第6章数控机床伺服系统
第六章 数控系统的概念及组成
第六章数控系统的概念及组成6.1 概述通常所说的数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，即伺服系统是数控系统的执行系统。
数控装置发出速度和位移命令，伺服系统控制执行件按指令速度和方向运动。
6.1.1 伺服系统的概念及组成伺服意指“伺服、服从”，即随动之意。
伺服系统接受来自数控装置的命令，经过放大和转换，驱动数控机床上的执行件（主轴、刀架或工作台）实现预期的运动，并将运动结果负反馈进行偏差控制，完成精确地运动。
按ISO标准，伺服系统是一种以伪造和速度作为控制变量的自动控制系统，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。
它与一般机床进给系统有着本质的区别：一般机床进给系统的作用在于保证切削过程能够继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹；伺服系统将指令信息加以转换和放大，不仅能控制执行件的速度和方向，而且能精确控制其位置，以及几个执行件按一定的规律合成的轨迹。
6.1.2 数控机床伺服系统的组成原理伺服系统一般由驱动装置、伺服电动机组成，完整的伺服系统还包括数控装置、机械系统和检测反馈装置等。
驱动装置和伺服电动机组成伺服驱动系统，机械传动结构和执行件组成机械系统，如图4-1所示。
①伺服驱动装置——功率大、信号处理等，以驱动伺服电动机。
②伺服电动机——将电信号转换成旋转的机械运动信号。
③数控装置——接收加工指令程序与反馈信号，输出指令信号。
④机械系统——将伺服电动机输出的旋转运动传递转换为执行件的运动，参见第5章⑤检测反馈装置——将检测元件检测到的位置、速度信号进行处理，以形成反馈电信号。
包括测速发单机、脉冲编码器和信号处理电路等。
位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制，是要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴由很好的动态配合，才能保证加工效率、加工精度和表面粗糙度。
有关内容参见11章。
图4-1 机床伺服系统的组成原理伺服系统是一种反馈控制系统，以指令脉冲为输入给定量，与输出量进行比较，利用偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使输出量紧密跟踪给定值。
第六章伺服系统2(闭环)数控机床伺服系统
+12V
U Sr
+
-
USC R3
R2
-12V
U △ +U S r U △ +U S r
U SC
US r为0时
U SC t
US r为正时
t
U SC
US r为负时
t
调制出正负脉宽一样方波 平均电压为0
调制出脉宽较宽的波形 平均电压为正
Ua Ia Ra Ea
KT —转矩常数； Φ —磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁
转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:
Ua─ 电枢上的外加电压；Ra─ 电枢电阻；Ea─ 电枢反电势。
电枢反电势与转速之间有以下关系： Ea Ke
Ke─电势常数；ω ─电机转速（角速度）。
根据以上各式可以求得：
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直流脉宽调调制的基本原理
U
脉宽 脉宽
脉宽 脉宽
平均直流电压
ωt
周期不变
周期不变
脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压
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2） 脉宽调制器
同向加法放大器电路图 U S r –速度指令转化过 来的直流电压 U △- 三角波 USC- 脉宽调制器的输 出（ U S r +U △ ） 调制波形图
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(1) 晶闸管调速系统 1）系统的组成
包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。
UR + ES 速度 调节器 IR + If E1 电流 调节器 触发脉冲 发生器 可控硅 整流器
机床数控技术--习题答案—第6章数控伺服系统
第5章 位置检测装置习题及答案1.伺服系统中常用的位置检测装置有几种？各有什么特点？答：伺服系统中常用的位置检测装置有：旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器和光栅，各检测装置的特点如下：旋转变压器：又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。
其特点是坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、成本低，是数控系统中较为常用的位置传感器；感应同步器：感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。
踏实利用滑尺上的励磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置的变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置信号来实现位移检测的，其特点为：精度高，工作可靠，抗干扰能力强，维修简单、寿命长，测量距离长，工艺好、成本低、便于成批生产；脉冲编码器：脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。
数控机床主要使用光电式脉冲编码器。
光电式脉冲编码器按编码方式又分为绝对值式和增量式两种，常用的为增量式脉冲编码器，其优点是结构简单、成本低、使用方便，缺点是有可能由于噪声或其它外界的干扰产生计数误差，若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故发生前执行部件的正确位置；光栅：在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅作为位置检测装置。
它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC或数显装置来实现闭环控制的。
计量光栅分为圆光栅和长光栅两种。
圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移，由于激光技术的发展，光栅制作的精度有了很大的提高，现在光栅精度可以达到微米级甚至亚微米级。
2. 旋转变压器由哪些部分组成？其检测的基本原理如何？答：旋转变压器又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种，结构如下图所示：有刷式旋转变压器的结构无刷式旋转变压器结构示意图1-转轴 ; 2-轴承 ; 3-机壳; 4-转子铁心; 5-定子铁心6-端盖 ; 7-电刷 ;8-集电环旋转变压器是根据互感原理工作的。
机床数控技术第3版教学课件ppt作者胡占齐6
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第6章 数控机床的伺服系统
定子上有六个磁极，每个磁极 上绕有励磁绕组，每相对的两个 磁极组成一相，分成A、B、C三 相。转子无绕组，它是由带齿的 铁心做成的。步进电机是按电磁 吸引的原理进行工作的。当定子 绕组按顺序轮流通直流电时，A、 B、C三对磁极就依次产生磁场， 并每次对转子的某一对齿产生电 磁引力，将其吸引过来，而使转 子一步步转动。每当转子某一对 齿的中心线与定子磁极中心线对 齐时，磁阻最小，转矩为零。如 果控制线路不停地按一定方向切 换定子绕组各相电流，转子便按 一定方向不停地转动。步进电机 每次转过的角度称为步距角。
第6章 数控机床的伺服系统
电主轴
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二、交流电机的速度控制
(一)交流电机的调速 据电机学知，交流异步电机的转速表达式为
n 60 f1 1 s
p
(r/min）
交流同步电机的转速表达式为
n 60 f1
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第6章 数控机床的伺服系统
四、 开环控制步进式伺服系统的工作原理
1. 工作台位移量的控制
数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕
组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为α，则步 进电机转过的角位移量Φ＝Nα，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变 为工作台的位移量L.
