第四章 数控机床的伺服驱动系统(6学时)
第四章数控机床的伺服驱动系统（6学时）
4.1 概述
4.2 常用驱动元件
4．2．1 步进电机
一、步进电机概述
步进电机及其驱动系统主要用于开环控制系统。它由步进电机驱动电源（又称步进电机驱动器）和步进电机组成。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环驱动元件。步进电机所用的电源与一般交、直流电机的电源也有区别，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电机或电脉冲电机。在非超载的情况下，电机的转速、角位移只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单、维修也较方便，而且为全数字化控制？？。
步进电机分类：
1）步进电机按输出扭矩的大小，可分为快速步进电机与功率步进电机；
2）按励磁相数，可分为三相、四相、五相甚至八相；
3）按其运动方式，分旋转式、直线式、平面运动式和滚切运动式；
4）按结构，可分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式；
5）按工作原理，可分为反应式、电磁式、永磁式、永磁感应子式（混合式）步进电机，其中反应式和混合式步进电机比较常用。
不同类型步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全相同。
（对给定的电机体积，混合式步进电机产生的转矩比反应式的大，加上混合式步进电机的步距角常做得很小，因此在工作空间受到限制而需要小步距角和大转矩的情况下，常选用混合式步进电机。反应式步进电机和混合式步进电机的根本区别在于其转子是否具有永久磁性。反应式步进电机转子上没有永久磁钢，所以转子的机械惯量比混合式步进电机的转子惯量低，因此可以更快地加、减速。混合式步进电机转子有永久磁钢，所以在绕组未通电时，转子永久磁钢产生的磁通能产生自定位转矩，虽然这比绕组通电时产生的转矩小得多，但它确实是一种很有用的特性：使其在断电时，仍能保持转子得原来位置。反应式步进电机在断
电时靠干摩擦负载转矩或靠专门的磁定位或机械定位装置来实现定位。在实际应用中为提高加工精度，多采用小步距角的步进电机。）有待考证
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。
实际应用中，主要控制步进电机的角位移、转速和方向(重点)。
?步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角
?脉冲的频率决定着电机的转速
?改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变
二、反应子式步进电机工作原理
（一）反应式步进电机原理
由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面以三相反应式步进电机为例说明步进电机的工作原理。
1、结构：
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
2、参数
(1) 步进电机的步距角由下式决定
360mkz
α=
若采用细分电路，则步距角由下式决定：
360mkz
α=/细分数
(2) 若步进电机通电的脉冲频率为f ，则步进电机的转速为
60(/min)f n r s mzk
= (60f*α/360,f 的单位：个/s) 其中： α――步距角
s n ――步进电机的转速
m ――定子励磁绕组的相数
z ――转子的齿数
k ――通电方式系数，单拍时，k ＝1；双拍时，k ＝2
3、术语
(1)相数：定子磁极对数。常用m 表示。
(2)拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n 表示，或指电机转过一个齿
距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB ，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
(3)步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数
J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
(4)失步：
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 (5)失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的
误差，采用细分驱动是不能解决的。 (6)最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
(7)最大空载的运行频率：
电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 (8)运行矩频特性：
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
(9)最高起动频率fq：电机正常起动时(不丢步)所能承受的最高控制频率,起动频率低于连续运动频率,因为起动时电机既要克服负载力矩,又要克服惯性力矩，且负载越大，fq越低。
(10)连续运行频率（最高工作频率） fmax:步进电机连续工作时能接受的最高频率,因运行时转动惯量的影响比起动时大大减小，所以fmax 》fq，它表明步进电机所能达到的最高速度
三、驱动控制系统组成
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：
1、脉冲信号的产生
脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。
2、信号分配（由环形分配器完成）
感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为
,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。
3、功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，目前，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：
图 单电压驱动电路工作原理
图 高低电压驱动电路工作原理
说明：
CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）
OPTO 接CPU+5V
FREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作
DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转
VCC 直流电源正端
GND 直流电源负端
A 接电机引出线红线
接电机引出线绿线
B 接电机引出线黄线
接电机引出线蓝线
步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：
4、细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
四、步进电机的应用
（一）步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
1、步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
2、静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
3、电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）
综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：
