高精度数控机床主轴伺服控制系统研究
数控机床的伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
伺服驱动装置
位置控制模块 速度控制单元
工作台 位置检测
速度环 速度检测 位置环
伺服电机
测量反馈
图6-1 闭环进给伺服系统结构
数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内 环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。 速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控 制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由 CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组 成。
第6章 数控机床的伺服系统
A C1 B4 2 B 3C A
逆时针转30º
C 4 B
A 1 2 3 A
B
C 1 B
A 2
B 3 C
C
逆时针转30º
4 A
第6章 数控机床的伺服系统
采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针 方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于 双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以 工作比较稳定。
第6章 数控机床的伺服系统
设 A 相首先通电，转子齿与定子 A 、 A′ 对齐（图 3a ）。然后在 A 相继续通电的情 况下接通 B 相。这时定子 B 、 B′ 极对转子 齿 2 、 4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转 动，但是 A 、 A′ 极继续拉住齿 1 、 3 ，因 此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转 子的位置如图 3b 所示，即转子从图 (a) 位 置顺时针转过了 15° 。接着 A 相断电， B 相继续通电。这时转子齿 2 、 4 和定子 B 、 B′ 极对齐（图 c ），转子从图 (b) 的位置又 转过了 15° 。其位置如图 3d 所示。这样， 如果按 A→A 、 B→B→B 、 C→C→C 、 A→A… 的顺序轮流通电，则转子便顺时针 方向一步一步地转动，步距角 15° 。电流 换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个 齿距角。如果按 A→A 、 C→C→C 、 B→B→B 、 A→A… 的顺序通电，则电机 转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六 拍方式。
数控机床对伺服系统的要求
数控机床对伺服系统的要求(1) 精度高伺服系统的精度：输出量能复现输入量的精确程度。
伺服系统的位移精度: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，位移精度愈高。
(2) 快速响应特性好快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。
机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，加工时为保证所要求的轮廓外形精度和的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。
(3) 调速范围要大调速范围：生产机械要求电机能供应的最高转速和最低转速之比。
在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种状况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。
既能满意高速加工要求，又能满意低速进给要求。
在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转矩。
(4) 系统牢靠性要好系统的牢靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间，这个时间越长牢靠性越好。
