第五章_数控机床的伺服系统

1、第五章第五章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 数控伺服系统数控伺服系统是指以机床运动部件是指以机床运动部件( (如工作台、主轴和刀具等如工作台、主轴和刀具等) )的的位置和速度位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。 数控伺服系统的作用数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。运动，并保证动作的快速性和准确性。 伺服系统既是数控机床控制器与刀具

2、、主轴间的信息传递环节，伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。一。第一节 概述伺服系统的主要功能伺服系统的主要功能: :从数控系统接收微小的电从数控系统接收微小的电控信号（控信号（5V5V左右，左右，mAmA级），放大成强电的驱动信号级），放大成强电的驱动信号（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行

3、元件行元件伺服电动机，将电控信号的变化，转换成伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动第一节 概述CNCCNC装置装置伺服驱动伺服驱动器器伺服电机伺服电机数控机床数控机床第一节 概述一、数控机床对数控伺服系统的要求一、数

4、控机床对数控伺服系统的要求 1 1、精度高、精度高 由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加工质量，要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要工质量，要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要求定位精度为求定位精度为0.0010.001-0.01mm-0.01mm，高档设备达到高档设备达到0.10.1mm以上。速度以上。速度控制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力，以保证动、控制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力，以保证动、静态精度较高。静态精度较高。2 2、快速响应特性好、快速响应特性好 快速响应是伺服系统动态品质

5、的标志之一，反映系统的跟快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且踪精度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在响应要快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在2020msms以以内，在短时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差内，在短时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差小，反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。小，反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。 第一节 概述3 3、调速范围宽、调速范围宽 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控由于工件材

6、料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。既满足高速加工要求，又满足低速进给要求。足够的调速范围。既满足高速加工要求，又满足低速进给要求。在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转距。在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转距。4 4、系统可靠性好、系统可靠性好 数控机床的使用率很高，常常是数控机床的使用率很高，常常是2424h h连续工作不停机，因而连续工作不停机，因而要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔

7、的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠的平均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠性越好。性越好。 第一节 概述 执行元件及其驱动控制单元执行元件及其驱动控制单元必不可少。驱动控制单元将进给必不可少。驱动控制单元将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。转化为相应的机械位移。 开环伺服系统开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机。执行元件选用步进电动机。 闭环（半闭环）伺服系统闭环（半闭环）伺

8、服系统由执行元件、驱动控制单元、机床由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。二、数控机

9、床伺服系统的基本组成二、数控机床伺服系统的基本组成 伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；开环伺开环伺服系统服系统和和闭环伺服系统闭环伺服系统。 开环开环伺服系统伺服系统闭环闭环伺服系统伺服系统第一节 概述数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成 第一节 概述三、数控机床伺服驱动系统的分类三、数控机床伺服驱动系统的分类 按控制原理和有无位置反馈装置分为按控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺开环和闭环伺服系统服系统；按用途和功能分为；按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动进给驱动系统和主轴驱动系统系统；按驱动执行元件的动作原理分为；按驱动执行元件的

10、动作原理分为电液伺服驱动电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统伺服系统。第一节 概述驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲1.1.开环和闭环控制开环和闭环控制(1) (1) 开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装置。（信号流是单向的）置。（信号流是单向的）数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进数控系统发出指令脉冲经

11、过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移大小。而决定了工作台的位移大小。开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取决于步进电机的

12、步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、中小型数控系统。型、中小型数控系统。第一节 概述(2) (2) 闭环伺服系统闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的实际位移。作台的实际位移。 利用利用CNCCNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行位置控制。进行位置控制。 精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动精

13、度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误差无关。链的误差无关。 位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间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，使系统隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使系统的设计、安装和调试都相当困难。的设计、安装和调试都相当困难。 适用于大型或比较精密的数控设备。适用于大型或比较精密的数控设备。指令指令伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制位置检测位置检测伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令第一节 概述(3) (3) 半闭环伺

14、服系统半闭环伺服系统 有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移，间接获得工作台的位移。角位移，间接获得工作台的位移。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难由于丝杠的螺距误差和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。这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，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因此可获得稳定的控制性能，其

