数控机床伺服系统
机床数控技术：第6章 数控伺服系统
6.2 伺服电动机
伺服电动机是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。
数控机床中常用的伺服电机： ● 直流伺服电机（调速性能良好） ● 交流伺服电机（主要使用的电机） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
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6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
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数控机床伺服系统的几个关键技术问题
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数控 机床伺服系统的 几个关键技术问 题
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１ 引 言
近 几 年 来 Ｃ Ｃ机 床 出 现 了一 些 更 新 的 的 伺 服 进 Ｎ
２ 伺服 刚 ５ ／ｄ
Ｇ 每条 导 轨 上所 承 受 的运 动部 件 的重 量 ，ｇｄ 滚 动 体 的 一 ｋ ；～
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出了由Ａ Ｃ电 机 直 接 驱 动 的 高 速 滚 珠 丝 杆 Ｐ Ｓ Ｂ Ｈ — Ｓ的 高 速 线 性 驱 动 装 置 ，并 且 采 用 了 双 电 机 双 丝 杆 驱 动 方
数控机床的工作原理及工作过程
数控机床的工作原理及工作过程数控机床是利用数字控制系统来控制机床进行加工的一种先进的机械设备。
它通过预先编写好的数控程序来控制机床的运动，实现对工件的加工。
本文将详细介绍数控机床的工作原理及工作过程。
一、工作原理数控机床的工作原理主要包括数控系统、伺服系统、传感器和执行机构等几个关键部分。
1. 数控系统：数控系统是数控机床的核心部件，它由硬件和软件组成。
硬件部分包括中央处理器、存储器、输入设备和输出设备等，软件部分则包括数控程序和操作界面等。
数控系统负责接收操作者输入的指令，并将其转化为机床能够理解的控制信号，从而控制机床的运动。
2. 伺服系统：伺服系统是数控机床中的关键部分，它负责控制机床的运动轴。
伺服系统由伺服电机、编码器和驱动器等组成。
伺服电机接收数控系统发出的控制信号，通过编码器反馈机床的实际位置，驱动器则根据反馈信号调整电机的转速和转向，从而实现机床的精确运动。
3. 传感器：传感器用于检测机床的状态和工件的位置等信息，并将其转化为电信号传输给数控系统。
常见的传感器包括光电传感器、接近开关和压力传感器等。
传感器的准确性和可靠性对于数控机床的工作精度和稳定性至关重要。
4. 执行机构：执行机构是数控机床的动力部分，它负责将数控系统发出的控制信号转化为机床的实际运动。
常见的执行机构包括伺服电机、液压缸和气动缸等。
执行机构的性能和可靠性直接影响到机床的工作效率和加工质量。
二、工作过程数控机床的工作过程主要包括数控程序的编写、数控系统的设置和机床的加工操作等几个步骤。
1. 数控程序的编写：数控程序是数控机床工作的指令集，它由一系列的代码和参数组成。
编写数控程序需要根据工件的加工要求和机床的特性来确定加工路径、刀具的选择和切削参数等。
编写好的数控程序可以通过输入设备导入到数控系统中。
2. 数控系统的设置：在进行加工操作之前，需要对数控系统进行设置。
设置包括选择合适的数控程序、设定工件的初始位置和坐标系、调整刀具的补偿和设定加工速度等。
伺服系统简介
§5-1 伺服系统的性能要求
大惯量宽调速直流伺服电动机 特点:有良好测速性能, 特点:有良好测速性能,能在较大过载转矩下长时间工作 电动机转子惯量大, 电动机转子惯量大,能与丝杠连接不需中间传动装置 结构复杂,价格较贵 结构复杂, 交流伺服系统： ③ 交流伺服系统： 采用交流异步伺服电动机和永磁同步伺服电动机驱动 采用交流异步伺服电动机和永磁同步伺服电动机驱动 交流异步伺服电动机 交流异步伺服电动机: 交流异步伺服电动机:用于主轴伺服系统 永磁同步伺服电动机: 永磁同步伺服电动机:用于进给伺服系统
第五章 伺服系统简介
§5-1 伺服系统的性能要求