4、力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
P= Ω·M
Ω=2π·n/60
P=2πnM/60
其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米
P=2πfM/400(半步工作）
其中f为每秒脉冲数（简称PPS)
(二）应用中的注意点
（0.9度时6666PPS)，
1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，
最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG 采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。
4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。
5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。
6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。
7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。
8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。
9、应遵循先选电机后选驱动的原则。
二、直流(DC)伺服电动机
直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能的旋转电动机。
直流伺服电动机具有良好的调速特性，对伺服电机的调速性能要求高的设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。
直流伺服电动机的工作原理主要基于：
电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用
电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导体中要产生感应电动势
目前数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是大惯量宽速直流伺服电动机，占主导地位的是永久磁铁励磁式电动机
直流伺服电动机结构较复杂，电刷、换向器需经常维护，电机转速受限，AC克服此缺点，因此AC伺服电动机有取代DC伺服电动机的趋势
三、永磁交流伺服电机结构：定子、转子、检测元件
工作原理：定子绕组接上三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场吸引转子同步旋转。
矢量控制：
直流伺服电机的调速性能好，控制简单（线性），如果能模拟直流电动机，使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此，需将三相交变量转换为与之等效的直流量，然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。
直流主轴电动机的结构和普通直流电动机的结构基本相同，其主要区别是：在主磁极上除了绕有主磁极绕组外，还绕有补偿绕组，以便抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能；直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果。
直流主轴电动机的基本速度以下为恒转矩范围，在基本速度以上为恒功率范围。直流主轴电动机采用双域调速系统调速。永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体，其转子分为普通型和小惯量型两类。普通型转子永磁直流电动机和小惯量型转子直流电动机各有其自己的特点。永磁直流伺服电动机需用特性曲线和数据表描述其性能。用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机主要采用晶体管脉宽调制调速系统调速。
交流主轴电动机是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。与直流主轴电动机相类似，在基本速度以下为恒转矩区，在基本速度以上为恒功率区。恒功率的速度范围只有1：3的速度比，当速度超过一定值后，功率-速度特性曲线会向下倾斜。交流主轴电动机广泛采用矢量控制调速方法进行速度控制。永磁同步交流伺服电动机的定子与普通感应电动机的定子相似，不过其外表面呈多边形，且无外壳，转子由多块永久磁铁和冲片组成。与直流伺服电动机一样，交流伺服电动机的性能也需用数据表和特性曲线来描述。永磁同步交流伺服电动机可以通过改变电动机电源频率来调速。
四直线电机驱动技术
直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。
在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。
1. 高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。
2. 精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。
3. 动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。
4. 速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达
500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
5. 行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。
6. 运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。
7. 效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。
直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。
4.3 伺服系统中的检测元件
一、伺服系统对检测元件的主要要求
6）1、工作可靠，抗干扰能力强
7）2、能满足精度和速度的要求
8）3、使用维护方便
9）4、易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化
5、成本低
二、检测元件分类：
分类：
1、数字式测量和模拟式测量
2、增量式测量和绝对式测量
3、直接测量和间接测量
电磁式测量位移装置：旋转变压器、感应同步器、磁尺
光电式位移测量装置：编码盘、光栅
旋转变压器、感应同步器、
脉冲编码
器：
、
光栅、
磁尺：用磁性标尺代替光栅，用电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。
测速发电机
表4-1 数控机床常用检测系统精度
旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。从物理本质上看，旋转变压器是一种可以转动的变压器。它由定子和转子组成，其原、副绕组分别放置在定、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。因此，当它的原绕组施加单相交流电压励磁时，副绕组输出电压的幅值将与转子转角有关。旋转变压器有多种分类方法：若按有无电刷来分，可分为接触式和无接触式两种；若按极对数来分，可分为单对极和多对极；若按用途来分，可分为计算用旋转变压器和数据传输用变压器；若按输出电压与转子转角间的函数关系来分，可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类。