15、系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。开环系统，但比闭环要好。适用于中小型数控机床。适用于中小型数控机床。 第一节 概述进给伺服系统进给伺服系统用于数控机床工作台或刀架坐标用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩，包括速度控制动，并提供切削过程所需转矩，包括速度控制环和位置控制环。环和位置控制环。主轴伺服系统主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。和所需

16、的切削力，且保证任意转速的调节。 2.2.进给驱动与主轴驱动进给驱动与主轴驱动第一节 概述2.2.直流伺服驱动与交流伺服驱动直流伺服驱动与交流伺服驱动直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成载能力强，而且由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整；直流中小惯量伺服电动机，比较适应数控机床对闭环后易于调整；直流中小惯量伺服电动机，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。直流电动机具有电直流电

17、动机具有电刷和机械换向器，限制了它向大容量、高电压、高速度方向发展。刷和机械换向器，限制了它向大容量、高电压、高速度方向发展。在电动机控制领域交流电动机调速技术的突破，交流伺服系统迅在电动机控制领域交流电动机调速技术的突破，交流伺服系统迅速进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统的最大优点是速进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统的最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可

18、靠性角度来看，寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。采用交流电动机比直流电动机将更合理。 第一节 概述伺服驱动系统的发展概况伺服驱动系统的发展概况 在在5050年代年代，数控机床主要采用液压驱动，称为，数控机床主要采用液压驱动，称为液压伺服系统液压伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。这种系统的优点是刚性好，时间常数小。 6060年代初年代初，日本推出，日本推出步进电机开环伺服驱动系统步进电机开环伺服驱动系统，这种系统结，这种系统结构简单，价格低廉，使用维修方便，在数控设备中被广泛采用。构简单，价格低廉，使用维修方便，在数控设备中被广泛采用。 7070年代年代，直

19、流电机伺服系统直流电机伺服系统采用采用闭环闭环或或半闭环控制半闭环控制，精度提高，精度提高一个数量级，调速范围可达一个数量级，调速范围可达1 1：1000010000，运行速度提高到，运行速度提高到15-15-24m/min24m/min。直流电机伺服系统的缺点是结构复杂，价格昂贵。直流电机伺服系统的缺点是结构复杂，价格昂贵。 在在8080年代以后年代以后，微机和微电子技术的迅速发展，为，微机和微电子技术的迅速发展，为交流电机伺交流电机伺服系统服系统的调速控制提供了条件，的调速控制提供了条件，伺服系统发展的趋势是交流伺服伺服系统发展的趋势是交流伺服驱动系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。驱动系统逐

20、渐取代了直流伺服驱动系统。第二节第二节 步进式伺服系统步进式伺服系统 在步进式伺服系统中，在步进式伺服系统中，步进电机步进电机作为作为执行元执行元件件，受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的，受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移的机械角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制，但它的结差，速度也受到步进电机性能的限制，但它的结构简单，容易调整，故在构简单，容易

21、调整，故在速度和精度要求不太高速度和精度要求不太高的场合的场合，具有一定的使用价值。，具有一定的使用价值。 步进电机驱动模块步进电机驱动模块步进电机步进电机步进电机的类型及结构步进电机的类型及结构 步进电机的结构形式很多，其分类方式也很多。常见步进电机的结构形式很多，其分类方式也很多。常见的分类方式是按的分类方式是按产生力矩的原理产生力矩的原理、输出力矩的大小输出力矩的大小以及以及定定子和转子的数量子和转子的数量等方面来分类等方面来分类 目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机，目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机，如图所示。这是一台典型的单定子径向分相的三相反如图所示。这是一台典型的

22、单定子径向分相的三相反应式步进电机的结构原理图应式步进电机的结构原理图 单定子径向分相式三相单定子径向分相式三相步进电机结构原理图步进电机结构原理图 多定子轴向分相式五相步进电机结构原理图多定子轴向分相式五相步进电机结构原理图 步步进进电电机机工工作作原原理理 步进电机是步进电机是将将电脉冲信号电脉冲信号变变换换成角位移或线成角位移或线位移位移的一种的一种机电机电式数模转换器式数模转换器，它是根据同步电它是根据同步电机原理制成的。机原理制成的。下面以三相反应下面以三相反应式步进电机为例，式步进电机为例，说明步进电机的说明步进电机的基本工作原理基本工作原理 第二节 开环步进式伺服系统三相单三拍工

