数控机床的伺服驱动系统
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
5数控机床伺服驱动和检测
10
第一节 概述
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格 也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服 驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转 子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单， 适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展， 其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已 在数控机床中得到广泛应用。 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演 变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的 一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中， 采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电 动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法 达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还 处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术 的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给 驱动的机床会得到广泛应用。
选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。
分辨率（分辨角）α
设增量式码盘的规格为 n 线/转：
18
二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
2
第一节 概述
数控机床闭环进给系统的一般结构如图所示，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。由速度 检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机 轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置 来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位 置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相 应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
第五章 数控机床的伺服驱动系统
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
D/A 转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
图 5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
工作台
光栅或光 电编码器
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
数控机床的伺服驱动系统
（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺
服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。
（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚 未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2
－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台 正向进给。
CP A9 ≥1
CP
RC
+Vcc B
A A10 RD Q +Vcc
A3
DS
A4
Q CP
≥1
A7
DS
CPQ
A8 ≥1
RC
+Vcc BQ
A A11 RD +Vcc
D Q7 A12
数控系统伺服驱动器接线及参数设定
数控系统伺服驱动器接线及参数设定数控系统是一种实现数控机床运动控制的系统，它通过数控程序控制伺服驱动器驱动电机实现机床各轴的精确定位和运动控制。
正确的接线和参数设定对于数控系统的稳定运行和良好性能至关重要。
一、数控系统伺服驱动器接线1.电源线接线：将电源线的两根火线分别接入伺服驱动器的AC1和AC2端口，将零线接入伺服驱动器的COM端口。
2.电动机线接线：将电动机的三根相线分别接入伺服驱动器的U、V、W端口，注意保持相序正确。
3.编码器线接线：将编码器的信号线分别接入伺服驱动器的A相、B相和Z相端口，注意保持对应关系。
4.I/O信号线接线：将数控系统的输入信号线分别接入伺服驱动器的I/O端口，将数控系统的输出信号线分别接入伺服驱动器的O/I端口。
二、数控系统伺服驱动器参数设定伺服驱动器的参数设定包括基本参数设定和运动参数设定。
1.基本参数设定：包括电源参数设定、电机参数设定和编码器参数设定。