脉冲编码器也叫光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前在机床上应用最多的传感器，根据它产生脉冲方式的不同，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。其中增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A 、B 和Z 相；A 、B 两组脉冲相位差90o，从而可方便地判断出旋转方向，而Z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位
1 标尺光栅
2 指示光栅
3 光电接收器
4 光源
置信息。而绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。它的特点是：①可以直接读出角度
坐标的绝对值；②没有累积误差；③电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。而混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
用于机床的位置测量并已得到广泛应用的有光栅、感应同步器、容栅、磁栅、球栅和激光。它们的检测精度及其代表厂商如表4－1所示。从表49－1可见，除激光外，光栅尺的分辨率和精度均高于其他四种测量系统，而在系统的稳定性、可靠性、使用方便及价格方面均比激光测量系统有着明显的优势。因此，在90年代，国际市场上的数控机床（指闭环控制结构），包括三坐标测量机所采用的测量系统80％以上都使用光栅。高精度的光栅测量系统，其分辨率可做到纳米级，精度可达±0.2μm。
光栅的种类很多，在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称作透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称作反射光栅；也可把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅；根据用途，可分为测量直线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。其中以玻璃衍光栅的精度为最高。目前世界上能生产光栅测量系统的国家很多，HEIDENHAIN、雷尼绍公司，以德国的HEIDENHAIN公司为著名，它无论在技术、品种、产量和市场占有率上都处于绝对领先地位。
仅用于位置检测的元件：旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺
仅用于速度检测的元件：测速发电机
两者均可使用的检测元件：脉冲编码器
数控机床的伺服系统发展应用
数控机床的伺服系统发展应用 20世纪50年代出现数控机床以来，作为数控机床重要组成部分的伺服系统，随着新材料、电子电力、控制理论等相关技术的发展，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统再到今天的交流伺服系统的过程。交流伺服技术的日益发展，交流伺服系统将逐步全面取代直流伺服系统。 数控（Numerical Control）是数控技术的简称。它是利用数字化的信息对机床及加工过程进行控制的一种方法。数控系统是数控机床的重要部分，它随着计算机技术的发展而发展。现在的数控系统都是由计算机完成以前硬件数控所做的工作，为特别强调，有时也称为计算机数字控制系统。计算机数字控制CNC（Computer Numerical Control）系统是以微处理器技术为特征,并随着电子技术、计算机技术、数控技术、通讯技术以及精密测量技术的发展而不断发展完善的一种先进加工制造系统。CNC系统框图见图1所示，它由数控程序、输入输出设备、操作面板、CNC装备、可编程控制器（PLC）、主轴伺服系统、进给伺服系统、检测装备和一些电气辅助装置等组成。 伺服系统是以驱动装置—电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统，它包括伺服驱动器和伺服电机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。 数控机床的伺服系统发展与分类 数控机床的伺服系统应满足以下基本要求: 精度高 数控机床不可能像传统机床那样用手动操作来调整和补偿各种误差，因此它要求很高的定位精度和重复定位精度。 图1 CNC系统框图 快速响应特性好 快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。在系统给定输入后，能在短暂的调节之后达到新的平衡或是受到外界干扰作用下能迅速恢复原来的平衡状态。 调速范围大 由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳的切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围，既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求。调速范围一般大于1:10000。而且在低速切削时，还要求有较大稳定的转矩输出。
数控伺服系统.doc
伺服系统： 汽轮机叶片高曲率半径数控加工伺服速度控制五轴联动、数控铣床、伺服系统、速度控制、直流脉宽调速 交流变频调速 硬件结构，变频调速原理，控制刀具 工件、旋转还直线
五轴联动数控铣床伺服系统（以AV1200/2五坐标立式数控铣床进行说明）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。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋 转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。 数控伺服系统的基本组成 数控系统按照调节理论来分，可以分为开环、闭环和半闭环三种数控系统，分别如下图所示： 开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。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。 半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。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。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。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。 闭环数控系统 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。从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。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。AV1200/2五坐标立式数控铣床正是采用的这种数控系统。 伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统。按有无反馈检测元件分为开环控制系统和闭环控制系统。按执行元件的不同，分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。 步进伺服系统 进伺服系统接受脉冲信号，它的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率或个数。由于没有检测和反馈环节，步进电机的精度取决于步距角的精度，齿轮传动间隙等，所以它的精度较低。而且步进电机在低频时易出现振动现象，它的输出力矩随转速升高而下降。又由于步进伺服系统为开环控制，步进电机在启动频率过高或负载过大时易出现“丢步”或“堵转”现象，停止时转速过高容易出现