23、作方式：三相单三拍工作方式：AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆时针转 300逆时针转 300逆时针转 300假设转子上有四个齿，当假设转子上有四个齿，当A A相通电时，相通电时，转子转子1 1、3 3齿被磁极齿被磁极A A产生的电磁引力吸产生的电磁引力吸引过去，使引过去，使1 1、3 3齿与齿与A A相磁极对齐。接相磁极对齐。接着着B B相通电，相通电，A A相断电，磁极相断电，磁极B B又把距它又把距它最近的一对齿最近的一对齿2 2、4 4吸引过来，使转子按吸引过来，使转子按逆时针方向转动逆时针方向转动3030度。然后度。然后C C相通电，相通电，B B相断电，

24、转子又逆时针旋转相断电，转子又逆时针旋转3030度，依次度，依次类推，定子按类推，定子按ABCAABCA顺序通电，转顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步子就一步步地按逆时针方向转动，每步转转3030度。度。若改变通电顺序，按若改变通电顺序，按ACBAACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转动，同样每步转3030度。这种控制方式叫三相单三拍方式，度。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单单”是指每次只有是指每次只有一相绕组通电，一相绕组通电，“三拍三拍”是指每三次换接为一个循环。是指每三次换接为一个循环。(1)(1)步进电机定子

25、绕组的通电状态每改变一次，它的步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的步步距角距角 ；(2)(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；方向将随之改变；(3)(3)步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；子的转速越高；(4)(4)步进电机的步进电机的步距角步距角 与定子绕组的相数与定子绕组的相数m m、转、转子的齿数子的齿数z z、通电方式、通电方式K K有关，可用下式表示：有关，可用下式表示：

26、 式中，三相三拍时式中，三相三拍时K K=1=1；三相六拍时；三相六拍时K K=2=2。 Kzm360 如前图所示的步进电机，若转子齿数如前图所示的步进电机，若转子齿数z40，以三相三拍通电时，以三相三拍通电时，步距角步距角为为 若以三相六拍通电方式工作时，若以三相六拍通电方式工作时，步距角步距角为为31403360360Kzm 5 . 12403360360Kzm 例例 题题 步进电机的主要特性步进电机的主要特性 (1)(1)步距角步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。状态每改变一次，转子转过的角度。它是

27、决定步进伺服系它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为机的步距角一般为0.50.5o o33o o度。通常，步进角越小，加工精度。通常，步进角越小，加工精度越高。度越高。 (2)(2)启动频率启动频率 步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载

28、启动时，步进电机定子绕组通电状正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率当步进电机加负载后，态变化的频率不能高于该突跳频率当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。其启动频率随负载转动惯量增加而减小。 (3) (3) 连续运行的最高工作频率连续运行的最高工作频率f fmaxmax 步进电机连续运行步进电机连续运行时保证不丢步的极限频率时保证不丢步的极限频率f fmaxmax称为最高工作频率。称为最高工作频率。 ( (4) 4) 加减速特性加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到

29、静止的加减速过机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。加减速特性曲线加减速特性曲线步进系统原理框图步进系统原理框图 步进式伺服系统的工作原理步进式伺服系统的工作原理 1工作台位移量的控制工作台位移量的控制 进给脉冲数进给脉冲数N定子绕组通电状态变化次数定子绕组通电状态变化次数N步进电机转子的转角步进电机转子的转角工作台位移量工作台位移量L2工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制 进给脉冲的频率进给脉冲的频率f定子绕组通电状态的变化频定子绕组通电状态的变化频率率f步进电机转子的转速步进电机转子的转

30、速工作台进给速度工作台进给速度v3工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制 步进电机定子绕组的通电顺序步进电机定子绕组的通电顺序步进电机正转步进电机正转或反转或反转工作台的进给方向工作台的进给方向步进电机的驱动控制线路步进电机的驱动控制线路1 1脉冲混合电路脉冲混合电路 无论是数控装置送来的插补进给信号、齿补信号，还是手无论是数控装置送来的插补进给信号、齿补信号，还是手动进给、手动回原点信号等动进给、手动回原点信号等等，这些信号的目的无非是要使工等，这些信号的目的无非是要使工作台正向进给和反向进给，因此首先应将这些信号混合为使工作台正向进给和反向进给，因此首先应将这些信号混合为使工作台正向运行