对主轴伺服系统，除上述要求外，还应满意如下要求：（1）主轴与进给驱动的同步掌握为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的力量，要求主轴驱动与进给驱动实现同步掌握。
（2）准停掌握在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精确位置的停止。
（3）角度分度掌握角度分度掌握有两种类型：一是固定的等分角度掌握；二是连续的任意角度掌握。
任意角度掌握是带有角位移反馈的位置伺服系统，这种主轴坐标具有进给坐标的功能，称为“C”轴掌握。
“C”轴掌握可以用一般主轴掌握与“C”掌握切换的方法实现，也可以用大功率的进给伺服系统代替主轴系统。
数控机床主轴系统工作原理
数控机床主轴系统工作原理
数控机床主轴系统是数控机床中的核心部件之一，它起到传动功率、转速调节
和位置控制的重要作用。
主轴系统由主轴、主轴驱动装置、主轴轴承和主轴控制系统等组成。
下面将介绍数控机床主轴系统的工作原理。
主轴是数控机床主轴系统的核心部件，它负责传递功率和转速调节。
主轴通常
由电机驱动，通过传动装置将驱动力传递给工件。
主轴采用精密的轴承支撑，并能够承受较大的径向和轴向载荷。
主轴的转速可以根据加工要求进行调节。
主轴驱动装置负责将电机的输出转矩传递给主轴。
通常使用的主轴驱动装置包
括皮带驱动和齿轮传动。
皮带驱动采用皮带传递转矩，具有结构简单、噪音低的优点，适用于低速加工。
而齿轮传动则采用齿轮组将转矩传递给主轴，具有承载能力强、传递效率高的特点，适用于高速加工。
主轴轴承起到支承主轴的作用，保证主轴的稳定运转。
主轴轴承通常使用滚动
轴承，如角接触球轴承和圆柱滚子轴承。
这些轴承具有高速运转和较高刚度的特点，能够满足高速加工的需求。
主轴控制系统是数控机床主轴系统的关键部分，它能够对主轴的转速进行控制。
主轴控制系统通常通过变频器或伺服控制系统来实现转速调节。
变频器能够通过控制电机的供电频率来调节主轴的转速，精度较低。
而伺服控制系统则通过控制电机的转矩来调节主轴的转速，具有较高的控制精度。
总之，数控机床主轴系统是数控机床的重要组成部分，它能够实现工件的传动、转速调节和位置控制。
主轴系统的工作原理包括主轴、主轴驱动装置、主轴轴承和主轴控制系统的协同工作，确保数控机床的高效加工。
高精度数控机床伺服系统控制原理研究
ｏ ｉｈ ｐ ｅ ｉｉｎ ＣＮＣ ｃ ｉｅ ｆｈｇ ｒｃｓｏ ｍａ ｈｎ 赵 中敏 朱 伟
（ 淮海 工 学院东 港 学院 实验 中心 江苏连 云 港２ ２ ６ ） ２０９
摘 要 ：讨 论和 分析 了数控 机床 伺服 系统 的闭环 和半 闭环 控制 ；并讨论 数控 伺服 系统 所采 用 的先 进 双 闭环控 制理 论 ，弥补 了单 一控 制方 式 的不足 ，表 明 了其 不仅具 有 高精度 的位 置控 制功 能 ，而且 还 有 极 高的稳 定性 和 易调 试性 ；另外 ，采 用 了先进 的光栅 反馈 补偿 装 置 ，使 机床 具备 了超 精 密 的定位 和 轨 迹跟 踪功 能 ，能 实现 大型光 学零件 的超 精 密加 工 。
高精 度伺 服 系统 往往采 用 闭环控 制 。
于主运动伺服 系统通常不如进 给伺服 系统要求 高 ，
所 以 ，本 文着 重讨 论如何 提 高进 给伺 服系统 的性 能 。 伺 服 系 统 作 为 数 控 机 床 的 重要 组 成 部 分 ，是 一
种 精 密 的位 置 跟 踪 与 定 位 系 统 。其 动 态 响应 和伺 服 精度 是 影 响 数 控 机 床 加 工 精 度 、表 面质 量 和生 产 率
上 讲 ，其 精 度 取 决 于 检 测装 置 的 测 量精 度 ） 。但 是 ， 闭 环 伺 服 系 统 由 于 检 测 的是 机 床 末 端 件 的 位 移 量 ，
８１
性能 ，又更 好地 满足 了生 产过 程 的需要 。
Ｗ Ｍ ＥＭ ５期 ２ ０ ０ ８年 １ ０月
数 控与 软件 Ｃ Ｃ ＆ ｓｆ ａｅ Ｎ ｏｔ ｒ ｗ
有 关 资 料 表 明 ，采 用 ＰＤ的计 算 机 控 制 回路 （ 括 Ｉ 包 Ｄ Ｃ 制 回路 ）仍 占８ ％以上 。本 文结 合数 控 伺服 系 Ｄ控 ５ 统 的特点 ，提 出 了利 用 双 闭环 控 制 来 实 现 高 精 度 伺
超精密数控机床控制系统技术方案