数控机床的伺服驱动系统
第五章数控机床的伺服驱动系统 §5—1概述 数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件(如工作台、动力头等，本书仅以工作台为例)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。 数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。 一、伺服驱动系统的性能 对数控机床伺服驱动系统的主要性能要求有下列几点： (1) 进给速度范围要大。不仅要满足低速切削进给的要求，如5min mm， 还要能满足高速进给的要求，如 10000mm min。 (2) 位移精度要高。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，伺服系统的位移精度愈高。目前，高精度的数控机床伺服系统位移精度可 达到在全程范围内 5μ ±m。通常，插补器或计算机的插补软件每发出一个进给脉 冲指令，伺服系统将其转化为一个相应的机床工作台位移量，我们称此位移量为机床的脉冲当量。一般机床的脉冲当量为0.01~0.005 mm脉冲，高精度的CNC机床其脉冲当量可达0.001 mm脉冲。脉冲当量越小，机床的位移精度越高。 (3) 跟随误差要小。即伺服系统的速度响应要快。 (4) 伺服系统的工作稳定性要好。要具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳，从而使得能够加工出粗糙度低的零件。
数控系统伺服驱动优化方法
数控系统伺服驱动优化方法 白斌 内容摘要：目前数控机床配置的数控系统主要有日本FANUC和德国SIEMENS系统，如何提高伺服驱动系统的动态特性，这也是维修及调试人员必须要做的一项很重要的工作。 机床各轴的驱动、电机数据如速度环、位置环增益直接影响轴的动态运行特性。如果这些参数设置不当，就会导致机床运行过程中的振动，伺服电机啸叫，使加工无法进行，甚至会导致丝杆和导轨损坏。为了达到良好的零件加工精度，对驱动参数进行优化是一项必不可少的工作。 关键词：速度环位置环优化 伺服驱动优化的目的就是让机电系统的匹配达到最佳，以获得最优的稳定性和动态性能。在数控机床中，机电系统的不匹配通常会引起机床震动、加工零件表面过切、表面质量不良等问题。尤其在磨具加工中，对伺服驱动的优化是必须的。 数控系统伺服驱动包括3个反馈回路，即位置回路、速度回路以及电流回路，其组成的框图如图1-1所示。最内环回路反应速度最快，中间环节反应速度必须高于最外环，如果没有遵守此原则，将会造成震动或反应不良。
图1-1 伺服系统控制回路 伺服优化的一般原则是位置控制回路不能高于速度控制回路的反应，因此，若要增加位置回路增益，必须先增加速度回路的增益。如果仅仅增加位置回路增益，机床很容易产生振动，造成速度指令及定位时间增加，而非减少。在做伺服优化时必须知道机床的机械性能，因为系统优化是建立在机械装配性能之上的，即不仅要确保伺服驱动的反应，而且也必须确保机械系统具备高刚性。 以日本FANUC 0iC系统为例，详细讲解伺服驱动优化过程。主要过程在伺服调整画面进行优化调整，画面如图1-2所示。
图1-2 FANUC伺服调整画面 1）首先将功能位参数P2003的位3 设定1，回路增益参数P1825设定为3000，，速度增益参数P2021从200增加，每加100后，用JOG移动坐标，看是否震动，或看伺服波形（TCMD）是否平滑。 注：速度增益=［负载惯量比（参数P2021）+256］/256 *100。 负载惯量比表示电机的惯量和负载的惯量比，直接和具体 的机床相关，一定要调整。 2）伺服波形显示：把参数P3112#0改为1(调整完后,一定要还原为0)，关机再开机。如下图1-3所示：采样时间设定5000，如果调整X轴，设定数据为51,检查实际速度。 图1-3伺服波形设置画面
数控机床的伺服驱动系统
第五章数控机床的伺服驱动系统 数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件(如工作台、动力头等，本书仅以工作台为例)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。 数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。 一、伺服驱动系统的性能 对数控机床伺服驱动系统的主要性能要求有下列几点： (1)进给速度范围要大。不仅要满足低速切削进给的要求，如5mmmin ，还要能 满足高速进给的要求，如10000mmmin 。 (2)位移精度要高。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，伺服系统的位移精度愈高。目前，高精度的数控机床伺服系统位移精度可达到在全程范围内。通常，插补器或计算机的插补软件每发出一个进给脉冲指令，伺服系统将其转化为一个相应的机床工作台位移量，我们称此位移量为机床的脉冲当量。一般机床的脉冲当量为0.01~0.005 mm脉冲，高精度的CNC M 床其脉冲当量可达0.001 mm脉冲。脉冲当量越小，机床的位移精度越高。 (3)跟随误差要小。即伺服系统的速度响应要快。 (4)伺服系统的工作稳定性要好。要具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳，从而使得能够加工出粗糙度低的零件。
数控机床中伺服系统现状
数控机床中伺服系统的现状分析 一、概述 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。 二、伺服系统的结构及分类 从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机（图1）。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。 图1 伺服系统的结构 图1 伺服系统的结构 图1中的主要成分变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。如根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其它要素来探讨不同伺服系统的技术特性。 三、进给伺服系统的现状与展望
数控机床进给伺服系统的组成和分类
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。 二、进给伺服系统的组成 如图所示为数控机床进给伺服系统的组成。从图中可以看出，它是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负反馈，即与指令信号的相位相反。指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号向位置环送去减数。位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。它们或者直接对位移进行检测，或者间接对位移 进行检测。 开环伺服系统开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。如图所示，这种系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲电动机等。由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，通过齿轮副 与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。 闭环伺服系统 闭环伺服系统原理图如图所示。系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电动机以及电液伺服阀—液压马达。与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位移精度主要取决于检测装置的精度。闭环伺服系统的定位精度一般可 达±0.01mm～±0.005 mm。
