谈数控机床及对伺服系统的要求
数控机床的伺服系统
第七章 数控机床的伺服系统
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。
第七章 数控机床的伺服系统
进给伺服系统的作用：接受数控装臵发出的进给速度和位 移指令信号，由伺服驱动装臵作一定的转换和放大后，经伺服 电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机 构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行 部件的运动速度与位臵，以及几个执行部件按一定规律运动所 合成的运动轨迹。如果把数控装臵比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的 “四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随 者。
第七章 数控机床的伺服系统
二、步进电机工作原理
步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中， 步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一 定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带 动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数 量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序 来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由 于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定， 速度也受到步进电机性能的限制。
第七章 数控机床的伺服系统
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 能的一种推力装臵，是一种较为理想的驱动装臵。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。
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。
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
数控机床的伺服系统性能研究
数控机床的伺服系统性能研究数控机床的出现是随着工业革命的爆发出现的高端产业链结构，数控机床出现以来，伺服系统作为数控机床的重要组成部分相应而生，在经过新材料不断改进、能源不断发展进步、控制技术相对完善等相关技术的发展，大致从步进伺服系统到直流伺服系统再到今天的交流伺服系统的进行了一个大跨越式的过度。
通过对数控机床的伺服系统的性能研究，可以让我国的交流伺服系统相对完善，为量化产业生产改革提供可行机制。
标签：性能；数控机床；伺服系统一、数控机床伺服系统概念数控机床的伺服系统主要是通过部件在机床移动的位置以及速度为控制变量，以此来生成接受来自数字化控制系统软件插补进给指令，在通过一系列的信号加强变换及功率增大、信号的检测反馈之后，再由伺服电机带动机床工作机制，实现操作台工作部件相对生产零件的运行操作。
通过更深一步对数控机床伺服系统的研究和操作可加深在生产过程中对数据化控量的精准度，进一步提升工作效率，减少在生产过程中所产生的误差，将不可控因素降低到最低位置。
二、数控机床的伺服系统性能1.数控机床伺服系统组成数控顾名思义就是利用加工零件数字化的为变量，以机床履带移动速度和位置以及走位为产量，在通过生成变量的检测数据来对机床及加工过程进行控制的一种方法。
伺服系统是数控机床的重要部分，它基本上也是随着计算机技术的发展而发展。
现在的伺服系统都是由计算机完成以前硬件数控所做的工作，伺服系统在经过计算机技术、数字化控制技术、材料改进等一系列的发展，目前对生产加工有着举足轻重的作用。
伺服系统由数控程序、输入输出设备、操作面板、CNC装备、可编程控制器（PLC）、主轴伺服系统、进给伺服系统、检测装备和一些电气辅助装置等组成[1]。
2.数控机床伺服系统性能伺服系统按执行元件的性能不同，又分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。
2.1步进伺服系统20世纪60年代之前，当时的主要伺服系统就是以步进伺服系统为主，步进伺服系统的主要特征就是以功率步进电机直接驱动或是以步进电机驱动的液压伺服电动机，步进伺服系统采取的是开环控制[2]。
浅析伺服系统在数控机床中的应用及发展
智能化
伺 服 器 控 制 模 式 的 智 能 化 ， 在 内 部 预 先 编 程 如
实 现 某 种 运 动 轨 迹 ， 制 本 站 点 周 边 的 １ 口， 带 主 从 跟 随 控 ０ 内 模式调整 ， 电子 凸轮 等 。
问题 ， 如电刷和换 向器 易磨 损 ， 护工作 量 大 ， 维 成本 高等 。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 和永磁 同步伺 服电机 。交流伺服系 统的优点 除 了具 有稳定性 好 、 速性 好 、 度高 的特点 外 ， 快 精 与直 流伺 服 电机系 统相 比有
如下 ：
１３ １ 按用途和功能分类 ．．
１进 给驱动系 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 。
１２ １ 可 逆 运 行 ．．
可逆运行要求 能灵 活地 正反 向运行 。在加工 过程 中， 机
控制编码或其他符 号指令规 定的程序 ， 并将其译码 ， 再进行 必要 的信 息处理和运算后控 制机床 动作 并加 工零件。伺服 系统 的 系统直接 关 系到数控机床执行件 的静 态和动 态特性 、 工作精度、 负荷 能力和稳 定程度等 。因此， 究与开发 高性 研
能 的伺 服 系统 一 直 是现 代 数 控 机 床 的 关键 技 术之 一 。 关键 词 ： 服 系统 ； 控 机 床 ； 用 ； 展 伺 数 应 发 ｄｉ１ ．９９ｊｉｎ １０ —８５ ． １ ．８ ０２ ｏ：０ ３６／． ｓ．０ ６ ５４２ ２０ ．０ ｓ ０
１３２ 按控制原理分类 ．． １开环伺 服系统 ： ） 系统 中没有 位置测 量装置 ， 号流是 单 信 向的（ 数控装置一 进给系统） 故系统稳定性好。 ， ２ 半开环伺服 系统 ： ） 系统 的位 置采样 点是 从伺 服 电机 或 丝杠 的端部 引出 ， 采样旋转角度进行检 测 ， 不是直接 检测最 终
数控机床进给系统设计