超精密数控机床控制系统技术方案1、系统组成超精密数控机床系统主要有三个部分：主轴、横向进给机构、纵向进给机构。
其平面布局如图1所示。
图1 超精密数控机床平面布局示意图主轴由空气磁力轴承支承，用带有变频器的电动机驱动，功率为1500W；横向进给机构与纵向进给机构均采用花岗石滑台与方导轨结构，各由一台伺服电动机直接驱动滚珠丝杠带动滑台在导轨上移动，电动机功率为850W。
2、技术要求（1) 横、纵向进给的操作采用手柄式控制开关操作（十字选择开关，中间有快速选择按钮）。
(2）进给的速度可调(最小为2mm/min），可实现自动/手动进给，移动精度为0。
1μm。
(3）横、纵向的移动应有锁定开关。
（4) 主轴旋转可调速50-1800r/min(60Hz达到1800r)采用无级变速,且有相对的转速指示.（5) 主轴旋转的起、停均需有缓冲过程（慢爬、慢停），主轴旋转应有保护电路,断电时应缓慢停止旋转。
（6）气压保护,控制机床的正常运转(0.4MPa），低于设定值时机床不能工作（或停止工作）。
(7) 电源、气源有正常工作灯指示.（8）其余要求按常规机床实施。
有电控箱、人机对话控制台、手柄式控制进给操作手柄组成.3、系统功能需求3.1 主轴(1)无级变速，要求50～1800转；(2)启停应有一个过渡过程（即从慢到快启动，从快到慢停止）;(3)转速设定；3.2横向进给机构(4)任意位置停止锁定；(5)移动距离设定；(6)设置快速移动操作手柄；3.3纵向进给机构(1)任意位置停止锁定;(2)移动距离设定;(3)设置快速移动操作手柄；3.4控制面板(1)主轴转速设定、显示；(2)横向进给量设定、显示；(3)纵向进给量设定、显示；(4)纵横向进给手动控制；(5)电源总快关3.5系统整体(1)主轴中心线位置定位(原点、二次定位点）(2)刀具轨迹程序编制4、控制系统解决方案4.1 硬件解决方案根据数控机床的功能需求与技术要求，拟定其控制系统硬件解决方案如图2所示。
高端数控机床运动控制系统设计与优化
高端数控机床运动控制系统设计与优化随着科技的不断发展，高端数控机床在制造业中扮演着重要的角色。
高精度、高刚度和高速度的要求使得数控机床的运动控制系统设计与优化变得至关重要。
本文将探讨如何设计和优化高端数控机床的运动控制系统，以实现更高的性能和效率。
首先，数控机床的运动控制系统由伺服电机、驱动器和运动控制器组成。
正确选择和设计这些组件是实现高性能控制的关键。
伺服电机的选择应考虑到功率、转速范围和动态响应等因素。
驱动器的选择应与伺服电机适配，并具有高精密度和快速响应的特点。
运动控制器的选择应考虑到控制算法的优化和实时性能的需求。
其次，对于高端数控机床的运动控制系统来说，精确的运动轨迹控制是至关重要的。
在设计过程中，应将运动控制系统划分为多个子系统，并针对每个子系统进行优化。
例如，位置控制子系统可以采用PID控制算法，并通过增加反馈传感器的数量来提高控制精度。
速度控制子系统可以采用先进的误差补偿算法，如预测控制和模型预测控制，以提高动态响应和防止运动过冲。
加速度控制子系统可以通过优化运动轨迹来减少机床振动和加速度的非线性变化。
此外，实时性是高端数控机床运动控制系统设计与优化中的关键问题之一。
为了实现快速响应和高精度控制，设计人员应选择高性能的运动控制器和精密的传感器，并采用快速采样和实时控制算法。
此外，还可以应用并行处理和分布式控制等技术来提高系统的实时性能。
另外，稳定性和可靠性是任何高端数控机床运动控制系统设计与优化过程中应关注的重要问题。
为了确保系统运行的稳定性，应进行系统的建模和仿真，并对系统的各个方面进行全面的测试和验证。
此外，还应采取合适的故障检测和容错技术来提高系统的可靠性和容错能力。
最后，为了进一步优化高端数控机床的运动控制系统，可以采用智能化和自适应控制技术。
智能化技术可以通过学习算法和智能优化方法来提高系统的性能和稳定性。
自适应控制技术可以根据工件的特性和加工条件来调整控制参数，以实现最佳加工效果。
伺服进给系统定位精度的试验研究
见 图 １ 。
驱动特性 的改善 以及 功能的扩大 。为此 ，数控机床对 伺服进 给系统的位 置控制 、速度 控制 、伺 服 电动机 、 机械传动等方 面都 有很 高的要求 。所 以，研究与开发 性能优 良的伺 服进给系统是现代数控机床 的关键技术
ＣＨＥ Ｓｙ Ｎ ｉｕ，Ｚ ＨＯＵ Ｈａｂ ，ＪＡＮＧ Ｙｏ ｇ ｈ ｎ ， Ｌ ｉｏ Ｉ ｎｃ ｅ ｇ ＯＮＧ Ｚ ｍｉｇ ｅ ｎ
