伺服系统
一、伺服驱动概述 ◆ ◆ 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自 动控制系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑” 是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是 数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地 执行由CC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的 运动方向，进给速度与位移量。伺服系统接收来自数控 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动数控机床各加 工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有的直接带动 刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件 产生各种复杂的机械运动，从而加工出所要求的零件形 ■1、伺服系统的组成 数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制 模块、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组 成，（如图4.1所示。）》
◼ 一、伺服驱动概述 ◼ 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自 动控制系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑” ， 是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是 数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地 执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的 运动方向，进给速度与位移量。伺服系统接收来自数控 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动数控机床各加 工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有的直接带动 刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件 产生各种复杂的机械运动，从而加工出所要求的零件形 状。 ◼ 1、伺服系统的组成 ◼ 数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制 模块、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组 成，（如图4.1所示。）
进给传动 (CNC位置控制 伺服驱动速度控制 位置检测装置 速度指令 伺服电动机 位置控 伺服驱 SM 制模块 动装置 来自CC 插补运算的 位置指令 速度反馈 位置反馈 ~速度检测装置 图4.1闭环伺服系统组成 闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速 度环组成。速度环速度控制单元是一个独立的单 元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速 装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位 置控制模块、位置检测装置及位置反馈组成
图4.1闭环伺服系统组成 闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速 度环组成。速度环速度控制单元是一个独立的单 元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速 装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位 置控制模块、位置检测装置及位置反馈组成
·在伺服系统位置控制中，来自数控装置插补运算得到的 位置指令，与位置检测装置反馈来的机床坐标轴的实际 位置相比较，形成位置偏差，经变换为伺服装置提供控 制电压，驱动工作台向误差减小的方向移动。在速度控 制中，伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置 反馈的实际转速对伺服电动机进行控制，以驱动机床进 给传动部件。 ■ 2、数控机床对进给伺服系统的要求 ◆ 数控机床进给伺服系统的性能在很大程度上决定了 数控机床的效率及精度的高低。为此数控机床对进给伺 服系统的位置控制、速度控制、以及伺服电动机、机械 传动等方面都有很高的要求。具体来说有这样一些要求：
◼ 在伺服系统位置控制中，来自数控装置插补运算得到的 位置指令，与位置检测装置反馈来的机床坐标轴的实际 位置相比较，形成位置偏差，经变换为伺服装置提供控 制电压，驱动工作台向误差减小的方向移动。在速度控 制中，伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置 反馈的实际转速对伺服电动机进行控制，以驱动机床进 给传动部件。 ◼ 2、数控机床对进给伺服系统的要求 ◼ 数控机床进给伺服系统的性能在很大程度上决定了 数控机床的效率及精度的高低。为此数控机床对进给伺 服系统的位置控制、速度控制、以及伺服电动机、机械 传动等方面都有很高的要求。具体来说有这样一些要求：
1)可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的 要求，随时都可能实现正向或反向运动。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变为机械能；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。 2)速度范围宽 为适应不同的加工条件，数控机床要求进给 能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动 机有很宽的调速范围和优异的调速特性。对一般 数控机床而言，进给速度范围在0~24m/min时， 就可满足加工要求