-电源参数设定：设置电源电压和频率等基本参数，确保电源供电稳定。
-电机参数设定：设置电机类型、额定电流、极数等参数，确保驱动器与电机匹配。
-编码器参数设定：设置编码器型号、分辨率等参数，确保编码器信号精确反馈。
2.运动参数设定：包括速度参数设定、加速度参数设定和位置参数设定。
-速度参数设定：设置速度环的比例增益、积分增益和速度限制等参数，确保速度控制精度。
-加速度参数设定：设置加速度环的比例增益、积分增益和加速度限制等参数，确保加速度控制平稳。
-位置参数设定：设置位置环的比例增益、积分增益和位置限制等参数，确保位置控制准确。
3.其他参数设定：包括滤波参数设定、限位参数设定和插补参数设定等。
-滤波参数设定：设置滤波器的截止频率和衰减系数等参数，确保驱动器与电机的振动减小。
-限位参数设定：设置限位开关的触发逻辑和触发动作等参数，确保机床在限位时及时停止。
-插补参数设定：设置插补周期、插补梯度和插补速度等参数，确保插补运动的平滑与快速。
数控技术 第七章 数控机床的进给伺服系统
三 步进电动机的基本控制方法
（2） 双电压功率放大电路 优点：功耗低，改善了脉冲 优点：功耗低， 前沿。 前沿。 缺点：高低压衔接处电流波 缺点： 形呈凹形， 形呈凹形，使步进电机 输出转矩降低， 输出转矩降低，适用于 大功率和高频工作的步 进电机。 进电机。
三 步进电动机的基本控制方法
（3） 斩波恒流功放电路 优点： 优点：1）R3较小（小 R3较小（ 较小 于兆欧） 于兆欧）使整个 系统功耗下降， 系统功耗下降， 效率提高。 效率提高。 2）主回路不串 电阻， 电阻，电流上升 快，即反应快。 即反应快。 3）由于取样绕 组的反馈作用， 组的反馈作用， 绕组电流可以恒定在确定的数值上， 绕组电流可以恒定在确定的数值上，从而保证在很大频率范 围内，步进电机能输出恒定的转矩。 围内，步进电机能输出恒定的转矩。
二 数控机床对伺服系统的基本要求
1 高精度 一般要求定位精度为0.01~0.001mm； ； 一般要求定位精度为 高档设备的定位精度要求达到0.1um以上。 以上。 高档设备的定位精度要求达到 以上 2 快速响应 3 调速范围宽 调速范围指的是 max/nmin 。 调速范围宽:调速范围指的是 调速范围指的是:n 进给伺服系统:一般要求 进给伺服系统 一般要求0~30m/min，有的已达到 一般要求 ，有的已达到240m/min 主轴伺服系统:要求 主轴伺服系统 要求1:100~1:1000恒转矩调速 要求 恒转矩调速 1:10以上的恒功率调速 以上的恒功率调速
一 直流伺服电动机调速原理
7-30 直流电动机的机械特性
二 直流电动机的PWM调速原理 直流电动机的 调速原理
7-24 脉宽调制示意图 脉宽调制示意图
Ud =
τ
T
U = δ T U δ T 称为导通率
数控系统伺服驱动器接线及参数设定
数控系统伺服驱动器接线及参数设定数控系统是一种将数字信号转化为机电信号控制机床动作的系统，其中伺服驱动器是数控系统的重要组成部分。
接下来将详细介绍数控系统伺服驱动器接线及参数设定的相关内容。
一、数控系统伺服驱动器接线1.电源接线：伺服驱动器需要接入适配的电源，以提供稳定的电源电压。
通常有三种常用的电源接线方式：单相220V接线、三相380V接线、单相220V与三相380V混合接线。
-单相220V接线：适用于功率较小的伺服驱动器。
通常需要连接L、N和G三根导线，L为火线，N为零线，G为地线。
-三相380V接线：适用于功率较大的伺服驱动器。
通常需要连接主线和辅助线。
主线有三根导线：R、S、T分别为三相电的火线，辅助线为PE 线，用于连接设备的接地线。
-单相220V与三相380V混合接线：适用于一些特殊场合，需根据具体情况进行接线。
2.控制信号接线：伺服驱动器需要接收数控系统发出的控制信号，以控制机床的动作。
通常有以下几个常用的控制信号接线方式：-脉冲信号接线：通常需要连接PUL+、PUL-、DIR+和DIR-四个接口。
PUL+为脉冲信号正极，PUL-为脉冲信号负极，DIR+为方向信号正极，DIR-为方向信号负极。
-使能信号接线：通常需要连接ENA+和ENA-两个接口。
ENA+为使能信号正极，ENA-为使能信号负极，当ENA+处于高电平时，伺服驱动器处于使能状态。
-报警信号接线：通常需要连接ALM+和ALM-两个接口。
当伺服驱动器发生故障或异常情况时，会产生报警信号，通过连接报警信号接口，可以及时响应故障并采取相应的措施。
二、数控系统伺服驱动器参数设定伺服驱动器的参数设定是为了使其能够更好地适应具体的机床加工需求，提高加工精度和效率。
1.速度参数设定：包括加速时间、减速时间、最大速度等参数的设定。
通过合理设定速度参数，可以控制机床的加工速度，以满足不同工件加工的需求。
2.位置参数设定：包括回零速度、回零位置、绝对位置、相对位置等参数的设定。
数控机床伺服系统的分类
数控机床伺服系统的分类数控机床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；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。
1.按用途和功能分：(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。
主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。
进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。
(2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。