（ ｏｌ ｅｏ ｃ ａ ｉ ｌ ｎｉｅ ｒ ｇｏ ｉ ｕｉ ｎｖｒ ｔ， ｉ ｕｉ ｅ ｏ ｇ ａ ｇ１４ ０ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｅ Ｍｅｈｎｃ ｇ ｅｉ ｆ ａ ｓ Ｕ ｉ ｓ ｙ Ｊ ｍ ｓ Ｈ ｉ ｎｊ ｎ ５ ０ ７ ｈｎ ） ａＥ ｎ ｎ Ｊｍ ｅｉ ａ ｌ ｉ
２１ ０ ２年 ４月 第 加 卷 第 ７期
机床 与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ Ｃ ＩＳ
Ａｐ ． ２ ２ ｒ ０１
Ｖｏ． ０ Ｎｏ ７ １４ ．
Ｄ ：１ ． ９ ９ ｊ ｉｓ． ０ １—３ ８ ． ０ ２ ０ ． ０ ＯＩ ０ ３ ６ ／ ．ｓｎ １０ ８ １２ １． ７ ０ ６
之一 。
伺 服 控 制 软件
１ 伺服 进给 控 制试 验 系统 的组成 试 验系统主要 由工作 台、三菱 电机及驱动 器以及 配套 的伺服 控 制软 件 、位 置检 测 装置 （ 由电感 式 的 电涡流传感器 、 ６通 道采 集仪 及 双通 道 振 动监 视仪 １ 组成 ）组 成 。位 置检 测 过程 是将 电涡流 传感 器 检测 到的位移信号 ，经过转换 电路分别输入 到数 据采集 仪
伺服进给系统定位精度的试验研究
数控机床主轴控制相关PLC与参数
CTRLOUT_MODULE_NR[ 0,AX3 ] CTRLOUT_NR[ 0,AX3 ] CTRLOUT_TYPE[0] NUM_ENCS ENC_MODULE_NR[ 0,AX3 ] ENC_INPUT_NR[ 0, AX3 ]
值 0 0 8000 0 1 2 1 2 0 1 1 2
数据说明 总线地址12 的报文类型 总线地址10 的报文类型 总线地址12 的功能选项：模拟主轴 双极性模拟量（出厂设定） 单极性模拟量（使能 & 方向） 单极性模拟量（+使能 & -使能） 给定值模块号 给定值号信号端口 给定值输出类型 编码器数量 编码器模块号 编码器信号端口号
说明
P 电源正 M 电源地
A *A 空 B *B 空
引脚
9 10 11 12 13 14 15
说明
P 电源正 R
M 电源地 *R 空 空 空
6)伺服主轴的电气控制原理图
2.数控机床主轴控制的相关PLC 1)配置主轴
2) 主轴使能控制
4）主轴点动
3.数控机床主轴的相关参数 1）与变频主轴相关机床数据的设定
主轴驱动装置，有普通变频器和闭环主轴驱动装置等， 普通变频器的生产厂家很多，目前市场上流行的有德国西门 子公司、日本三肯、安川等。闭环主轴驱动装置一般由各数控 公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克 公司的α系列等。
1.2变频主轴的电气控制原理
1)变频器的电气控制原理图
2)MM420 变频器电源及电机强电接线端子排列如下图所示：
30120 CTRLOUT_NR[ 0,AX3 ]
30130 CTRLOUT_TYPE[0]
30200 NUM_ENCS
30220 ENC_MODULE_NR[ 0,AX3 ]
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１ 模糊 直接转 矩控 制系统
在 传 统 直 接转 矩 控 制 中 ，一 个 采 样 周 期 中只
作 用 一 个 电压 矢 量 ，该 电 压 矢 量 根 据 定 子 磁 链 误 差 和 转矩 误 差 从选 择 表选 出 ，在每 个 控制 周期 里 ，
提 高 直 接 转 矩 控 制 系 统 的 性 能 。 空 间 矢 量 调 制 （ Ｖ ） 术 可 以有 效 地减 小 转 矩脉 动 ，并 且 在基 ＳＭ 技 于 Ｓ Ｍ 的 直 接转 矩 控 制 中逆 变器 开 关 频 率恒 定 ， Ｖ 而 且 在 一 个 采 样 周 期 中含 有 零 电压 矢 量 ，从 而能
关键词 ： 主轴 驱动 ；直 接转矩控 制 ；模糊空间矢量调制 中图分类号 ：Ｔ ７ Ｐ２ ３ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ — １４ ２１ ） （ 一０ ７－０ ９ ０ （ ０ ３ 下） ０ ９ ４ ０ ３ ２
Ｄｏ： ． ９９ Ｊｉ ｎ １ ０ － １４ ２ １ ．（ ） ２ ｉ １ ３ ６ ／ ． ｓ ．０ ９ ０ ．０ ３ 下 ．５ ０ ｓ ３ ２