31、的作台正向运行的“正向进给正向进给”信号或使之反向运行的信号或使之反向运行的“反向进反向进给给”信号。这就是脉冲混合电路的作用。信号。这就是脉冲混合电路的作用。 2 2加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路 加减脉冲分配电路的作用，是将正反向进给脉冲，根据步加减脉冲分配电路的作用，是将正反向进给脉冲，根据步进电机的原转向和可逆计数器的存数状态，决定脉冲进入可逆进电机的原转向和可逆计数器的存数状态，决定脉冲进入可逆计数器时，应作加法计数还是减法计数。若步进电机正转，输计数器时，应作加法计数还是减法计数。若步进电机正转，输入正向进给脉冲：步进电机反转，输入反向进给脉冲，此时不入正向进给脉冲：步进电机反转

32、，输入反向进给脉冲，此时不管可逆计数器是否全为零，均作加法计数。而当可逆计数器非管可逆计数器是否全为零，均作加法计数。而当可逆计数器非全零时，步进电机正转，输入反向进给脉冲；步进电机反转，全零时，步进电机正转，输入反向进给脉冲；步进电机反转，输入正向进给脉冲，均作减法计数。输入正向进给脉冲，均作减法计数。3 3加减速电路加减速电路( (自动升降速电路自动升降速电路) ) 步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲电流的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉电流的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲频率间的变化

33、可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速冲频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速电路缓冲后，再进入步进电机绕组，使步进电机工作正常可靠。电路缓冲后，再进入步进电机绕组，使步进电机工作正常可靠。这就是加减速电路的作用。这就是加减速电路的作用。 4 4环形分配器环形分配器 环形分配器的作用是把来自加减速的一串进给脉冲按一定环形分配器的作用是把来自加减速的一串进给脉冲按一定规律分成若干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使规律分成若干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使其正向运转或反相运转。其正向运转或反相运转。 简单移相寄存器简单移相寄存器 1 1 0 00 0 0 0

34、 1 01 0 0 0 0 10 15.5.功率放大器功率放大器 从环形分配器来的脉冲电流只有几毫安，从环形分配器来的脉冲电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因此而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因此需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功率驱动两部分组成。前置放大器是为了放大环形率驱动两部分组成。前置放大器是为了放大环形分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱动部分而分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱动部分而设置的，一般可根据要求选择一个适当的集成元设置的，一般可根据要求选择一个适当的集成元件；大功率驱动部分进一步将前置放大器送来的

35、件；大功率驱动部分进一步将前置放大器送来的脉冲电流信号放大，得到步进电机各相绕组所需脉冲电流信号放大，得到步进电机各相绕组所需的脉冲电流。它既要控制步进电机各相绕组的通的脉冲电流。它既要控制步进电机各相绕组的通断电，又要起功率放大的作用，因而它是步进电断电，又要起功率放大的作用，因而它是步进电机驱动线路中很重要的一部分。通常采用大功率机驱动线路中很重要的一部分。通常采用大功率晶体管、快速可控硅或可关断可控硅。晶体管、快速可控硅或可关断可控硅。 提高步进系统精度的措施提高步进系统精度的措施1细分线路细分线路 所谓细分线路，就是把步进电机的一步所谓细分线路，就是把步进电机的一步 再分得细一些，来减

36、小步距角。再分得细一些，来减小步距角。 2齿距误差和反向间隙补偿齿距误差和反向间隙补偿3混合伺服系统混合伺服系统两种控制线路刀具轨迹比较两种控制线路刀具轨迹比较间隙补偿原理间隙补偿原理 根据实际测得传动间隙或齿距误差的大根据实际测得传动间隙或齿距误差的大小，每当出现反向或移动到有齿距误差的位小，每当出现反向或移动到有齿距误差的位置时，用补充固定的脉冲来克服。置时，用补充固定的脉冲来克服。 混合伺服系统混合伺服系统第三节 闭环伺服系统1 1 直流伺服电机直流伺服电机（1 1）直流伺服电机的结构）直流伺服电机的结构定子定子：产生定子磁极、磁场。：产生定子磁极、磁场。转子转子：表面嵌有线圈，通直流电

