2023年数控机床及编程4.1概述.pdf

4 数控机床的伺服驱动系统（6 学时） 4.1 概 述 伺服驱动系统简称伺服系统（Servo System ），是一种以机床移动部件的位置（或角度） 和速度（或转速）作为控制对象的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。伺 服系统的主要功能是接受来自数控装置的指令，并按指令来驱动各运动部件，从而准确控 制它们的速度和位置，以加工出符合图纸要求的零件。伺服系统一般由伺服驱动装置、驱 动元件、机械传动机构及末端执行部件等组成。对于闭环控制系统还包括检测反馈装置。 伺服系统是数控装置与机床本体的联系环节，忠实而准确地执行数控装置发出的运动指 令。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速 度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。因此，研究与开 发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。 4. 1. 1 数控机床伺服系统的分类 按照调节理论 ，数控机床进给伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统 ； 按照控制对象和使用目的，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅 助伺服系统 ； 按驱动部件的动作原理又可将其分为电液控制系统和 电气控制系统。其中 ，电气控制系 统按所使用的驱动元件的类型 ，又分为步进电动机驱动系统、直流伺服 电动机驱动系统和交 流伺服 电动机驱动系统，近年来又出现了直线电机驱动系统 ； 按照反馈 比较方式，数控机床进给伺服系统有数字脉冲比较伺服系统、相位 比较伺服系 统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。 1、按照调节理论分类 （1) 开环伺服系统 图 4-1 所示为开环伺服系统原理图，它是由步进电机及其驱动线路构成。 ●速度 机床 ●位置 指令脉冲 步进电 机 步 进 ●脉冲频率 驱动线路 电机 滚珠丝杠等 ●脉冲数 目 ●旋转速度 ●旋转角度 图 4-1 开环伺服系统原理图 其功能是每接收一个指令脉冲 ，步进电机就旋转一定角度，步进电机的旋转速度取决于指令 脉冲的频率 ，转角的大小则取决于脉冲数 目。由于系统中没有位置检测器及反馈线路 ，工作 台是否移动到位，取决于步进电机的步距角精度、齿轮传动间隙、丝杠螺母副精度等，因此， 开环系统的精度较差 ，但 由于其结构简单 。易于调整 ，在精度不高的场合仍得到广泛应用 。 1 开环系统中，伺服驱动装置主要是步进电机，无检测元件、无反馈回路，控制方式简单，但 精度难保证，切削力矩小，用于要求不高的经济型数控机床。 （2) 闭环伺服系统 图 4-2 所示为闭环伺服系统原理图，它由驱动线路、伺服电机、检测反馈单元、比较环 的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一数控机床伺服系统的分类按照调节理论数控机床进给伺服系统可分为 节等部分组成。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。由速度检测装置提供 速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置 反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以 位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统，检测反馈单元安装在机床工作台上， 直接将测量的工作台位移量转换成电信号 ，反馈给比较环节，与指令信号 比较，并将其差值 经伺