第6章 数控机床的伺服系统
数控复习
数控复习第一章绪论数控机床的组成：1、输入输出设备2、数控装置3、伺服系统4、测量反馈装置5、机床本体数控机床按伺服系统的控制原理分为：开环控制的数控机床、闭环控制的数控机床（按传感器安装位置的不同分为全闭环和半闭环）开环、闭环共同点：1、采用直流/ 交流伺服电机驱动。
2 、采用数字增量插补法（时间分割、角度分割）。
3 、通常不用降速。
两个重要参数：步距角（两个相邻脉冲时间内转子转过的角度）、脉冲当量。
插补器：有无插补器是点位控制器与连续控制的根本区别。
数控机床特点：1、加工零件的适应性强，灵活性好。
2 、加工精度高，产品质量稳定。
3 、生产效率高。
4 、减少工人劳动强度。
5 、生产管理水平高。
数控机床的适用范围：产品品种的变换频繁、批量小、加工方法的区别大。
第四章计算机数控装置CNC装置的功能：1、基本功能（输入、插补、位控）2、选择功能3、特殊功能。
单微处理结构的CN（装置：（1）微处理器由控制器和运算器组成，是微处理机的核心，它完成控制和运算两方面的内容。
（2）总线是将微处理器、存储器和输入/ 输出接口等相对独立的装置或功能部件联系起来，并传送信息的公共通道。
它包括数据总线、地址总线和控制总线。
数控装置与机床及机床电器设备之间的接口分为三种类型：第一类、与驱动控制器和测量装置之间的连接电路。
第二类、电源及保护电路。
第三类、开/ 关信号和代码连接电路。
接口电路的主要任务是：1）进行电平切换和功率放大。
2）防止噪声引起误动作。
3）模拟量和数字量之间的转换。
机床控制的I/O部件1）特点：a、可靠性高抗干扰的能力强。
b 、进行信息转换功率放大。
2）光电隔离电路作用：a隔离信号防干扰、b电平转化。
多微处理机CNC装置的基本功能模块：1）CNCt理模块2 ）CNC插补模块3 ）位置控制模块4 ）PLC模块5）操作与控制数据输入输出和显示模块 6 ）存储器模块并行处理方法：资源共享、资源重复和时间重叠。
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。
数控技术及应用第6章 数控机床的电气驱动-步进电动机
工作方式
步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、 双六拍；三相双三拍等 双六拍；三相双三拍等。“单”是指每次只有一相 绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。
一、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型 三相绕组联接方式： （2）三相绕组中的通电顺序为： 三相绕组中的通电顺序为： A相 → B相 → C相 通电顺序也可以为： 通电顺序也可以为： A 相 → C 相→ B 相
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。 相通电使转子1 对齐。
A
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
B相通电，转子2、4齿 相通电，转子 、 齿 相通电 相轴线对齐， 和B相轴线对齐，相对 相轴线对齐 A相通电位置转 °； 相通电位置转30° 相通电位置转
C相通电再转 ° 相通电再转30° 相通电再转
（3）工作过程 ） A 相通电，A 方向的磁 相通电，
A
B' 4 1 2 3 A'
通经转子形成闭合回路。 通经转子形成闭合回路。
C' B
若转子和磁场轴线方向 原有一定角度， 原有一定角度，则在磁 场的作用下，转子 场的作用下，
C
被磁化，吸引转子， 被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁 阻最小的路径闭合， 阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 定子的齿对齐停止转动。 定子的齿对齐停止转动。
2、步进电动机
工作原理： 工作原理 ： 步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲 脉冲 线位移或角位移的电动机。每来一个 信号转换成线位移或角位移 线位移或角位移 信号 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小 段距离。 特点： 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，改变转动方向。 (4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。
数控机床的种类及其特点
金属切削机床：对金属材料的坯料或工件，用切削、特种加工等方法进行加工，使之获得要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。
1952年，试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。
它是由大型立式仿型铣床改装而成的三坐标数控铣床，其数控装置采用电子管元件，体积庞大，可作直线插补。
1957年投入使用。
1959年，美国克耐·杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功开发了加工中心（Machining Center－MC）。
数控机床主要由以下七个基本部分组成：介质：数控机床加工零件所需的控制信息和数据的载体（1）控制，即用来存放加工程序的载体，也称程序载体；早期用穿孔带、穿孔卡、磁带或磁盘制成。
（2）输入装置：将程序载体上的控制代码转换成电平信号，送数控装置的内部存储器。
如光电阅读机、磁带机、软驱、MDI、计算机输入（3）数控装置：NC机床的核心部件，它将输入的电信号译码和寄存，进行数据的运算和处理，实现刀具运动轨迹的插补运算，输出机床动作的控制指令。
主要包括运算器、控制器、存储器等，早期由逻辑元件的固定硬接线电路组成。
（4）强电控制装置：接受NC内部PLC输出的M、S、T信号，经功率放大驱动执行部件。
是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的辅助控制系统。