37、时，在定子磁场作用下产生带：表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。负载旋转的电磁转矩。电刷与换向片电刷与换向片：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，子能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，换向片与电枢线圈连接。换向片与电枢线圈连接。数控机床的使用的直流伺服电机主要是数控机床的使用的直流伺服电机主要是大功率直流伺服电机大功率直流伺服电机：p小惯量直流伺服电机：小惯量直流伺服电机：最大限度地减小电枢的转动惯量，可以最大限度地减小电枢的转动惯量，可以

38、获得较快的响应速度。获得较快的响应速度。p宽调速直流伺服电机：宽调速直流伺服电机：转子直径较大，力矩大，转动惯量大，转子直径较大，力矩大，转动惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作。能在较大过载转矩时长时间工作。一、直流伺服电机与速度控制一、直流伺服电机与速度控制其中：其中：n n为电机转速，为电机转速，UaUa为电枢外加电压，为电枢外加电压，CeCe为反电动势常数，为反电动势常数，为电机磁通量，为电机磁通量，RaRa为电枢电阻，为电枢电阻，CmCm为转矩常数，为转矩常数，M M为电磁转矩。为电磁转矩。直流电机的三种调速方法：直流电机的三种调速方法：改变电枢外加电压改变电枢外加电压UaUa。该方

39、法可以得到调速范围较宽的恒转矩特该方法可以得到调速范围较宽的恒转矩特性，机械特性好，性，机械特性好，适用于主轴驱动的低速段和进给驱动适用于主轴驱动的低速段和进给驱动。改变磁通量改变磁通量。改变励磁线圈电压使磁通量改变。改变励磁线圈电压使磁通量改变 ，适用于主轴，适用于主轴驱动的高速段，不适合于进给驱动。驱动的高速段，不适合于进给驱动。改变电枢电路的电阻改变电枢电路的电阻RaRa。该方法得到的机械特性较软，不能实现。该方法得到的机械特性较软，不能实现无级调速，也不适合于数控机床。无级调速，也不适合于数控机床。目前应用最多的是目前应用最多的是晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统）

40、调速系统：利用大功：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压加率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压加到直流电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的到直流电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，调节电机的转速。平均电压，调节电机的转速。2 2 直流伺服电机速度调节直流伺服电机速度调节直流电机机械特性公式：直流电机机械特性公式：MCCRCUnmeaea2 第三节 闭环伺服系统二、交流伺服电机与速度控制二、交流伺服电机与速度控制直流电机缺点：直流电机缺点：电刷和换向器有磨损，有时会产生火花；电刷和换向器有磨损，有时会产生火花；换向

41、器由多种材料制成，制作工艺复杂；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；电机最高速度受限制；电机最高速度受限制；结构复杂，成本较高。结构复杂，成本较高。 交流伺服电动机没有直流伺服电动机上述的缺点，而且转子交流伺服电动机没有直流伺服电动机上述的缺点，而且转子惯量比直流伺服电动机小，惯量比直流伺服电动机小，动态响应好动态响应好。同样体积下，交流伺。同样体积下，交流伺服电动机的输出功率可比直流伺服电动机提高服电动机的输出功率可比直流伺服电动机提高10102020。交。交流伺服电动机的流伺服电动机的容量可以做得比直流伺服电动机大容量可以做得比直流伺服电动机大，达到更高，达到更高的转速。从的转速。从808

42、0年代后期开始，交流伺服电动机逐渐替代直流伺年代后期开始，交流伺服电动机逐渐替代直流伺服电动机占据主要位置。服电动机占据主要位置。第三节 闭环伺服系统1.1.交流伺服电机的类型交流伺服电机的类型交流伺服电动机在结构上为一两相感应电动机，其定子两相绕交流伺服电动机在结构上为一两相感应电动机，其定子两相绕组在空间相距组在空间相距9090电角度，电角度，一相作为励磁绕组一相作为励磁绕组，运行时接到交流，运行时接到交流电源上，电源上，另一相作为控制绕组另一相作为控制绕组，输入控制电压。，输入控制电压。主要有：主要有：永磁式交流伺服电机永磁式交流伺服电机和和感应式交流伺服电机感应式交流伺服电机共同点：工

