数控技术：数控机床的伺服系统和常用驱动元件和数控机床编程及加工

第4章数控机床的伺服系统和常用驱动元件4.1数控机床的伺服系统4.2数控机床的驱动电动机4.3数控机床的驱动装置2023/5/101机床数控技术4.1数控机床的伺服系统.伺服系统的定义、组成.定义：

伺服系统(ServoSystem)——以机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。进给伺服系统——以机械位移为直接控制目标,保证加工轮廓.主轴伺服系统——以速度控制为主，提供切削转矩和功率.当有螺纹加工、准停和恒线速加工时主轴有位置控制要求.2.组成由伺服电动机、伺服驱动装置、位置检测装置等组成。电能→机械能功率放大和速度调节检测和反馈2023/5/102机床数控技术2、特点（与主运动系统比较）：功率相对较小；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是动态性能。1.作用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运动，并保证动作的快速性和准确性。二、进给伺服系统的作用、特点及组成2023/5/103机床数控技术3、组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈2023/5/104机床数控技术1.输出位置精度要高2.响应快且无超调三、NC机床对数控进给伺服系统的要求tFtptp

应尽可能短2023/5/105机床数控技术3.调速范围要宽且要有良好的稳定性

调速范围：一般要求：

稳定性：指输出速度的波动要少。4.负载特性硬在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度的变化△F尽可能小，且△t尽可能短tF△t△F2023/5/106机床数控技术四、进给伺服系统的类型1.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。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大2023/5/107机床数控技术无位置反馈，精度不高，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、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。特点：2023/5/108机床数控技术2.全闭环数控系统

全闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈2023/5/109机床数控技术特点：从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙，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。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。2023/5/1010机床数控技术3.半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈2023/5/1011机床数控技术特点：半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得比较稳定的控制性能。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。但可对这类误差进行补偿。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。2023/5/1012机床数控技术4.2

数控机床的驱动电动机电机是伺服系统的动力部件，提供运动所需的动力。在数控机床上常用的电机有：图4-4数控机床驱动电动机的常用种类2023/5/1013机床数控技术一、步进电动机步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方便。用于小容量、低速、精度要求不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应机械角位移的机电执行元件。当输入一个电脉冲时，电动机的转轴就转过一个相应的角度，该角度称为步距角。角位移∝脉冲个数转速∝脉冲频率转向与分配脉冲的相序有关

2023/5/1014机床数控技术1、分类

按转矩产生的工作原理分：反应式和励磁式按输出力矩大小分：伺服步进电机和功率步进电机按励磁组数分：三相、四相、五相、六相步进电机2、结构及工作原理——以三相反应式步进电动机为例

由定子、定子绕组和转子组成。图4-5三相反应式步进电动机结构示意图1—定子2—绕组3—转子工作方式：三相单三拍三相双三拍三相单双六拍2023/5/1015机床数控技术

(1)三相单三拍工作方式——通电顺序A→B→C→A转子逆时针旋转通电顺序A→C→B→A转子顺时针旋转一拍——从一相通电换接到另一相通电三相激磁绕组依次单独通电运行为简化分析，假设步进电动机转子上只有4个齿缺点：易在切换瞬间失去自锁转矩，产生失步，或在平衡位置产生振荡。2023/5/1016机床数控技术(2)三相双三拍工作方式

在实际工作过程中多采用双三拍工作方式，即定子绕组的通电顺序为AB-BC-CA-AB…或AC-CB-BA-AC…，此时有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍然旋转30°。由于在步进电机工作过程中始终保持有一相定子绕组通电，所以工作比较平稳。2023/5/1017机床数控技术(3)三相单双六拍工作方式如果按A-AB-B-BC-C-CA-A…(逆时针转动)或A-AC-C-CB-B-BA-A…(顺时针转动)的顺序通电，称三相单双六拍工作方式。每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。由于电动机运转中始终有一相定子绕组通电，运转也比较平稳。2023/5/1018机床数控技术

实际应用的步进电动机转子上的齿数很多，因为齿数越多步距角越小，控制精度越高。通常的步距角是3°、1.5°或0.75°。为此，在定子磁极上也制成同样大小的小齿。但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1／3(三相三拍)或1/6(三相六拍)。（a）电动机的步距角结构（b）展开后的齿距图4-8三相反应式步进电动机的步距角结构及展开后的齿距假定三相步进电机转子上有40个小齿每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1／3(三相三拍)或1／6(三相六拍)即达到新的平衡位置。2023/5/1019机床数控技术3．步进电动机的特点