定义：数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件（ 定义：数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件（如工作 伺服系统是指以数控机床移动部件 位置和速度作为控制量的自动控制系统 作为控制量的自动控制系统， 台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，也就是 位置随动系统。 位置随动系统。 作用： 作用：是接受来自数控装置中插补器或计算机插补软件 生成的进给脉冲，经变换、 生成的进给脉冲，经变换、放大将其转化为数控 机床移动部件的位移，并保证动作的快速和准确。 机床移动部件的位移，并保证动作的快速和准确。 组成：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动部件、 组成：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动部件、末端执行件
§5-2 常用伺服系统简介
4、步进式伺服系统的特性 工作台位移量： ① 工作台位移量：进给脉冲的数量决定工作台的位移量 步进电动机的角位移θ 步进电动机的角位移θ，θ=nα（α为步距角） =nα 为步距角） 工作台的位移量L 工作台的位移量L： L=θP/360° L=θP/360°（P为导程） 为导程）
§5-1 伺服系统的性能要求
一、基本要求
数控机床的原理及组成结构
数控机床的原理及组成结构
数控机床又称为数控加工中心，是一种利用计算机控制的机床。
它通过预先输入的指令，实现对工件的自动加工，具有高精度、高稳定性和高效率的特点。
数控机床的原理主要包括三个方面：数控系统、伺服系统和执行系统。
1. 数控系统：数控系统负责接收输入的工艺程序，对指令进行解析和处理，并发送控制信号给伺服系统和执行系统。
数控系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括主控板、接口板、数控终端等，软件包括操作系统、数控编程软件等。
2. 伺服系统：伺服系统负责将数控系统发送的控制信号转换为电信号，通过电机驱动系统，控制工件在加工过程中的运动。
伺服系统由伺服电机、伺服控制器和传感器等部件组成，它可以实现对工件运动的精确控制。
3. 执行系统：执行系统是指实际进行加工的部分，包括机床本体、刀具系统和夹具系统等。
它根据数控系统发送的指令，控制切削工具在工件上进行切削、铣削、镗削等操作。
执行系统的结构包括主轴、进给系统、工作台、刀库等。
总的来说，数控机床的组成结构主要包括数控系统、伺服系统和执行系统三个方面，它们相互配合，实现对工件的自动加工。
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
浅析伺服系统与数控机床两者的关系
数控英才网转载：在数控机床上，伺服调控系统是其不可缺少的一部门。
其任务是把数控信息转化为机床进给运动，从而实现精准控制。
卧式数控机床由CNC控制器，伺服驱动及电机、电器柜和数控机床的机架四部门组成。
模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。
配有数字接口，改变工作方式、更换电念头规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。
具有较丰硕的自诊断、报警功能。
在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。
交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并跟着新技术的发展而不断完善，详细体现在三个方面。
直接影响数控加工的精度和表面粗拙度；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；调速范围宽，其调速范围可达0—30m/min；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。
其工作原理是：通过CNC内配置的专用编程软件，将加工零件的的轨迹用坐标的方式表达出来，把这些信息转化成能使驱动伺服电机的带有功率的信号(脉冲串)，控制伺服电机带动相应轴来实现运动轨迹。
一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进提高前辈控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。
因为数控机床对产品加工时要求高，所以采用的伺服控制系统十分枢纽。