半闭环伺服系统 半闭环伺服系统如图所示。将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件位置的系统称为半闭环系统。闭坏系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差，因此，半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些， 但是它的结构与凋试都比较简单。 全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字PID算法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。位置、速度和电流构成的三环结构 如图所示。
伺服系统在数控机床上的应用
[摘要]伺服电机比步进电机性能更优越，随着现代电机控制理论的发展，伺服电机控制技术成为了机床数控系统的重要组成部分，并正朝着交流化、数字化、智能化方向发展。 [关键词] 数控系统伺服电机直接驱动 近年来，伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。本文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。 一、数控机床伺服系统 （一）开环伺服系统。开环伺服系统不设检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电机作为驱动器件，机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。 （二）全闭环伺服系统。闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素，对系统稳定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用在高精度和大型数控机床上。 （三）半闭环伺服系统。半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同，同样采用伺服电动机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/ 速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能，在传动装置精度不太高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。 二、伺服电机控制性能优越 （一）低频特性好。步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象，运转非常平稳，交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 （二）控制精度高。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机，对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为 1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 （三）过载能力强。步进电机不具有过载能力，为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机，造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍，可用
数控机床的伺服驱动系统
第五章数控机床的伺服驱动系统 §5—1 概述 数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件(如工作台、动力头等，本书仅以工作台为例)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。 数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。 一、伺服驱动系统的性能 对数控机床伺服驱动系统的主要性能要求有下列几点： mm， (1) 进给速度范围要大。不仅要满足低速切削进给的要求，如5min 还要能满足高速进给的要求，如10000mm min。 (2) 位移精度要高。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，伺服系统的位移精度愈高。目前，高精度的数控机床伺服系统位移精度可 ±m。通常，插补器或计算机的插补软件每发出一个进给脉达到在全程范围内5μ
冲指令，伺服系统将其转化为一个相应的机床工作台位移量，我们称此位移量为机床的脉冲当量。一般机床的脉冲当量为0.01~0.005 mm脉冲，高精度的CNC 机床其脉冲当量可达0.001 mm脉冲。脉冲当量越小，机床的位移精度越高。 (3) 跟随误差要小。即伺服系统的速度响应要快。 (4) 伺服系统的工作稳定性要好。要具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳，从而使得能够加工出粗糙度低的零件。 二、数控机床伺服驱动系统的基本组成 数控机床伺服驱动系统的基本组成如图5-1所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型(见数控机床伺服驱动系统分类)，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。 图5-1 数控机床伺服驱动系统的基本组成 开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电机。执行元件对系统的特性具有重要影响。 闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台运动。
数控车床的伺服系统介绍
4、简述采用的数控铣床伺服系统的组成、原理及作用 数控机床伺服系统是以机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置 随动系统，简称伺服系统。 数控机床伺服系统包括进给伺服系统和主轴伺服系统。 1、进给伺服系统用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪、定位 系统，它包括速度控制和位置控制，是一般概念的伺服驱动系统；数控机床的进给伺服系 统与一般的机床的进给系统有本质的差异，它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，以及数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。 2、主轴伺服系统用于控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般只以速 度控制为主。 伺服控制系统分为开环伺服系统和闭环伺服系统，开环伺服系统由驱动控制单元、执行原 件和机床组成。闭环伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床及反馈检测元件、比较环 节组成。 图4-1数控伺服系统的组成 伺服系统的作用是接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定 的转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件进行运动。 5、分析所采用数控铣床所需的主运动、进给运动、换刀与刀库原理结构，并画出数控机 床总体方案草图，简述其尺寸、动力、运动参数范围。 5.1数控机床CK6140主轴运动 主轴部件是机床的重要部件之一，其精度、抗振性和热变形对加工质量有直接影响。特别 是如果数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响将更为严重。数控机床主轴部件 在结构上要解决好主轴的支承、主轴内刀具自动装夹、主轴的定向停止等问题。 数控机床主轴的支承主要采用图1所示的三种主要形式。图5-1a所示结构的前支承采用 双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。这 种结构的综合刚度高，可以满足强力切削要求，是目前各类数控机床普遍采用的形式。图 5-1b所示结构的前支承采用多个高精度向心推力球轴承，后支承采用单个向心推力球轴承。这种配置的高速性能好，但承载能力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。图5-1c所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和