（1）转子的角位移和转速严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的转向。

（2）维持控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置上不动，即不需要机械制动。

（3）有一定的步距精度，没有累积误差。（4）缺点是效率低，拖动负载的能力不大，最高输入脉冲频率一般不超过18kHz。

2023/5/1020机床数控技术4、步进电机的主要特性(1)步距角α及其步距误差

指每输入一个脉冲信号，转子应转过角度的理论值。它取决于电机结构和控制方式。

式中m——定子相数；

z——转子齿数；

k——通电系数，若连续两次通电相数相同为1，若不同则为2。数控机床所采用步进电动机的步距角一般都很小，通常为3°、1．5°或0．75°等。步距角越小，控制精度越高。步进电动机一转内各实际步距角与理论步距角之间存在误差，误差的最大值定为步距误差。它的大小受制造精度、齿槽分布的不均匀和气隙不均匀等因素影响，通常在10′左右。

2023/5/1021机床数控技术(2)静态矩角特性和最大静转矩

当步进电动机单相通直流电时，转子处于静态。如果在电机轴上施加一个负载转矩，转子会在载荷方向上转过一个角度θ，转子因而受到一个电磁转矩T的作用与负载平衡。

静态电磁转矩失调角静态矩角特性——T随θ的变化曲线。

当外加转矩取消后，转子在T作用下，仍能回到稳定平衡点θ＝0。2023/5/1022机床数控技术衡量承载能力转子定子2023/5/1023机床数控技术(3)启动转矩Tq和启动频率fq

电机运行状态的最大启动转距Tq>负载力矩

Tq启动频率fq空载时，步进电机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。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率必须小于启动频率，才能正常启动。TT2023/5/1024机床数控技术（4）连续运行频率步进电动机启动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。连续运行频率是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，即决定了步进电动机的最高转速。其值远大于启动频率。2023/5/1025机床数控技术（5）矩频特性与动态转矩

矩频特性T=F（f）描述步进电动机连续稳定运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。

图4-10步进电动机的矩频特性2023/5/1026机床数控技术

图4-11步进电动机驱动工作台的典型结构4、步进电动机的选择——主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造中。在选用时，应根据驱动对象的转矩、精度和控制特性来选择。

（1）首先应确定步进电动机的类型。（2）根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量，如或。（3）根据所选步进电动机的步距角、丝杠的螺距以及所要求的脉冲当量，计算减速齿轮的降速比。

(4)电动机的输出转矩应大于负载转矩.(5)带载启动频率应为空载启动频率的一半.2023/5/1027机床数控技术

图4-11步进电动机驱动工作台的典型结构采用减速齿轮的作用：①容易配置出所要求的脉冲当量；②减小工作台和丝杠折算到电动机轴上的惯量；③增大工作台的推力。α——步进电动机的步距角（°）；δ——脉冲当量（mm/脉冲）；h——丝杠螺距（mm）根据所要求的脉冲当量δ，齿轮减速比i=Z1/Z2的计算：P1202023/5/1028机床数控技术传动比选择：齿轮传动副降速比i=Z1/Z2与α、、h之间有如下关系：

例：mmh=6mmα=0.75°2023/5/1029机床数控技术二、伺服电动机

直流伺服电机的工作原理是建立在电磁力和电磁感应的基础上的。20世纪70~80年代中期，直流伺服电机在NC机床中广泛采用。80年代后期，交流伺服电机成为主流。2023/5/1030机床数控技术1．伺服电动机的性能（1）能够平稳运转，转矩波动要小，低速无爬行现象。停止时，电磁转矩要能锁住伺服系统。（2）伺服电动机应具有较长时间的过载能力。（3）应有较小的转动惯量和较大的堵转转矩。（4）伺服电动机应具有频繁启动、制动和正、反转的能力。2023/5/1031机床数控技术（a）直流电动机的结构原理图（b）直流电动机的电路原理图