43、作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定子旋转磁场一起运转。子旋转磁场一起运转。不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即严格的同步关系，即电机的转速等于旋转磁场的同步转速电机的转速等于旋转磁场的同步转速；而感；而感应式伺服电机由于应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩需要转速差才能产生电磁转矩，因此，电机的，因此，电机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。第三节 闭环伺服系统交流异步电机的转速表达

44、式为：交流异步电机的转速表达式为： 2.2.交流电机的速度控制交流电机的速度控制 spfn1601f f1 1 定子电源频率（定子电源频率（HzHz）；）； p p 磁极对数；磁极对数； s s 转差率。转差率。异步电机的调速方法，可以有异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频变转差率、变极对数及变频三种。三种。（1 1）变磁极对数：通过对定子绕组接线的切换改变磁极对数来实）变磁极对数：通过对定子绕组接线的切换改变磁极对数来实现，现，只能产生二种或三种转速，不能无级调速，应用范围较窄只能产生二种或三种转速，不能无级调速，应用范围较窄。（2 2）改变转差率：只适合于异步型交流电机的调速

45、，）改变转差率：只适合于异步型交流电机的调速，低速时转差低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低率大，转差损耗功率也大，效率低。（3 3）变频调速：通过改变电机电源的频率而改变电机的转速。）变频调速：通过改变电机电源的频率而改变电机的转速。变变频调速从高速到低速都可以保持有限的转差率，具有高效率、宽范频调速从高速到低速都可以保持有限的转差率，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。第三节 闭环伺服系统（r/minr/min）第三节 闭环伺服系统变频调速的主要环节：变频调速的主要环节：为交流电机提供变频电源的变频器为

46、交流电机提供变频电源的变频器。变频器分：变频器分：交交交交 变频变频 ：利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz50Hz）变成频率较低的脉动交流电，该方法所得的交流电波）变成频率较低的脉动交流电，该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。 交交直直交交 变频：变频：先将交流电整流成直流电，然后将直流电先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲方波电压，该调频方式所得交流电的波动小，压变成矩形脉冲方波电压，该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。调

47、频范围比较宽，调节线性度好。数控机床常采用交数控机床常采用交直直交变频调速交变频调速。其中，。其中，SPWMSPWM（正弦（正弦波脉宽调制）变频器波脉宽调制）变频器是目前应用最广、最基本的一种交是目前应用最广、最基本的一种交直直交型电压型变频器，交型电压型变频器，在交流调速系统中获得广泛应用在交流调速系统中获得广泛应用。三、直线电机的特点三、直线电机的特点机床进给系统采用直线电机直接驱动，与原旋转电机传动方式的最大机床进给系统采用直线电机直接驱动，与原旋转电机传动方式的最大区别区别是：取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床是：取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动

48、环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式称为进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式称为“直接驱动直接驱动”，也称，也称“零传动零传动”。直接驱动避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚。直接驱动避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点。性不足等缺点。 定子(初级)笼形转子(次级)初级次级第三节 闭环伺服系统直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生磁场，次级在磁场切当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生磁场，次级在磁场切割下，将感应出电动势

49、并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。反之，则初级做直线运动。 第三节 闭环伺服系统特点特点：将指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频：将指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频率的某一载波的不同相位的脉冲信号，在位置控制单元进行相位率的某一载波的不同相位的脉冲信号，在位置控制单元进行相位比较，相位差反映了指令位置与实际位置的偏差。比较，相位差反映了指令位置与实际位置的偏差。位

50、置检测元件位置检测元件采用旋转变压器、感应同步器或磁栅，工作在相位采用旋转变压器、感应同步器或磁栅，工作在相位工作状态。工作状态。脉冲调相器：脉冲调相器：将数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。将数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。鉴相器鉴相器：鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位：鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位差及其相位超前、滞后关系，并变成相应的误差电压信号作为速差及其相位超前、滞后关系，并变成相应的误差电压信号作为速度单元的输入信号。度单元的输入信号。四、鉴相式伺服系统四、鉴相式伺服系统第三节 闭环伺服系统五、鉴幅式伺服系统五、鉴幅式伺服系统以以位