第一章、数控机床进给系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示:图1-1数控机床进给系统伺服由于各种数控机床所完成的加工任务不同,它们对进给伺服系统的要求也不尽相同,但通常可概括为以下几方面:可逆运行;速度范围宽;具有足够的传动刚度与高的速度稳定性;快速响应并无超调;高精度;低速大转矩。
1、1、伺服系统对伺服电机的要求(1)从最低速到最高速电机都能平稳运转,转矩波动要小,尤其在低速如0、1r /min或更低速时,仍有平稳的速度而无爬行现象。
(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。
一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。
(3)为了满足快速响应的要求,电机应有较小的转动惯量与大的堵转转矩,并具有尽可能小的时间常数与启动电压。
电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力,才能保证电机可在0、2s以内从静止启动到额定转速。
(4)电机应能随频繁启动、制动与反转。
随着微电子技术、计算机技术与伺服控制技术的发展,数控机床的伺服系统已开始采用高速、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。
由位置、速度与电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID,使用灵活,柔性好。
数字伺服系统采用了许多新的控制技术与改进伺服性能的措施,使控制精度与品质大大提高。
数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。
这也就是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。
1、2、伺服系统的分类数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件与检测反馈环节等组成。
驱动控制单元与驱动元件组成伺服驱动系统。
机械传动部件与执行元件组成机械传动系统。
检测元件与反馈电路组成检测系统。
进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统与闭环系统。
闭环控制方式通常就是具有位置反馈的伺服系统。
根据位置检测装置所在位置的不同,闭环系统又分为半闭环系统与全闭环系统。
半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头与装在电机轴端两种类型。
数控机床的伺服系统概述
6.1 概 述
6.1.1 伺服系统的基本要求
伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。数控机床将高效 率、高精度和高柔性集于一身，对位置控制、速度控制、伺服电动机、机械传 动等方面都有很高要求。
1．精度高
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。数控加工对定位精 度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般允许误差为0.01～0.001mm，轮 廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求 较高的调速精度，具有比较强的抗负载扰动能力，对静态、动态精度要求都比 较高。
图6-4 半闭环伺服系统示意图
6.1 概 述
2．按使用的执行元件分类 1) 电液伺服系统 电液伺服系统的执行元件通常为电液脉冲马达和电液伺服马达， 其前一级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸。数控机床发展 的初期，多数采用电液伺服系统。电液伺服系统具有在低速下可以 得到很高的输出力矩以及刚性好、时间常数小、反应快和速度平稳 等优点，但是液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大，此外 还有噪声、漏油等问题，因此从20世纪70年代起就被电气伺服系统 代替，只在具有特殊要求场合才采用电液伺服系统。 2) 电气伺服系统 电气伺服系统的执行元件为伺服电动机，包括步进电动机、直流 伺服电动机和交流伺服电动机。驱动单元为电力电子器件，操作维 护方便，可靠性高，现代数控机床均采用电气伺服系统。电气伺服 系统分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。
2) 相位比较伺服系统 在相位比较伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式，指令 信号与反馈信号都变成了某个载波的相位，通过两者相位的比较， 获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。相位比较伺服系 统适用于感应式检测元件的工作状态，如旋转变压器，感应同步器 等采用相位比较可以得到满意的精度。
数控伺服系统概述
29
CNC
3.3 步进式伺服系统
3.3.3 提高步进式伺服系统精度的措施
影响步进电机开环系统传动精度的因素： 步进电机的步距角精度； 机械传动部件的精度； 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。 提高步进电机开环系统传动精度的措施： 适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施：
30
CNC
3.3 步进式伺服系统
▪ 传动间隙补偿
在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放 在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系 统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。
▪ 螺矩误差补偿
滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但 是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围内的， 也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处 理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精 度。
号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。 ▪ 数控伺服系统中常用的驱动元件有：
–步进电动机 –直流伺服电动机 –交流伺服电动机
9
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.1 步进电动机
