第四章 数控机床的伺服系统
3）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性 伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，也就是工件重量发 生变化或加工时吃刀深度发生变化时，伺服系统应使刀具进给速度保持恒定。 刚性良好的伺服系统系统，速度受负载力矩变化的影响很小。通常情况，数控 机床要求承受的额定力矩变化时，静态速降(静态速降指的是伺服系统带负载运 行时的转速和理想空载转速之差)应小于5％，动态速降(动态速降指伺服系统在 承受突加负载时因电机轴力矩与承受的突加负载不相适应而造成的短时速度陡 降超调现象)应小于10％。 4）快速响应无超调 数控机床在加工时，为了保证轮廓切削形状精度和提高零件表面光洁度， 对位置伺服系统既要求有较高的定位精度，还要求有良好的快速响应特性。这 就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地 启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产效率和保证加工质量， 要求加速度、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最 大，或从最大减少到零，过渡时间应控制在200ms以下，甚至少于几十毫秒，而 且速度变化时不应有超调（超过给定速度值）；另一方面，当负载突变时，过 渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。
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４.1.3 伺服系统的分类 1.按执行机构的控制方式分类 1)开环伺服系统 开环伺服系统没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单 向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能，开环伺服系统所用 的电动机主要是步进电动机。移动部件的速度与位移是由输入脉冲的频率 和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系统各有关零部件的精度。 开环控制的优点是：结构简单、系统稳定、容易调试、成本低廉等。 但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低，位置精度通常 为±0.01～±0.02mm。一般适用于经济型数控机床。
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４.1.２ 数控机床对进给伺服系统的要求
数控机床进给伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的 效率及精度的高低。为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速 度控制、以及伺服电动机、机械传动等方面都有很高的求。具体 来说有这样一些要求： 1）可逆运行
在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向 或反向运动。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为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变 为电能回馈给电网，以实现快速制动。 2）速度范围宽 为适应不同的加工条件，数控机床要求进给能在很宽的范围内无级变化。 这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速特性。对一般数控机床 而言，进给速度范围在0～24m／min时，就可满足加工要求。
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４.1伺服驱动概述
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。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， 进给速度与位移量。伺服系统接收来自数控装置的进给脉冲，经变换和 放大，再驱动数控机床各加工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有 的直接带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生 各种复杂的机械运动，从而加工出所要求的零件形状。
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2)闭环控制系统 闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置，例如光栅、感 应同步器和磁栅等位置测量装置。在加工中，位置测量装置将测量到的工作台 实际位置反馈到数控装置中，与输入的指令位移相比较，用比较的差值控制移 动部件，直到差值为零，即实现移动部件的最终精确定位。从理论上讲，闭环 控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消除由于传动部 件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这种控制系统可以得到很高 的加工精度。但是闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，它主要用于一 些精度要求很高的镗铣床、超精车床和加工中心上。
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5）高精度 要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 随精度。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到1μm甚至0.1μm，相应地， 对伺服系统的分辨力也提出了要求，什么是伺服系统的分辨力呢？就是当伺 服系统接受数控装置送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨 力，也称脉冲当量。系统分辨力取决于伺服系统稳定工作性能和所使用的位 置检测元件。目前的闭环伺服系统都能达到1μm的分辨力。高精度数控机床 可达到0.1μm的分辨力甚至更小。 6）低速大转矩 数控机床的切削加工一般在工作台低速时进行，所以低速时进给驱动要有 大的转矩输出，以满足低速进给切削的要求。
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教学内容： 1.数控机床伺服驱动概述 2.数控机床的进给驱动系统 2.1步进电机驱动系统 2.2直流伺服系统 2.3交流伺服系统 3.数控系统的主轴驱动系统 教学要求： 1.掌握数控机床驱动系统的构成和分类及要求 2.熟练掌握步进电机驱动系统、交流伺服系统 3.了解直流伺服系统 4.掌握数控机床主轴驱动系统，包括准停装置
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４.1.1伺服系统的组成
数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制模块、伺服 驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组成。
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闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速度环组成。速度环 速度控制单元是一个独立的单元部件，它由伺服电动机、伺服驱动 装置、测速装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位置控制 模块、位置检测装置及位置反馈组成。 在伺服系统位置控制中，来自数控装置插补运算得到的位置指 令，与位置检测装置反馈来的机床坐标轴的实际位置相比较，形成 位置偏差，经变换为伺服装置提供控制电压，驱动工作台向误差减 小的方向移动。在速度控制中，伺服驱动装置根据速度给定电压和 速度检测装置反馈的实际转速对伺服电动机进行控制，以驱动机床 进给传动部件。