数控机床中伺服系统现状分析(doc 5)
数控机床中伺服系统现状分析(doc 5)
数控机床中伺服系统的现状分析 一、概述 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。 二、伺服系统的结构及分类 从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机（图1）。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。 图1 伺服系统的结构 图1 伺服系统的结构 图1中的主要成分变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。如根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其它要素来探讨不同伺服系统的技术特性。
数控机床的伺服驱动系统设计
第一章绪论 1-1选题背景与意义 数控技术也叫计算机数控技术（CNC，Compute Numerical Control），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。 数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，数控技术的广泛应用给传统的制造业的生产方式，产品结构带来了深刻的变化。也给传统的机械，机电专业的人才带来新的机遇和挑战。我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不可少的物资手段。 数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。 在数控机床中，伺服系统是数控机床里的一个非常重的部分，对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。步进电机驱动系统控制数控车床进给运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。目前在数控车床开环系统中，进给驱动常使用伺服步进电机，由于直流伺服电动机存在着一些的固有的缺点（比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量比直流电动机小，使得动态响应好。另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10％～70％；其容量也可以比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。为了获得良好的主轴特性，主轴驱动系统中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求，而在进给驱动系统中一般都采用永磁同步电机，1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的调制技术应用
数控伺服系统组成及原理介绍
数控伺服系统组成及原理介绍 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。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C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。 一、伺服系统的组成 组成：伺服电机 驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块 位置调节单元 速度调节单元 电流调节单元 检测装置 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。 位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。 位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。
二、对伺服系统的基本要求 1．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。包括定位精度和轮廓加工精度。2．稳定性好 稳定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，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。 3．快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 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。0～24m / min。 5．低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 对伺服电机的要求： （1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性 （2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。 （3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度 (400rad / s2以上)。 （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。 三、伺服系统的分类 1．按调节理论分类
数控机床伺服系统
第6章 数控机床伺服系统 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。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。 第一节 概述 . 进给伺服系统的定义及组成 . 定义：进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动 控制系统。 一、进给伺服系统的定义及组成 组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元 件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。 ３、进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制和驱动装置组成。 ４、驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用 的电机有： 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机。 ５ 、速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相 互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。 ６、速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节 运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其 变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放。 ７、进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）： ? 功率相对较小； ? 控制精度要求高； ? 控制性能要求高，尤其是动态性能。 二、NC 机床对数控进给伺服系统的要求 1.调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内) 调速范围： 一般要求： 稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。 调速范围： 一般要求： 2.稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。 输出位置精度要高 静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度) 动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。 (轮廓精度) 灵敏度要高，有足够高的分辩率。 3.负载特性要硬 在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即△F 尽可能小；当负载突变 时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即△t 尽可能短； 应有足够的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（高速恒功率，低速恒转矩） 这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 4. 响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。 通常要求从 0→Fmax （Fmax →0），其时间应小于200ms ，且不能有超调， min max F F R N =min 1min 1.010000min mm F mm R N <≤>且
数控系统伺服电机控制
数控系统伺服电机控制 近年来，伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床 的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽 调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。本文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。 一、数控机床伺服系统 （一）开环伺服系统。开环伺服系统不设检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路， 电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用 步进电机作为驱动器件，机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分 的传动精度，难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度 受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单。所以开环控 制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。 （二）全闭环伺服系统。闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服 电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反 馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在 工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。系 统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线 性因素，对系统稳定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用 在高精度和大型数控机床上。 （三）半闭环伺服系统。半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同，同样采 用伺服电动机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测 速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统 稳定性没有影响，安装调试比较方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关，而数 控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能，在传动装置精度不太高的情况下，可以利 用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。 二、伺服电机控制性能优越 （一）低频特性好。步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此 现象，运转非常平稳，交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系 统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 （二）控制精度高。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如 松下全数字式交流伺服电机，对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电 机的脉冲当量的1/655。 （三）过载能力强。步进电机不具有过载能力，为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性 力矩，选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机，造成了力矩浪费的现象。而交 流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额 定转矩的三倍，可用于克服启动瞬间的惯性力矩。
数控机床伺服系统