步进电机流行于70年代，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。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。
25
CNC
3.3 步进式伺服系统
脉冲混合电路
将插补信号或者手动信号等转换为使工作台正向 进给的“正向进给”信号或使工作台反向进给的 “反向进给”信号。
数控机床的进给传动系统
图5-30 直线电动机进给驱动系统 1-位置检测器 2-转子 3-定子 4-床身 5、8-辅助导轨 7、14-冷却板
流电，次级就在电磁 力的作用下沿初级作
6、13-次级 9、10-测量系统 11-拖链 12、17-导轨 15-工作台 16-防护 直线运动。
尽管直线电动机有很多优点，但在选用时应注意以下不足之处： 1）与同容量旋转电动机相比，直线电动机的效率和功率因数要低， 特别在低速时更明显。 2）直线电动机，特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影 响较大，故对驱动器的要求较高，应采取措施保证或改变电动机的有 关特性来减少或消除这种影响。 3）在金属加工机床上，由于电动机直接和导轨、工作台做成一体， 必须采取措施以防止磁力和热变形对加工的影响。
5) 滚珠丝杠螺母副制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母的材料，热处理 和加工要求相当于滚动轴承。螺旋滚道必须磨削，制造成本高。
2. 静压丝杠螺母副 静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母的接触面之间，产生一
层保持一定厚度，且具有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母之间由 边界摩擦变为液体摩擦。当丝杠转动时通过油膜推动螺母直线移动， 反之，螺母转动也可使丝杠直线移动。静压丝杠螺母的特点是：
2. 减少各运动零件的惯量
传动件的惯量对进给系统的启动和制动特性都有影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的 影响更大。在满足传动强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件的质量，减小旋转零件的 直径和质量，以减少运动部件的惯量。
3. 减少运动件的摩擦阻力
机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副和导轨。在数控机床进给系统中，为了减 小摩擦阻力，消除低速进给爬行现象，提高整个伺服进给系统稳定性，广泛采用滚珠丝杠和 滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨等。
数控机床简答综合题
数控机床简答综合题三、简答题（试卷）26.简述数控机床对进给传动系统的要求。
.答案:数控机床对进给系统的要求: (1 )运动件间的摩擦阻⼒⼩川2)消除传动系统中的间隙; ( 3)传动系统的精度和刚度⾼沃的减少运动惯性，具有适当的阻尼。
27.卧式加⼯中⼼常采⽤T形床⾝布局的优点是什么?答案:T形床⾝布局的优点z刚性好，提⾼了⼯作台的承载能⼒，易于保证加⼯精度;有较长的⼯作⾏程。
28.简述经济型数控车床的特点。
答案:经济型数控车床的特点:1)⼀般是在普通车床的基础上进⾏改进设计2)采⽤步进电动机驱动的开环伺服系统; 3)其控制部分采⽤单板机、单⽚机或档次⽐较低的数控系统来实现4）此类车床结构简单，价格低廉5）功能简单。
29.中⼩型数控车床多采⽤倾斜床⾝或⽔平床⾝斜滑板结构，其优点是什么?答案:(1)机床外形美观，占地⾯积⼩; ( 2)易于排屑和冷却液的排流; ( 3)便于操作者操作和观察沃的易于安装上下料机械⼿，实现全⾯⾃动化; ( 5)可采⽤封闭截⾯整体结构，以提⾼床⾝的刚度。
30.简述滚珠丝杠螺母副的⼯作原理。
答案：⼯作原理：在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在⼀起时便形成了滚珠的螺旋滚道。
螺母上有滚珠回路管道，将⼏圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。
当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既⾃转⼜沿滚道循环转动。
因⽽迫使螺母(或丝杠)轴向移动。
三、简答题1.球杆仪的作⽤是什么?简述其测量原理。
球杆仪的作⽤:机床精度综合检测分析的标准设备。
球杆仪的测试原理为:利⽤机床的两轴联动做圆弧插补，通过分析圆弧的半径变化和弧线的轨迹特征来判断机床的误差元素。
2.简述数控机床的基本使⽤条件。
数控机床的基本使⽤条件:(1)保证⼀定的环境温度和湿度;(2)地基牢靠，有隔震措施; (3)⼯作地点允许的海拔⾼度为1000m ; (4)稳定的供电电源，有抗⼲扰措施; (5 )保护接地。
三、简答题2.数控电⽕花线切割机床有邮⼏部分组成?简述电⽕花线切割加⼯的基本原理。
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谈数控机床及对伺服系统的要求
作者：杨磊
来源：《中国新技术新产品》2012年第03期
摘 要：伺服系统是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度指标等往往由伺服
系统决定。伺服系统经历了从步进伺服到直流伺服进而到交流伺服的发展过程。而且随着技术
的发展，高速高精度加工的直线驱动已成为伺服系统发展的新趋势。
关键词：伺服系统；数控机床；高速高精度加工
中图分类号：TF325.4文献标识码：A
1 数控机床系统分析
数控机床由数字程序实现机床控制。数控机床具有自动换刀装置，工作自动进给、装卸、
刀具寿命检测系统和排屑等各种附加装置，可以进行长时间的无人运转加工。数控机床加工过
程的精度和效率很大程度上取决于刀具的进给精度及其与主轴旋转速度的协调关系。
如图1所示，数控机床一般由五部分组成。其中数控装置是数控机床的核心，现代数控机
床都采用计算机控制CNC（computer numerical contro1）装置。它具备的主要功能有：1）多坐
标控制；2）实现多种函数插补；3）多种程序输入功能。以及编辑和修改功能；4）信息转换
功能；5）补偿功能；6）多种加工方式选择；7）故障自诊断功能；8）显示功能；9）通讯与
联网功能。CNC系统的结构框图如图2所示。数控系统是严格按照数控程序对工件进行自动
加工的。数控加工程序按照零件加工的轨迹信息、工艺信息和开关命令等。
2 数控机床中的伺服系统
伺服系统是以机械运动的驱动设备— —电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电