（5）伺服系统：接受数控装置输出的进给指令脉冲，经转换和功率放大，带动机床的移动部件或执行部件产生指令规定的运动，是一个位置控制系统，要求准确的控制机床刀具或工作台的位置。
由伺服驱动装置（位置和速度控制单元）、伺服电机和检测反馈装置组成。
它是整个数控系统的执行部分。
（6）检测反馈装置：测量运动部件的实际位移和速度，并转换成数字反馈信号后送回NC装置，从而构成机床伺服控制的闭合路径。
通常安装在机床的工作台或丝杠上。
（7）机床：主轴、床身、立柱、导轨、滚珠丝杠、工作台、刀架（库）等机床的机械构件。
1.2.1 按工艺用途分类1、普通数控机床 NC：包括：切削类.成型类.特种加工类.测量绘图类等2、数控加工中心机床 Machining Center－MC：结构：普通NC机床＋刀库和自动换刀装置（ATC）特点：一次装夹后能完成多个工序，又称多工序数控机床3、多坐标数控机床：结构特点：可以进行多坐标轴的联动控制，常用4～6轴,多则可达24轴4、计算机群控： Direct Numerical Control －DNC即直接数控1.2.2 按运动方式分类1．点位控制数控机床点位控制NC机床能控制工件相对于刀具运动，从一个位置精确地移动到另一个位置，在移动过程中不进行任何切削加工。
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。
数控机床的伺服系统的组成和各伺服电机技术的特点
数控机床的伺服系统的组成和各伺服电机技术的特点
数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。
伺服系统的组成是由：比较环节——驱动电路——执行元件——传动装置——移动部件；速度反馈，位置反馈环节。
进给伺服电机技术特点有六点：
1 调速范围宽。
2 位移精度高；一般数控机床的脉冲当量为0.01mm~0.005mm脉冲，高精度的数控机床其脉冲当量可达0.001mm脉冲。
3 定位精度高；定位精度一般为0.01mm~0.001mm，甚至0.1um。
4 稳定性好；对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀，平稳，稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。
5 动态响应要求过渡时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒。
步进电机的特点：步进电机的角位移或直线位移与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率成正比，能快速
的起动，制动和反转；在一定频率范围内各种运动方式都能任意的改变且不会失步，当停止输入控制脉冲后，只要维持控制绕组电流不变，电动机就会保持在某一固定位置上，所以步进电机具有自整步的能力，并且没有周累积误差，所以定位精度较高。
数控机床的位置伺服系统设计
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图 １ 系统 硬 件 框 图
（ ）位置环设计 。位 置控制 环在整个控制系统 中举足轻 １ 重， 也是 三个控制环 中最为复杂的控制环 。 其内容包括位置控 加速功能等。 设计采用 ＩＴ Ｌ ７ １ Ｎ Ｅ ８５ Ｈ作为 Ｃ Ｕ， Ｐ 位置环控制程 序 固化在 ８ ５ Ｈ内部 ４ ７１ Ｋ字节 的 Ｅ Ｒ Ｍ中 ， ＰＯ 主要完成位置伺 服 系统的控制 。伺服接 口电路采用 高精度 的 １ ４位 ＤＡ转化 ／
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（ｈ 州 ｖｃ ｗｎ ｉｈｓｈｏ ｏ ｙ ａ ｉ ，Ｈ ｎｎ Ｐｏｉ ｅ Ｊ ｕｎ Ｈｅａ ５ ６ ０ Ｃ ｉａ ｔｅ ｏ￣ ｄ ｈ ｃｏｌ ｆ Ｊ ｕｎ Ｃｔ ｅａ ｒ ｎ ， ｉ ａ ， ｎｎ ４ ４ ５ ， ｈｎ） ｇ ｉ ｙ ｖｃ ｙ
第 ３ ８卷 第 １期 ・ 术 学
Ｖ ｏ１ Ｎ ｏ． ． ３８ １
湖
南
农
机
２０１１年 １ 月
Ｊａ ． ０ １１ ｎ ２
ＨＵＮＡＮ ＡＧＲ ＣＵＬ Ｉ ＴＵＲ ＡＣＨＩ ＡＬ Ｍ ＮＥＲＹ
数控机 床的位置伺服 系统设 计
赵 亚 娟
（ 河南 省济 源市第 一职业 高 中 ， 河南 济源 ４４ ５ ） ５ ６０
服系统驱动机械执行部分 ， 最终实现精确的进给运动。 服系 伺 统实际上是一种高精度 的位置跟踪与定位 系统 。伺服系统 的 性能决定 了数控机床的许多性能 。因此提高进给伺服系统 的 动态特性与静态特性的品质 是人们始终追求 的 目标 。
数控技术第二版课后答案
数控技术第二版章节练习答案第一章绪论数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工数控机床的组成及各部分基本功能答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床三者如何区别答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
．数控机床有哪些特点答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。
适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床各有何特点答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
（2）闭环控制系统；其特点：a. 反馈信号取自于机床的最终运动部件（机床工作台）；b. 主要检测机床工作台的位移量；c. 精度高，稳定性难以控制，价格高。
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电气伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，操作维护 方便，可靠性高。电器伺服系统中的驱动元件主要有步进电 机、直流伺服电机和交流伺服电机。
电气伺服系统又分为直流伺服系统和交流伺服系统。
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。 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。
进给驱动系统
第6章 数控机床的伺服系统