第6章 数控机床的伺服系统
第一节 伺服系统的基本概念
一、伺服系统的基本概念
进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位 置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱 动装置、伺服电机、机械传动机构等部件组成。
第六章数控机床的伺服系统-
荷方向上转过一个角度θ（失调角），转子因而受到一个电磁转
矩Mj的作用与负载平衡。
•矩角特性：步进电机单 相通电的静态转矩Mj随 失调角θ的变化曲线。
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第六章数控机床的伺服系统-
•§6. 2 开环伺服系统及步进电机
第六章数控机床的伺服系统-
•§6. 2 开环伺服系统及步进电机
•步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：
•三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。
•IA •A
•1）三相单三拍：
通电顺序为：
•转
•A 相 B 相 C 相 子
•定子绕 组
•定子
•IB•B
•通电顺序也可以为：
• A 相 C 相 B 相 •
组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸
合工作。
•定子绕组
•定子
•转子
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第六章数控机床的伺服系统-
•§6. 2 开环伺服系统及步进电机
•两个相对的磁极 组成一相：
•共有三相定子绕 组
•为简化分析，假设 转子只有四个齿。
•转 子
•IA •A
•定子绕 组
•定子
•IB•B
•IC
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• •Z2
•f，
•t
•步进电机
•Z1
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第六章数控机床的伺服系统-
•§6. 2 开环伺服系统及步进电机
•● 开环进给伺服系统特点： •1、无位置检测装置。
•Z2
•f，
•步进电机 •Z1
• •t
•2、系统的位移精度主要决定于 •1）.步进电机的角位移精度、 •2）.齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度 •3）.系统的摩擦阻尼特性。
第六章伺服系统
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6.1.2 伺服系统的分类
1．按调节理论分类
（1）开环伺服系统
脉冲
驱动电路
步进电机
工作台
（2）闭环伺服系统
指令
位置控制
速度控制
伺服电机
速度检测
位置检测
（6）半闭环伺服系统
工作台 指令 位置控制 速度控制 伺服电机 脉冲编码器
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6.1.2 伺服系统的分类
开环数控系统
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6.1.2 对伺服系统的基本要求
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。 （6）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。
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。
脉冲频率f f、n 脉冲环 形分配 脉冲个数n 变换 换算
CNC 插补指令
A相、B 相 功率 放大 C相、…
机械执行部件
电机
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6.1.2 伺服系统的分类
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。
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A
a
b
B
C
图3-5 步进电机的启动转矩
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4. 启动频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不 失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频 率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率， 就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负 载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大 （在允许范围内），启动频率会进一步降低。 5. 连续运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率 连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频 率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的 性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。
数控技术第六章数控机床的伺服驱动系统
按驱动方式
步进电机、直流电机、交流电机。
按位置检测方式
光电编码器、旋转变压器、霍尔元 件。
02
数控机床伺服驱动系统 的原理
位置控制
位置控制是数控机床伺服驱动系统的基本功能，通过比较实际位置与指令位置的 差值，产生一个位置误差信号，驱动伺服电机旋转，使实际位置与指令位置相匹 配。
位置控制精度是衡量数控机床性能的重要指标，它直接影响加工零件的精度和表 面质量。
伺服驱动系统的定期维护
定期润滑
根据设备要求定期对设备进行润滑，保持设备 良好运转。
定期检查
定期检查电线、电缆、插头插座等是否完好， 及时更换损坏的部件。
定期校准
定期对设备进行校准，确保设备精度和稳定性。
伺服驱动系统常见故障及排除方法
故障一
设备无法启动
01
02
排除方法
检查电源是否正常；检查设备是否有短路或 断路现象；检查设备是否有故障代码，根据 故障代码进行排查。
伺服驱动系统的选型方法
根据机床的工艺要求和加 工对象确定伺服系统的基 本参数，如最大负载、工 作速度等。
根据控制精度和动态响应 要求选择合适的伺服控制 器，如模拟控制器、数字 控制器等。
ABCD
根据负载特性和运动特性 选择合适的伺服电机，如 步进电机、直流电机、交 流电机等。
综合考虑成本、性能和可 靠性等因素，进行伺服系 统的综合评价和选型。
在数控车床中的应用
数控车床需要高精度的转速和位置控制，伺服驱动系统能 够提供稳定的输出扭矩和转速，确保车床在加工过程中能 够实现高精度的切削和定位。
伺服驱动系统能够快速响应数控车床的输入指令，提高车 床的动态性能，缩短加工周期。
伺服驱动系统还可以根据切削力的变化自动调整输出扭矩， 实现自适应控制，提高加工效率和产品质量。
第6章 数控伺服系统 数控技术课件
6.1.2 伺服系统的分类
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 括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。 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
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈 单元
机械执行部件 电机
2020/6/16
6.1.2 伺服系统的分类
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。
指令 位置控制
速度控制
伺服电机 速度检测
位置检测
（3）半闭环伺服系统 指令 位置控制
速度控制
伺服电机 脉冲编码器
工作台
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6.1.2 伺服系统的分类
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。
CNC 插补指令
A相、B
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
相
功率
放大
C相、…
机械执行部件
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6.1.2 伺服系统的分类
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、