其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。
作为数控机床的重要功能部件，伺服系统是影响系统加工机能的重要指标。
目前在机床行业，海内外众多厂商都有该行业的伺服产品，其中国外的西门子、博世力士乐，海内的东能、汇川、台达等产品在2011年的市场表现较好。
CK数控车床主传动系统及进给伺服系统设计
CK数控车床主传动系统及进给伺服系统设计CK数控车床是一种智能化的机床设备，具有高效、精度高、自动化程度高等特点，被广泛应用于机械制造、航空航天、军工等领域。
CK数控车床的主传动系统是其核心部件之一，关系到车床的工作效率和加工精度。
进给伺服系统则是保证车床加工过程稳定性的重要组成部分。
本文主要从CK数控车床主传动系统和进给伺服系统的设计角度进行分析和讨论。
一、CK数控车床主传动系统的设计1. 主轴驱动方式主轴驱动方式通常可以由电机、齿轮传动或皮带传动等方式实现。
在CK数控车床中，常用的主轴驱动方式为交流伺服电机直接驱动主轴，具有驱动力矩大、响应速度快、控制精度高等特点。
2. 齿轮系统设计齿轮系统是实现主轴传动的关键组成部分，其设计应考虑到精度、牢固性、噪声等因素。
通常使用调质淬火的合金钢齿轮，采用齿轮精度等级要求高于齿轮传动的精度等级，以保证齿轮传动的精确性和稳定性。
同时，为了减少噪声和振动，应该选择齿轮结构简单、转速变化范围小和运转平衡的齿轮组合。
3. 主轴轴承设计主轴轴承是支撑主轴的关键组成部分，其设计应考虑到承载能力、耐磨性、轴向刚度以及寿命等因素。
常用的主轴轴承采用滚道式或杯状式结构，具有承载能力大、耐磨性好等优点。
同时，应合理选择轴承的接触角度和精度等级，减小径向力矩、抗疲劳性好，以提高轴向刚度和使用寿命。
4. 润滑系统设计润滑系统是保障主轴正常运转的关键组成部分，其设计应考虑到润滑方式、油品种类和加油方式等因素。
常用的润滑方式包括油脂润滑和油膜润滑，油品种类应选择合适的润滑油，加油方式应考虑到主轴的运转状态，一般采用快速注油式或定期注油式。
二、CK数控车床进给伺服系统的设计1. 进给驱动方式进给驱动方式通常可以由电机、齿轮传动或滑块传动等方式实现。
在CK数控车床中，常用的进给驱动方式为伺服电机驱动滚珠丝杠，具有进给精度高、稳定性好、响应速度快等特点。
2. 滚珠丝杠设计滚珠丝杠是实现进给传动的关键组成部分，其设计应考虑到精度、耐磨性、轴向刚度以及寿命等因素。
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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。
minmaxFFRNmin1min1.010000minmmFmmRN且数控机床伺服系统 5、系统的可靠性高,维护使用方便,成本低。 6、 能可逆运行与频繁灵活启停。 综上所述: 对伺服系统的要求包括静态与动态特性两方面; 对高精度的数控机床,对其动态性能的要求更严。 开环数控系统 – 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与机械传动机构的性能与精度。 – 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,在精度与速度要求不高、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,就是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出,采样旋转角度进行检测,不就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与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。 全闭环数控系统 全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,可以消除整个驱动与传动环节的误差、间隙与失动量。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、刚性与间隙都就是非线性的,故很容易造成系统的不稳定,使闭环系统的设计、安装与调试都相当困难。 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。 2.按使用的执行元件分类 (1)电液伺服系统 电液脉冲马达与电液伺服马达。 优点:在低速下可以得到很高的输出力矩,刚性好,时间常数小、反应快与速度平稳。 