第6章 数控机床伺服系统 进给伺服系统就是数控系统主要的子系统。如果说CNC 装置就是数控系统的“大脑”,就是发 布“命令”的“指挥所”,那么进给伺服系统则就是数控系统的“四肢”,就是一种“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。 第一节 概述 、 进给伺服系统的定义及组成 、 定义:进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置与速度作为控制量的自动 控制系统。 一、进给伺服系统的定义及组成 组成: 进给伺服系统主要由以下几个部分组成:位置控制单元;速度控制单元;驱动元件(电 机);检测与反馈单元;机械执行部件。 ３、进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制与驱动装置组成。 ４、驱动电机就是进给系统的动力部件,它提供执行部分运动所需的动力,在数控机床上常用 的电机有: 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机。 ５ 、速度单元就是上述驱动电机及其控制与驱动装置,通常驱动电机与速度控制单元就是 相互配套供应的,其性能参数都就是进行了相互匹配,这样才能获得高性能的系统指标。 ６、速度控制单元主要作用:接受来自位置控制单元的速度指令信号,对其进行适当的调节运 算(目的就是稳速),将其变换成电机转速的控制量(频率,电压等),再经功率放大部件将其变换 成电机的驱动电量,使驱动电机按要求运行。简言之:调节、变换、功放。 ７、进给驱动系统的特点(与主运动(主轴)系统比较): ? 功率相对较小; ? 控制精度要求高; ? 控制性能要求高,尤其就是动态性能。 二、NC 机床对数控进给伺服系统的要求 1、调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内) 调速范围: 一般要求: 稳定性:指输出速度的波动要少,尤其就是在低速时的平稳性显得特别重要。 调速范围: 一般要求: 2、稳定性:指输出速度的波动要少,尤其就是在低速时的平稳性显得特别重要。 输出位置精度要高 静态:定位精度与重复定位精度要高,即定位误差与重复定位误差要小。(尺寸精度) 动态:跟随精度,这就是动态性能指标,用跟随误差表示。 (轮廓精度) 灵敏度要高,有足够高的分辩率。 3、负载特性要硬 在系统负载范围内,当负载变化时,输出速度应基本不变。即△F 尽可能小;当负载突变时,要 求速度的恢复时间短且无振荡。即△t 尽可能短; 应有足够的过载能力,以满足低速大转矩的要求。(高速恒功率,低速恒转矩) 这就是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 4、 响应速度快且无超调 这就是对伺服系统动态性能的要求,即在无超调的前提下,执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。 通常要求从 0→Fmax(Fmax →0),其时间应小于200ms,且不能有超调,否则 对机械部件不利,有害于加工质量。 min max F F R N =m in 1m in 1.010000min mm F mm R N <≤>且
数控机床伺服系统中常见故障形式及诊断
数控机床伺服系统中常见故障形式及诊断 发表时间：2017-12-12T16:04:50.883Z 来源：《防护工程》2017年第19期作者：程军徽 [导读] 针对数控机床中伺服系统的故障形式、诊断及维护的简单阐述。 艾欧史密斯（中国）热水器有限公司江苏南京 210038 摘要: 针对数控机床中伺服系统的故障形式、诊断及维护的简单阐述。 关键词: 数控机床；伺服系统；故障；诊断 Abstract：The article will indicates the opinions of form of failure 、diagnose and maintenance about servo system in numerical control machine。 Keywords: Numerical control machine ； Servo system ； Failure ； Diagnose 1．伺服系统的组成及工作原理 1.1伺服系统的概念 在自动控制系统中输出量以一定规律跟随输入量的变化而变化的系统称之为随动系统，亦称伺服系统（伺服是英文“SERVO”的谐音）。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作为控制量的自动控制系统。它主要是控制机床的进给运动，一般有X、Y、Z三个坐标方向和主轴转速。 1.2伺服系统的作用 接受来自数控装置（CNC）的速度和位置指令信号，经过伺服驱动电路作一定的转换和放大后，通过伺服驱动装置和机械传动机构驱动机床执行元件跟随指令脉冲运动，实现预期的快速﹑准确的运动和进给。 1.3伺服系统的组成 数控机床的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统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测系统。 1.4伺服系统的工作原理 伺服系统是一种反馈控制系统。按照反馈控制理论，伺服系统需不断检测在各种扰动作用下被控对象输出量的变化，并用其与指令值之间的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被控对象输出量始终跟踪输入的指令值。因此，伺服系统的运动来源于偏差信号，其工作过程是一个偏差不断产生又不断消除的动态过渡过程。 伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能和加工精度。数控机床的最大移动速度、跟踪精度、定位精度及重复定位精度等重要技术指标均直接取决于伺服系统的动、静态性能。因而，保障伺服系统的正常运行是数控机床维护中的关键。 2．主轴伺服系统的故障形式及诊断方法 数控机床对主轴要求在很宽的范围内转速连续可调，恒功率范围宽。如日立公司的H.MARK-20D数控钻床，要求主轴转速的调节范围为20KRPM~120KRPM，以满足加工不同孔径的PCB的需求。 主轴伺服系统发生故障的表现形式有：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装置上用LED或数码管显示驱动装置的故障代码；三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障及诊断： 2.1环境干扰 当屏蔽或接地不良，主轴转速指令信号或反馈信号受外部环境的电磁干扰，使主轴驱动出现无规律性的波动。判别方法：设定主轴转速指令为零，若主轴仍有转速，而调零速平衡和飘移补偿无效。 2.2过载 切削用量过大，负载转矩超过最大值都可能引起主轴伺服过载报警。一般表现为主轴电动机过热﹑变频器（对交流主轴驱动而言）显示过流报警﹑保险丝熔断等。如一台日立H.MARK-10D数控钻床，由于一支钻头其柄直径偏差较大，在工作过程中，钻头下落，直至刀柄切入PCB中无切削刃切削，导致主轴负载陡然上升，继而CRT显示主轴伺服过载信息，检查发现该轴保险丝已熔断。 2.3主轴转速与进给不匹配 主轴转速与进给不匹配时，在切削过程中很容易折断刀具。判定故障点的方法： 1)参考CRT显示的报警信息。2)查看机床数据参数或I/O状态。 2.4转速偏离指令值 主轴转速不在正常范围时，可能的因素有：1)电机故障。2)CNC系统输出的转速模拟信号（一般为0~10V）与指令值不符。3)测速装置有故障或速度反馈信号断线。4)主轴驱动装置故障。例：一台MARK-7数控钻、铣两用机床开机自检，CRT显示转速没有归零。查看测速装置LED指示与CRT显示报警信息一致，经检测为测速装置有故障，更换后故障解除。 2.5主轴异常噪声及振动 1)在减速过程中发生，一般由于驱动装置造成的。如交流驱动中的再生回路故障。 2)在恒转速时产生，观察主轴电机自由停车过程中有否异常，如仍存在，则主轴机械部分有问题。 3)查看振动频率与转速是否有关。有，一般是机械部分或测速装置不良；无，应检查主轴驱动装置是否调整好。例：一台日立 H.MARK-10D数控钻床有一个主轴在钻孔过程中频繁断钻头。检修时发现此轴在加上转速后有异常噪声，实测转速较给定值小，自由停车时间比较其它主轴明显的要短。此主轴电机轴承为气浮结构，考虑到使用时间已较长，可能气浮部分有问题。拆开主轴查看，果然是气浮轴承有些气孔被堵塞，气浮作用力不均匀，转子运转失衡导致电机产生故障。 2.6主轴电机不转 CNC系统主轴驱动装置除了转速模拟控制信号外还有使能控制信号（一般为直流24V电压控制使能继电器线圈）。