图4-12直流电动机的工作原理图taa2.直流伺服电动机的工作原理

作用在电枢上的电压U应等于反电势与电枢压降之和，即有电压平衡方程：

U=Ea+IaRa

Ea=KeΦ

n+-—+2023/5/1032机床数控技术调节直流电动机的转速有三种方法：①

改变电枢电压U↓。调速范围很宽，常用于进给驱动调速。②

改变磁通量Φ↓（Rj↑）。这种方法由于激磁回路的电感较大，导致调速的快速性变差，但速度调节容易控制，用于数控机床主传动调速。③

在电枢回路中串联调节电阻Rt，

这种方法的损耗大，且转速只能调低，故不经济。

2023/5/1033机床数控技术3.直流伺服电动机的类型

——具有较高的力矩/惯量比

(1)小惯性直流伺服电机响应快，低速运转稳定而均匀，能频繁启动与制动。过载能力低，自身惯量比机床相应运动部件的惯量小

在早期的数控机床上应用得比较多。(2)大惯量宽调速直流伺服电机转子直径较大、力矩大，转动惯量大，且能够在较大过载转矩时长时间地工作，因此可以直接与丝杠相连。能够在较低转速下实现平稳运行，最低转速可以达到1r／min，甚至0．1r／min。目前数控机床广泛采用这类电动机构成闭环进给系统。

2023/5/1034机床数控技术4.大惯量直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长；具有大的转矩/惯量比，电机的响应速度快；调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过10000；带有高精度的检测元件(速度和转子位置检测元件)。

由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80年代初至90年代中，它的应用一直占据主导地位。电刷、换向器易磨损，维护不便；结构复杂，制造困难。2023/5/1035机床数控技术5.交流伺服电机交流电机在结构上克服直流伺服电机的缺点，同时又充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。因此，在某些场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。2023/5/1036机床数控技术1234图4-15三相交流永磁同步电动机的横剖面1—定子2—永久磁铁3—轴向通风孔4—转轴213456图4-16三相交流永磁同步电动机的纵剖面1—定子2—转子3—压板4—定子三相绕组5—脉冲编码器6—出线盒三相交流永磁同步电动机的工作原理

它由定子、转子和检测元件三部分组成。

定子具有齿槽，槽内嵌有三相绕组。转子由多块永久磁铁和冲片组成。

定子三相绕组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用，使定子带动转子一起旋转。

2023/5/1037机床数控技术工作原理：

由定子绕组产生旋转磁场，使转子跟随定子旋转磁场一起运行。交流永磁式伺服电机——转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系、即电动机的转速等于同步转速，常用于进给伺服系统。交流感应式伺服电机——由于需要转速差才能产生电磁转矩．所以电机的转速低于同步转速，转速差随外负载的增大而增大。常用于主轴伺服系统。

电机转速f——交流电源的频率（Hz）；p——定子和转子的极对数；nr——转子转速（r／min）；ns——同步转速（r／min）；s——滑差率。

变频调速2023/5/1038机床数控技术图4-19液体冷却主轴电动机1、8-油/空气出口2-油/空气入口3、6-O形圈4-冷却油入口5-定子外壳7-通道档板6.新型电动机（1）液体冷却主轴电动机2023/5/1039机床数控技术（2）内装式主轴电动机图4-20内装式主轴电动机2023/5/1040机床数控技术（3）直线电进给动机

——直接驱动工作台高速移动直线电机最高速度可达150~180m/min，加速度可达60~100m/s2；而滚珠丝杠：一般不超过20~30m/min，最大加速度1~3m/s2。

1—直线滚动导轨2—床身3—工作台

4—直线电动机运动件（绕组）

5-直线电动机固定件（永久磁钢）2023/5/1041机床数控技术4．3数控机床的驱动装置

驱动装置接受数控系统输出的速度控制信号，输出电能驱动电动机。各类驱动电机的驱动装置如下：

矢量变频控制通用变频器控制交流主轴电动机晶闸管控制（SCR）直流主轴电动机主轴自控变频控制他控变频控制交流伺服电动机晶闸管控制（SCR）脉宽调制（PWM）直流伺服电动机单电压供电、高低压切换、细分驱动等步进电动机进给驱动装置驱动电机部位2023/5/1042机床数控技术一、步进驱动装置脉冲分配控制和功率放大。脉冲分配有硬件和软件两种控制方法：硬环分、软环分。驱动装置可分两类：一类驱动装置本身包括环形分配器，数控装置只要发脉冲即可；另一类驱动装置没有环形分配器，由数控装置直接控制步进电动机各绕组的通断电。2023/5/1043机床数控技术1．脉冲分配控制脉冲分配控制用于控制步进电动机的通电运行方式。数控机床上采用的步进电动机有三相、四相、五相和六相等。工作方式有单m拍、双m拍及2×m拍等，m是电动机的相数。电动机的相数越多，其工作方式越多。2023/5/1044机床数控技术AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEF→EF→EFA→FA→FAB→AB…A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EF→F→FA→A…十二拍AB→BC→CD→DE→EF→FA→AB…双六拍A→B→C→D→E→F→A…单六拍六相AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB…A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A…十拍AB→BC→CD→DE→EA→AB…双五拍A→B→C→D→E→A…单五拍五相AB→ABC→BC→BCD→CD→CDA→DA→DAB→AB…A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…八拍AB→BC→CD→DA→AB…双四拍A→B→C→D→A…单四拍四相A→AB→B→BC→C→CA→A…六拍AB→BC→CA→AB…双三拍A→B→C→A…单三拍三相通