子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系
统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在
数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动
机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工
件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行
机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、
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特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进伺服系统到直流伺服系
统。进而到交流伺服系统的发展历程。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服
系统。
数控机床的伺服系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统。进给伺服系统是指一般
概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，
具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服系统，它的性能决定了数控机床的最
大进给速度和定位精度等。严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴
的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无
级变速。具有C轴控制的主轴和进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。而随着
高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要求也越来越高。此外，刀库的位置控制是为了在刀
库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服
系统。
3 数控机床对伺服系统的要求
由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对伺服系统的要求也不尽相同。但通常可
以概括为以下几个方面：
a）可逆运行：可逆运行要求能灵活地双向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状
态，根据加工轨迹的要求，随时都可以实现正向和反向运动。同时要求在方向变化时，不应有
反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机
从电网吸收能量变换为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能反馈给电网，以
实现快速制动；
b）速度范围宽：为适应不同的加工条件，例如所加工零件的材料、类型、尺寸、部位以
及刀具的种类和冷却方式等的不同，要求数控机床进给系统能在很宽的范围内无级变换。这就
要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速性能。经过机械传动后，电机转速的变化范围
即可转化为进给速度的变化范围。目前最先进的水平是在进给脉冲当量为1Ⅲ的情况下，进给
速度在0～240m／min范围内连续可调。对一般数控机床而言，进给速度范围在0-24m／min
时，都可满足加工要求。由于位置伺服系统是由速度控制单元和位置控制环节两大部分组成
的，如果对速度控制系统也过分地追求像位置伺服系统那么大的调速范围而又要可靠稳定的工
作，那么速度控制系统将会变得相当复杂，既提高了成本又降低了可靠性。一般来说，对于进
给速度范围为1：20000的位置控制系统，在总的开环位置增益为201／s时，只要保证速度控
制单元具有1：1000的调速范围就可以满足需要，这样可使速度控制单元线路既简单又可靠。
当然，代表当今世界先进水平的实验系统，速度控制单元调速范围已达1：100000；
C）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性：这就要求伺服系统具有优良的静态与动态负
载特性，即伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚
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性良好的系统，速度负载受负载力矩变化的影响很小。通常要求承受额定力矩变换时，静态速
降应小于5％，动态速降应小于10％；
d）快速响应并无超调：为了保证轮廓切削形状精度和高的加工表面粗糙度，对位置伺服
系统除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响
应要快，这就对伺服系统的动态性能提出MachineBuilding g Automation，A 2007，36（2）：
10～13两方面的要求：1）在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速和减速等动态过程，为了
提高生产率和保证加工品质，则要求加减速度足够大，以缩短过渡时间。一般电机速度由0到
最大，或从最大降低到0，时间应控制在200ms以下，甚至小于几十毫秒，且速度变化时不应
有超调；另一方面是当负载突然变化时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短、且无振荡。这样
才能得到光滑的加工表面；
e）精度高：为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪
精度。这也是伺服系统静态特性和动态特性指标是否优良的具体表现。位置伺服系统的定位精
度一般要求能达到1μm甚至0．1μm，高的可以达到0．01-0．005μm。相应地，对伺服系统
的分辨力也提出了要求。当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距
离叫分辨力。系统分辨力取决于系统稳定工作性能和所使系统用的位置检测元件。目前的闭环
伺服都能达到0．1μm的分辨力，甚至更小；f）低速大转矩：机床的加工特点，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。
参考文献
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