（ 乡学院 ，新乡 ４ ３ ０ ） 新 ５ ０ ０
摘
要 ： 主轴伺服驱动技术作为数控机床的关键技术之一 ，在国内外受到普遍关注。本文在传统直接转 矩控 制的基础上 ， 结合模糊控制技术与空间矢量调制技术 ，重点研究了基于模糊 空间矢量调制
（Ｖ Ｓ Ｍ）的异步 电动机直接转矩控制系统。然 后在Ｍａ Ｉｂ ｓｍｕｎ 环境下建立了传统的基于 ｔ ／ ｉ ¨ｋ ａ 圆形磁链 的直接转矩系统仿真模型和基于改进的模糊Ｓ Ｍ直接转矩控制系统仿真模型 ，对模型 Ｖ 进行 了分析 ，取得了较好的效果。
对 电磁 转 矩 的 直 接 控 制 ，无 疑 更 为 简 捷 和 快 速 ， 进 一 步 提 高 了 系 统 的 转 矩 响应 能 力 ，且 无 超 调 ， 系统 的 动 静 态 品质 都 很 好 。 本 文 提 出 了一 种 基 于 直 接 转 矩 控 制 的数 控 机 床 主 轴 驱动 系 统 ，并 将 模 糊 控 制 与 空 间 矢 量调 制 技 术 相 结合 ， 目的是 为 了减 小 转 矩 和磁 链 脉 动 ，改 善 和 提 高 异 步 电动 机
响 ，也 使 在 当前 采 样 周 期 和 下 一个 采 样 周期 之 间
产 生 的 滞 后可 能使 误 差 超 过 滞 环 宽 度 ，造 成 磁 链
和 转 矩 的 脉 动 增 大 。 因此 ，要 实现 对 直 接 转 矩
控 制 系统 的 改进 ，应 该 以 减 少转 矩 脉 动 和 使 开 关
选 择 电压 矢 量 时 未 考 虑 转 速 的 因素 ，这 样 会使 转
矩 急 剧 地 增 加 或 减 少 ，导 致 转矩 的 脉 动 远 远 超过
够有 效地 抑制 转矩 、磁 链和 电流 的脉动 。
２ 模糊Ｓ Ｍ直接转矩控制系统 Ｖ
务Ｉ
匐 似
高精度数控机床 主轴伺服控制 系统研究
Ｈｉ ｅｃｉ ｉ ｇｈ ｐｒ ｓ ｏｎ ＣＮ Ｃ ａｃｈｉ ｏｏｌｓ ｎｄｌ ｓ ｖｏ ｃｏｎｔ ｏｌｓ ｓｔ ｍ ｎｅ ｔ ｐｉ ｅ ｅｒ ｒ ｙ ｅｍ ｅｓ ｒ ｅａｒ ｃｈ
姬清华 ，连黎明
Ｊ ｉｇ ｈ ａ． ＡＮ ｉ ｉｇ Ｉ ｎ ． ｕ ＬＩ Ｌ． ｎ Ｑ ｍ
直 接转 矩控 制 系统 控制性 能 。
频率 固定化 为 目的 。 作 为一 种 智 能 控 制 方 法 ，模 糊 逻 辑 控 制 技 术 为进 一 步 改 善 直 接 转 矩 控 制 系统 的性 能 提 供 了 有 力 的支 持 。 将 模 糊逻 辑 技 术 与传 统 的直 接 转 矩控 制 相 结 合 ，能 显 著 地提 高 控制 系统 的动 态 响 应性 能 ，但 是 在 减小 转矩 脉 动 方 面 ，提 高 的幅 度 不大 。 主 要 原 因 在 于 可 选 择 的空 间 电压 矢 量 仍 然 只 有 ８ 个 ，每 个 采 样 周 期 只作 用 １ 电压 矢 量 ，开关 频 个 率 也未 提高 。
通 过 合 理 选 择 电压 矢 量 ，使 定 子 磁 链 和 电磁 转 矩
转 矩 控 制 算 法 的性 能 ，除 了利 用 模 糊 逻 辑 控制 技
术 以外 ，再 结 合 新 的 控 制 策 略 化 ，从 而 把 转 矩 和 定 子 磁 链误 差 限 制 在 滞 环 内 ，这 种 控 制 模 式 算 法 简 单 ，转 矩 响 应 速度 快 。但 是 在数 字 系统 的一 个 采样 周 期 内 ， 只有 有 限 且 不 连 续 的 空 间 电压 矢 量 的 选 择 ，并 且
变 量 ， 因此 无 需 进 行 磁 场 定 向 和 矢量 变 换 ，这 种
矩 振 动 。 另一 方 面 ，逆 变 器 的 开关 频 率 是 不 固定
的 ，滞 环 比较 器 的幅 值 大 小 影 响 着 开 关 频 率 ，在 数 字 化 的 直 接 转 矩 控 制 系统 中 ， 由于数 字计 算 的 系统 滞 后 、传 感器 的灵 敏 度 及 Ａ Ｄ 转换 时 间等 影 ／
０ 引言
数 控 机 床 主 轴 驱 动 系统 作 为 机 床 的最 核 心 的 关 键 部 件 之 一 ，其 输 出性 能 对数 控 机 床 的 整体 水 平是 至 关 重要 的。 因此 就 需要 开 发 出技 术 性能 高 、 价 格 低 廉 的 交 流 主 轴 驱 动 系 统 。直 接 转 矩 控 制 技 术 作 为 继 矢 量 控 制之 后 发 展起 来 的高 性 能 交流 电 机 控 制技 术 ，它 直 接 将 磁 通 和 电磁 转 矩 作 为 控 制