电

顺

序循环拍数相数常用的反应式步进电动机的工作方式及其通电顺序循环拍数越多，步距角越小，定位精度越高2023/5/1045机床数控技术2．硬件环形分配器实用的环形分配器均是集成化的专用电路芯片。图4-21三相硬件环形分配器的驱动控制2023/5/1046机床数控技术3．软件脉冲分配控制软件脉冲分配控制中常用查表法。其基本设计思路是求出脉冲分配器输出的状态字，并将其组成的状态表存入EPROM中。然后根据转向取出状态字实现控制。图4-22软环分驱动控制2023/5/1047机床数控技术假设计算机并行接口PA0、PA1、PA2分别与步进电动机的A、B、C三相对应，EPROM表格首址为2023H，脉冲分配表：反转

正转01H03H02H06H04H05H2023H2023H2023H2023H2023H2023H110001011100000111123456内容地址PA0PA1PA2方向存贮单元ABC序号2023/5/1048机床数控技术图4-23查表法程序设计流程反转正转01H03H02H06H04H05H2023H2023H2023H2023H2023H2023H110001011100000111123456内容地址PA0PA1PA2方向存贮单元ABC序号2023/5/1049机床数控技术4．驱动放大电路驱动放大电路的功能是将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各相绕组。（1）对驱动放大电路的要求①能提供前后沿陡的接近矩形波的励磁电流②电路本身的功耗小，效率高。③成本较低且便于维修。④能稳定可靠地运行。2023/5/1050机床数控技术（2）典型的驱动放大电路驱动放大电路控制方式包括单电压驱动、高低压切换驱动、高压恒流斩波、调频调压、细分驱动等。Vsr图4-24单电压供电驱动电路绕组环分输出的一相绕组控制信号当Vsr＝1截止导通2023/5/1051机床数控技术sr图4-25高低压切换驱动原理（2）典型的驱动放大电路2023/5/1052机床数控技术细分驱动

——将一个步距角细分成若干微步的驱动方法矩形电流波供电时，绕组中的电流基本上从零值跃到额定值，或从额定值降至零值。若绕组中的电流经若干阶梯上升到额定值，或经若干阶梯下降至零值，即在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是改变相应绕组中额定电流的一部分。细分驱动的优点是使步进电动机的步距精度提高，运行更加平稳，提高了匀速性，并能减弱或消除振荡。2023/5/1053机床数控技术5.步进电动机的进给控制

速度控制

v=60δf

（mm/min）(2)自动升降速控制t图4-26直线与指数加、减速控制曲线f——进给脉冲频率为防止步进电机在变速过程中出现过冲或失步，其频率不能突变！2023/5/1054机床数控技术二、直流伺服驱动装置速度：作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，从而进行速度调节。调速系统：晶闸管（SCR）调速系统、晶体管脉宽控制（PWM）调速系统2023/5/1055机床数控技术1.晶闸管（SCR）调速系统具有良好的动、静态指标，启、制动过程快。适用于大功率的直流伺服电机调速控制2023/5/1056机床数控技术2023/5/1057机床数控技术2.晶体管脉宽控制（PWM）调速系统具有很好的调速性能，在精度和速度要求较高的直流伺服电机调速控制。2023/5/1058机床数控技术本章重点:伺服系统的作用进给伺服系统的类型及其特点步进电动机步距角的概念、转速和转向的控制；步进电动机的三种工作方式直流伺服驱动装置中常用的两种调速系统的类型2023/5/1059机床数控技术数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍OpenSoftCNC软件包括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机床控制两大部分组成。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心为例，软件提供下列指令：以数控车床模拟仿真系统（OpenSoftCNC01T）组别指令功能编程格式模态

1G00快速线性移动G00X(U)_Z(W)_√G01直线插补G01X(U)_Z(W)_√G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆时针圆弧插补