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。主要考虑其力矩大小、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。
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。主要考虑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。
反应式步进电动机也称磁阻式步进电动机，是目 前最常用的步进电机。
第6章 数控机床的伺服系统
1.反应式步进电机的结构
径向三相反应进步电动机结构原理
U V W U
2.步进电机的工作原理
第6章 数控机床的伺服系统
U V W U
单三拍工作方式 ：定子按上述顺序通电，转子就一步步按逆时针 方向转动，每步转30º。改变通电顺序，步进电机就按顺时针方向 转动，同样每步转30º。
第6章 数控机床的伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
6.1 概述 6.2 开环伺服系统 6.3 闭环伺服系统
6.1 概述
第6章 数控机床的伺服系统
伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数 控机床的重要组成部分。
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பைடு நூலகம்移量。
步进电机驱动控制线路的功能
将具有一定频率f、一定数量和一定方向的进给脉冲
转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电 平信号的变化频率、变化次数和通断电顺序要与进给指令 脉冲的频率、数量和方向对应。
在现代CNC机床中得到了广泛应用。
第6章 数控机床的伺服系统
电液伺服系统
电液伺服系统的执行元件为液压元件，其 前一级为电器元件。驱动元件主要有电液脉冲 马达和电液伺服马达。数控机床发展初期，多 采用这种伺服系统，但由于供油系统体积庞大， 还有噪声、漏油等问题，从20世纪70年代逐步 为电气伺服系统所代替。
1.开环伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
开环伺服系统的特点： 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 无位置反馈，精度较低。 结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉；
一般用于经济型数控机床。
2.闭环伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
闭环伺服系统的特点：
有反馈控制系统,位置采样点从工作台引出，可直接对最终 运动部件的实际位置进行检测；
6.2 开环伺服系统
一、工作原理
第6章 数控机床的伺服系统
工作台移动的位移量由指令脉冲的个数决定， 移动的速度由指令脉冲的频率决定， 移动的方向由指令脉冲的方向决定。
第6章 数控机床的伺服系统
二、步进电机
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉 冲信号转换成相应的机械角位移的电磁机械装置。
用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类： 反应式步进电动机 混合式步进电动机
即
3600
mkz
式中 m ——定子激磁绕组相数； z ——转子齿数； k——状态系数（单拍时k =1，双拍时k =2）。
步进电机每走一步的步距角应是圆周360º的等分值。但是实 际的步距角与理论值有误差。在一转内各步距误差的最大值定为 步距误差。它的大小受制造精度、齿槽分布的不均匀和气隙不均 匀等因素影响。
具有很高的位置控制精度。 系统不稳定，设计、安装和调试都相当困难，价格昂贵。
主要用于精度要求很高的的数控机床。
3.半闭环伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
半闭环伺服系统的特点：
位置采样点是从伺服电机或丝杠的端部引出，对旋转角度进 行检测，不是直接检测最终运动部件的实际位置。
系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 精度较闭环差，较开环好。 结构简单、调试方便、精度也较高。
U UV V VW W WU U
三相六拍工作方式：定子按上述顺序通电，转子就一步步按逆时针方向 转动，每步转15º。改变通电顺序，步进电机就按顺时针方向转动，同 样每步转15º。
3.步进电机的使用特性 （1）步距角及步距误差
第6章 数控机床的伺服系统
每输入一个脉冲信号，转子所转过的角度就是步距角，
该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂， 综合性强。
第6章 数控机床的伺服系统
一、伺服系统的组成
伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为 控制对象的自动控制系统，又称拖动系统或位置随动 系统。
伺服系统接收数控装置发出的指令脉冲，并将指 令脉冲转换为机械位移，控制机床运动部件的运动。
第6章 数控机床的伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
（2）最高起动频率和最高工作频率 空载时，步进电机由静止突然起动，并不失步
地进入稳速运行，所允许的起动频率最高值称为最 高起动频率。
步进电机连续运行时，它所能接受的，既保证 不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。
（3）输出的转矩-频率特性
第6章 数控机床的伺服系统
三、步进电机的驱动控制电路
二、对伺服系统的要求
精度高 稳定性好 快速响应 调速范围宽 低速大转矩
三、伺服系统的分类
第6章 数控机床的伺服系统
数控机床伺服系统按调节原理分为—— 开环伺服系统、全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
按用途和功能分为—— 进给驱动系统和主轴驱动系统