缺点:液压系统需要供油系统,体积大。噪声、漏油。 (2)电气伺服系统 伺服电机(步进电机、直流电机与交流电机) 优点:操作维护方便,可靠性高。 1)直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺 服电机与中小惯量直流伺服电机;主运动系统采用她激直流伺 服电机。优点:调速性能好。缺点:有电刷,速度不高。 2)交流伺服系统 交流感应异步伺服电机(一般用于主轴伺服系统)与永磁同步伺服电机(一般用于进给伺服系统)。 优点:结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高与容量大。 3.按被控对象分类 (1)进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统,包 括速度控制环与位置控制环。 (2)主轴伺服系统 只就是一个速度控制系统。 数控机床伺服系统 C 轴控制功能。 4.按反馈比较控制方式分类 (1)脉冲、数字比较伺服系统 (2)相位比较伺服系统 (3)幅值比较伺服系统 (4)全数字伺服系统 二、步进电机 步进电机流行于70年代,该系统结构简单、控制容易、维修方面,且控制为全数字化。随着计算机技术的发展,除功率驱动电路之外,其它部分均可由软件实现,从而进一步简化结构。因此,这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合,如经济型数控;打印机、绘图机等计算机的外部设备。 步进电机——一种将电脉冲信号转换成相应角位移(或线位移)的控制电机。 对它送一个控制脉冲,其转轴就转过一个角度,称为一步。 控制性能好,控制系统简单可靠,成本低; 控制精度受步距角限制,高负载或高速度时易失步。 (一)分类 按工作原理:反应式、永磁式、混合式等 按输出扭矩:功率式、伺服式 按运动方式:旋转式、直线式 通电方式(以m=3, Z=4为 例, 齿距角360/4=90, 定、 转子齿间相错90/3=30) (1)三相单三拍(1相通电): 步距角30 逆时针:ABCA… 顺时针:ACBA… m相单m拍 (2)三相双三拍(2相通电):AB BC CA AB …(逆时针,步距角30 ); m相双m拍 (3) 三相六拍(1-2相通电):AAB B BC C CA A…逆时针,步距角15) m相2m拍 m>3的通电方式(四相八拍、五相十拍等) 、反应式步进电机的特点: ——对步进电机的控制十分方便。F高 n快,通电顺序决定转向 ——气隙小:30~50μm ——步距角小:软磁材料,靠磁阻变化产生转距。 ——励磁电流较大。要求驱动电源功率较大,而效率较低 ——电机的内部阻尼较小。当相数少时,单步运行振荡时间较长。 ——带惯性负载能力差,尤其就是在高速时易失步 ——断电后无定位转矩。 (三)反应式步进电动机的主要性能指标 1、步距角与步距角误差 步距角:每改变一次通电状态转子所转过的角度 =360/mZK 数控机床伺服系统 (K 通电方式系数,相邻两次通电相数相同,则K=1;否则K=2) 数控机床: 0、18/0、36 ,0、36/0、72,0、6/1、2,0、75/1、5,1、5/3 静态步距角误差Δ =实际步距角-理论步距角=±10’~30' 2、最大静转矩Tjmax(n、m): 转子初始稳定平衡位置:空载时某相通电,定、转子齿对齐, 转子上无转矩输出(不改变通电状态时,转子处于不动状态); 失调角 θe:转子上加负载转矩后达到与T相平衡时所转过的角度; 静态矩角特性曲线:转子上静态电磁转矩T与失调角e的关系。 最大静转矩Tjmax:表示步进电机承受负载的能力 额定电流I↑→ Tjmax↑→负载能力↑ →运行快速性与稳定性 3、空载启动频率fq (步/s) 步进电机在空载时由静止状态能不失步启动进入正常运行的 最高频率。 fq↑→快速性↑ 4、启动矩频特性 步进电机在带动负载转矩时启动频率与负载转矩的关系 5、空载运行频率(连续运行频率)fmax 步进电机空载启动后能不失步连续运行的最高频率 6、运行矩频特性 步进电机连续稳定运行时输 运行矩频特性 出电磁转矩T与连续运行频 率f之间的关系(衡量电机 运转时承载能力的动态性能 指标)。f↑→绕组感抗↑ →电流波形变坏→电流幅值 ↓→T↓ (四)步进电机的选择 1、步距角的选择 δ=Sθ / 360º i (mm / 脉冲) δ-脉冲当量 S –丝杠螺距 θ-步距角 (º) i-电机与丝杠间的传动比, I就是大于1的数 2、最大静态转距Tjmax的选择
TF = (F+μW)S ×10¯³ 2πηi (N、m)