1）可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的 要求，随时都可能实现正向或反向运动。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变为机械能；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。 2）速度范围宽 为适应不同的加工条件，数控机床要求进给 能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动 机有很宽的调速范围和优异的调速特性。对一般 数控机床而言，进给速度范围在0～24m／min时， 就可满足加工要求
·3)具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 、● 伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化 时，也就是工件重量发生变化或加工时吃刀深度发生变 化时，伺服系统应使刀具进给速度保持恒定。刚性良好 的伺服系统系统，速度受负载力矩变化的影响很小。通 常情况，数控机床要求承受的额定力矩变化时，静态速 降（静态速降指的是伺服系统带负载运行时的转速和理 想空载转速之差)应小于5%，动态速降（动态速降指伺 服系统在承受突加负载时因电机轴力矩与承受的突加负 载不相适应而造成的短时速度陡降超调现象)应小于10 %
◼ 3）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 ◼ 伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化 时，也就是工件重量发生变化或加工时吃刀深度发生变 化时，伺服系统应使刀具进给速度保持恒定。刚性良好 的伺服系统系统，速度受负载力矩变化的影响很小。通 常情况，数控机床要求承受的额定力矩变化时，静态速 降(静态速降指的是伺服系统带负载运行时的转速和理 想空载转速之差)应小于5％，动态速降(动态速降指伺 服系统在承受突加负载时因电机轴力矩与承受的突加负 载不相适应而造成的短时速度陡降超调现象)应小于10 ％
4)快速响应无超调 数控机床在加工时，为了保证轮廓切削形状精度和提 高零件表面光洁度，对位置伺服系统既要求有较高的定位 精度，还要求有良好的快速响应特性。这就对伺服系统的 动态性能提出两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频 繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生 产效率和保证加工质量，要求加速度、减速度足够大，以 缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最 大减少到零，过渡时间应控制在200ms以下，甚至少于几 十毫秒，而且速度变化时不应有超调（超过给定速度值） 另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振 荡，这样才能得到光滑的加工表面
◼ 4）快速响应无超调 ◼ 数控机床在加工时，为了保证轮廓切削形状精度和提 高零件表面光洁度，对位置伺服系统既要求有较高的定位 精度，还要求有良好的快速响应特性。这就对伺服系统的 动态性能提出两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频 繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生 产效率和保证加工质量，要求加速度、减速度足够大，以 缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最 大减少到零，过渡时间应控制在200ms以下，甚至少于几 十毫秒，而且速度变化时不应有超调（超过给定速度值）； 另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振 荡，这样才能得到光滑的加工表面
5)高精度 要满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床 的定位精度和进给跟随精度。位置伺服系统的定位精度 一般要求能达到1um甚至0.lum,相应地，对伺服系统 的分辨力也提出了要求，什么是伺服系统的分辨力呢？ 就是当伺服系统接受数控装置送来的一个脉冲时，工作 台相应移动的单位距离叫分辨力，也称脉冲当量。系统 分辨力取决于伺服系统稳定工作性能和所使用的位置检 测元件。目前的闭环伺服系统都能达到1um的分辨力。 高精度数控机床可达到0.1um的分辨力甚至更小 6)低速大转矩 数控机床的切削加工一般在工作台低速时进行，所 以低速时进给驱动要有大的转矩输出，以满足低速进给 切削的要求
5）高精度 要满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床 的定位精度和进给跟随精度。位置伺服系统的定位精度 一般要求能达到1μm甚至0.1μm，相应地，对伺服系统 的分辨力也提出了要求，什么是伺服系统的分辨力呢？ 就是当伺服系统接受数控装置送来的一个脉冲时，工作 台相应移动的单位距离叫分辨力，也称脉冲当量。系统 分辨力取决于伺服系统稳定工作性能和所使用的位置检 测元件。目前的闭环伺服系统都能达到1μm的分辨力。 高精度数控机床可达到0.1μm的分辨力甚至更小。 6）低速大转矩 数控机床的切削加工一般在工作台低速时进行，所 以低速时进给驱动要有大的转矩输出，以满足低速进给 切削的要求
伺服系统的分类 开环伺服系统 按使用的 按控制原理和 (直流伺服系统 伺服电动 有无检测反馈 闭环伺服系统 机类型分 环分类： 交流伺服系统 半闭环伺服系统 类： L按执行机构的控制方式分类 )开环伺服系统 开环伺服系统没有检测反馈装置，数控装置发出 的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元 件和伺服电机的性能，弁环伺服系统所用的电动机主 要是步进电动机。，移动部件的速度与位移是由输入脉 冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系 统各有关零部件的精度
二、伺服系统的分类 1.按执行机构的控制方式分类 1)开环伺服系统 开环伺服系统没有检测反馈装置，数控装置发出 的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元 件和伺服电机的性能，开环伺服系统所用的电动机主 要是步进电动机。移动部件的速度与位移是由输入脉 冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系 统各有关零部件的精度。 按控制原理和 有无检测反馈 环分类： 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环伺服系统 按使用的 伺服电动 机类型分 类： 直流伺服系统 交流伺服系统