51、置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并作为位置，并作为位置反馈信号与指令信号进行比较，构成半闭环控制系统。反馈信号与指令信号进行比较，构成半闭环控制系统。位置检测元件工作在幅值工作方式，感应同步器、旋转变压器和位置检测元件工作在幅值工作方式，感应同步器、旋转变压器和磁栅。磁栅。 鉴幅器：对位置检测装置输出的代表工作台实际位移的电压信号鉴幅器：对位置检测装置输出的代表工作台实际位移的电压信号进行滤波、放大、检波、整流，变成正、负与工作台移动方向相进行滤波、放大、检波、整流，变成正、负与工作台移动方向相对应、幅值与工作台位移成正比的直流电压信号。对应

52、、幅值与工作台位移成正比的直流电压信号。 第三节 闭环伺服系统六、数字脉冲比较伺服系统六、数字脉冲比较伺服系统 结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，以半闭结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，以半闭环的控制结构形式较为普遍。环的控制结构形式较为普遍。 特点：指令脉冲信号与位置检测装置的反馈脉冲信号在比较器特点：指令脉冲信号与位置检测装置的反馈脉冲信号在比较器中以中以脉冲数字脉冲数字的形式进行比较。的形式进行比较。 反馈脉冲反馈脉冲数数/ /模模转换器转换器脉冲处理脉冲处理伺服伺服电机电机工作台工作台位置检测装置位置检测装置（光电编码器）（光电编码器）伺服放大器伺服放大器位

53、置检测信息位置检测信息P Pf f指令脉冲指令脉冲PcPc比较器比较器PePe第四节 数控机床的检测装置作用作用：检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控：检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确装置，构成伺服系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。地移动。组成组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。：检测元件（传感器）和信号处理装置。常用检测装置：常用检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等。等。数控机床对位置检测装置的要求如下：数控机床对位置

54、检测装置的要求如下：（1 1）工作可靠，抗干扰能力强；）工作可靠，抗干扰能力强；（2 2）满足精度和速度的要求；）满足精度和速度的要求；（3 3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；（4 4）成本低。）成本低。 一、概述一、概述（一）直接测量和间接测量（一）直接测量和间接测量 1.1.直接测量直接测量 将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。置闭环控制。优点优点是准确性高

55、、可靠性好，是准确性高、可靠性好，缺点缺点是测量装置要是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2.2.间接测量间接测量 将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。闭环伺服系统的位置反馈用。优点优点是测量方便、无长度限制。是测量方便、无长度限制。缺点缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链是测量信号中增加了由回转运

56、动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。误差，从而影响了测量精度。第四节 数控机床的检测装置第四节 数控机床的检测装置（二）数字式测量和模拟式测量（二）数字式测量和模拟式测量1.1.数字式测量数字式测量 将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。处理简单。2.2.模拟量测量模拟量测量 将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。对信号处理的方法相对

57、来说比较复杂。对信号处理的方法相对来说比较复杂。第四节 数控机床的检测装置（三）增量式测量和绝对式测量（三）增量式测量和绝对式测量1.1.增量式测量增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作相对位移量，优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。有误，以后测量所得结果完全错误。 2.2.绝对式测量绝对式测量 绝对式测量装

58、置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。二进制位数也愈多，结构就愈复杂。 第四节 数控机床的检测装置（一）结构与工作原理（一）结构与工作原理 旋转变压器是一种角位移测量装置，由

59、定子和转子组成。工旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。工作原理与普通变压器基本相似，根据互感原理工作作原理与普通变压器基本相似，根据互感原理工作, ,其中定子绕其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。来间接测量工作台的位移。二、旋转变压器二、旋转变压器有两种典型工作方

60、式，鉴相式和鉴幅式。有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。 鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量； 鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。三三 、感应同步器感应同步器 感应同步器与旋转变压器一样，是利用电磁耦合原理，将位移或转角转化成电信号的位置检测装置。实质上，感应同步器是多极旋转变压器的展开形式。感应同步器按其运动形式和结构形式的不同，可分为旋转式（或称圆盘式）和直线式两种。前者用来检测转角位移，用于精密转台，各种回转伺服系统；后者用来检测直线位移，用于大型和精密机床的自动定位，位移数字显示和