主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。
2.按使用的执行元件分：(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。
其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。
（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。
其优点是操作维护方便，可靠性高。
其中，1）直流伺服系统其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。
其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。
2）交流伺服系统其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。
优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。
3.按控制原理分（1）开环伺服系统系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
开环伺服系统的特点：1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。
步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。
数控加工编程与操作及答案
《数控加工编程与操作》一、填空题（每空1分,共30分）1数控机床由数控系统和机床本体两大部分补偿。
2 数控系统由输入输出设备、计算机数控装置、伺服驱动系统、辅助控制装置等部分组成。
3 数控机床的伺服驱动系统分主轴伺服驱动系统和进给伺服驱动系统。
4 机床本体主要包括主传动装置、进给传动装置、床身、工作台等。
5 数控机床按伺服驱动系统分为开环控制、闭环控制、半闭环控制。
6 刀具补偿功能包括刀具位置补偿、刀具半径补偿和刀具长度补偿。
7 数控机床加工精度一般在0.005-0.1 mm之间。
8 数控加工程序的编制方法主要有手工编程和计算机自动编程。
9 数控程序结构由四部分组成，分别为程序名、开始符、程序内容和程序结束。
10 绝对坐标指令为G90，相对坐标指令为G91，快速点定位指令为G00。
11 M30指令含义为程序结束并返回程序起点，M06为换刀指令，M98为调用子程序指令。
12 铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。
13 铣削的切削速度与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量成反比，而与铣刀直径成正比。
14 数控系统控制刀具的运动轨迹，准确地说是控制刀位点的运动。
15刀具半径补偿的过程分为刀具半径补偿的建立阶段、进行阶段和撤消阶段。
16 D为刀具半径补偿地址，H为刀具长度补偿号地址。
17 G43为刀具长度正向补偿指令；G44为刀具长度负向补偿；G49为刀具长度补偿撤消指令。
18 进刀平面一般离加工表面5mm左右。
19 刀具在加工零件的过程中，刀具首先定位到起始平面(初始平面)，快速下刀至进刀平面，在一个区域加工完毕后，退至退刀平面，再抬刀至安全平面，在零件加工完毕后，抬刀至返回平面。
20 一般认为带有自动刀具交换装置的数控镗铣床称为加工中心，简称MC。
21 将当前主轴刀具更换为刀库一号位置刀具的指令是M06 T01.22 二维轮廓的铣削加工常见的进退刀方式有垂直进退刀、侧向进退刀和圆弧进退刀。
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fa 同步器 可逆计环形分配器
将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制 步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状 态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。
5. 功率放大器
将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大， 一般由前置放大器和功率放大器组成。
四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施
二、步进式伺服驱动系统工作原理
系统由 “步进电机驱动线路” + “步进 电机” 组成，对工作台位移、速度和运 动方向进行控制
指进 令给
步进电机驱动线路
步进电机
机 床
1. 工作台位移的控制
进给脉冲个数N→定子绕阻通电状态改变次数N→角
位移φ =αN→工作台位移
L=φt/360°
2. 工作台进给速度的控制
脉冲 混合 电路
加减 脉冲 分配 电路
加减 速电
路
环形 分配
器
功率 放大 至步进
器 电机绕阻
1. 脉冲混合电路
将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合 为正向或负向脉冲进给信号
2. 加减脉冲分配电路
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲
3. 加减速电路
将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的 脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。
数控机床的伺服驱动系统
§5-1 概述
伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控 制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的 要求进行运动。 伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精 度、定位精度等一系列重要指标，是数控 机床的关键技术。
机床的伺服驱动
Bedientafelfront mit PCU 20/50/70
4. 步进电机的主要特征
步距角α ： 0.5°～ 3°，决定控制精度，是决定步进式伺服系 统脉冲当量的重要参数 距角特性、最大静态转距Mjmax和启动转距Mq 启动频率fq ：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢 步的正常运行所允许的最高频率 连续运行的最高工作频率：保证不丢步运行的极限频率 加减速特性：描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到 静止的加减速过程中，定子绕阻通电状态的变化频率与时间的 关系。
2. 步进电机的结构
3. 步进电机的工作原理
基本结论
步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子 转过一个固定的角度，即电机的步距角； 改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转 方向随之改变; 步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子 的转速越高; 步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方式k 有关。 360/(mz)k
3. 螺距误差补偿
原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台 的位置精度，需要进行补偿。 补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线，在相应 位置时根据误差分布进行补偿。 实现方法
安置两个补偿杆 按照螺距误差在补偿杆上设置档块 工作台移动时行程开关与档块接触时进行补 偿
谢谢观赏
度均匀、平稳，粗糙度低，过载4～6倍，低速爬 行工作可靠，抗干扰性强；
三、数控机床伺服驱动系统的分类
✓ 按用途和功能分 ✓ 按控制原理和有无检测分 ✓ 按执行元件和动作原理分 ✓ 按控制方式分
1. 按用途和功能分
进给驱动：转距大小,调速范围,调节精度, 动态响应速度等； 主轴驱动：足够的功率,宽的恒功率调节 范围，速度调节范围；
进给脉冲频率f→定子绕阻通断电状态变化频率f→ 步进电机转速ω→工作台进给速度v
3. 工作台运动方向的控制
定子绕阻通电顺序改变→工作台运动方向改变
三、步进电机的驱动（控制）线路
功能：将一定频率f、数量N和方向的进给脉冲转 换为控制步进电机定子各相绕阻通断电状态变化 的频率、次数和顺序的功率信号
进给 脉冲
影响步进式伺服驱动系统精度的因素： • 步进电机； • 丝杠螺母传动幅；
由于受工艺和结构的限制，常常从控 制线路采取措施
1. 细分电路
把步进电机的一步分得再细一些，减小脉冲当量
2. 齿隙补偿（反向间隙补偿）
原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在， 会引起步进电机的空走； 补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换 向时增加输出脉冲进行补偿。
4. 按控制方式分
模拟伺服方式 数字伺服方式
§5-2 开环步进式伺服驱动系统
进
给 指
驱动控制单元 执行元件
机 床
令
✓ 执行元件是步进电机 ✓ 开环，无检测装置 ✓ 结构简单、容易调整 ✓ 控制精度低，速度受到限制。
一、步进电机的种类、结构及工作原理
1. 步进电机的种类
按产生力矩原理分：反应式、激磁式 按输出力矩大小分：伺服式、功率式 按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子 按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式
E/R- Modul NCU
DrehstromHauptspindelmotor
Peripherie SIMATIC S7-300
Umrichter SIMODRIVE 611 digital mit CNC SINUMERIK 840D
Leistungsteil
DrehstromServomotoren
2. 按控制原理和有无检测分
开环：无检测,经济型数控和老设备改造 闭环：半闭环（检测丝杠转角）和全闭环 （检测工作台直线位移）
3. 按执行元件和动作原理分
电液伺服驱动：由电液伺服阀、低速大 转矩液压马达或液压缸，位置检测等元 件组成 电气伺服驱动：步进电机、直流伺服电 机（频繁起动，制动，快速定位等优点， 但有电刷，需要维护），交流伺服电机 （易于维护，制造简单）
一、数控机床伺服驱动系统的基本组成
进
给 指
比较控制环节 驱动控制单元
执行元件
令
机
床
反馈检测单元
注: 开环、闭环、CNC（比较由软件实现）
二、伺服驱动系统的性能
1. 进给速度调速范围大：5mm/min，10m/min 2. 位移精度要高：全程积累误差≤±5μm，与脉冲
当量有关，δ↓，Δ↓； 3.跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好； 4.伺服系统的工作稳定性要好：抗干扰能力强，速