Transcript 第八章数控机床的伺服系统
第八章 数控伺服系统
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3.1
概述 近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广 泛的应用。数控伺服系统是指以机床运动部件 ( 如工作台、 主轴和刀具等 ) 的位置和速度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运动，并保证动作的快速性 和准确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数 控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指 标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。因此，对高性 能伺服系统的研究和开发一直是现代数控机床的关键技术 之一。
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3.1.1
对数控伺服系统的要求
随着数控技术的发展，对数控伺服系统提出了较高的要求，可 以归纳为以下几个方面。
1
、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 0.001~0.01mm
，高档设备达到 0.1μm 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、 静态精度较高。
2
、快速响应特性好 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，而且响应 要块，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在 20ms 以内， 在这么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。
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3
、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。这样 既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求。 在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转 距。
4
、系统可靠性好 数控机床的使用率很高，常常是 24h 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的平均值作为依据， 即平均无辜长时间。这个时间越长，可靠性越好。
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3.1.2
数控伺服系统的基本组成
数控伺服驱动系统的基本组成入图 3.1
所示。数控 伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环 （含半闭环）两种类型。这两种类型的伺服系统的 基本组成不完全相同，但不管是哪种类型，执行元 件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的 作用是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转化为相应的机械位移。 开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机 床组成。通常，执行元件选用步进电动机，因系统 不对输出进行检测，所以执行元件对系统的特性具 有重要影响。
南 农 大 工 学 院 图 数控伺服系统的基本组成
南 农 大 工 学 院 闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、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。局部 闭环伺服系统采用速度反馈单元检测执行远见 的速度输出，间接保证工作台的移动精度。
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3.1.3
数控伺服系统的分类
由于伺服系统在数控设备上的应用广泛，所以伺服系统有各种不 同的分类方法。 1 、按控制方式和有无检测反馈环节分类 按这种方法可以将伺服系统分为开环、半闭环和闭环伺服系统。具体 内容参见绪论 0.3
节中的数控机床的分类。 按反馈比较控制方式的不同，闭环、半闭环和闭环伺服系统又可分为 以下几种： （ 1 ）数控脉冲比较伺服系统 该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控 装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以 数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，获得 位置误差，实现闭环控制。数字脉冲比较伺服系统结构简 单，容易实现，整机工作稳定，在一般数控伺服系统中应 用十分普遍。
南 农 大 工 学 院 （ 2 ）鉴相式伺服系统 在鉴相式伺服系统中，位置检测装置采取相位工作方式， 指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两 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。鉴相式伺服系统适用于感应式检测元件（如旋转 变压器、感应同步器）的工作状态，可得到满意的精度。 此外，由于载波频率较高，响应块，抗干扰性强，更适于 连续控制的伺服系统。 （ 3 ）鉴幅式伺服系统 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映 机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还 要将此幅值信号转换成信号才与指令数字信号进行比较， 从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。
南 农 大 工 学 院 （ 4 ）全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的 发展，数控伺服系统已开始采用高速度、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。如由位置、速度和电流构成的三 环反馈全部数字化、软件处理数字 PID 等，使用灵活， 柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改 进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。
南 农 大 工 学 院 2 、按伺服系统的用途和功能分类 按这种方法可以将伺服系统分为进给驱动系统和主 轴驱动系统。 进给驱动系统用于数控机床工作台或刀架坐标的 控制系统，来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转矩。主轴驱动系统控制机 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。一般地，对于进给驱动系统，主要关 心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高 低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统， 主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节 范围及速度调节范围。
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3
、按执行元件的类别分类 按这种方法可以将伺服系统分为直流伺服系统和交流 伺服系统。 20 世纪 70 年代，数控机床大多采用直流伺服驱动。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。而直流中小惯量伺服电动机及其大功率晶体管脉宽调制 驱动装置，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。但直流电动机一个最大的特点是具有电刷和机械换 向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。进入 20 世纪 80 年代，在电动机控制领域交流电动机调速 ] 技术取得了突 破性进展。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。
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此外，还可按驱动方式分类，将伺服 系统分为液压伺服驱动系统、电气伺服驱 动系统和气压伺服驱动系统； 按控制信号分类，将伺服系统分为数 字伺服系统、模拟伺服系统和数字模拟混 合伺服系统等。
3.2
伺服系统的驱动元件
南 农 大 工 学 院 伺服驱动元件又称为执行电动机 ，它具有根据控制 信号的要求而动作的功能。在输入电信号之前，转子静 止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转 速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载 运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。数控伺服 系统的执行元件，是根据输入的控制信号产生角位移或 角速度，带动被控制对象运动。 数控伺服系统中常用的驱动元件有步进电动机、直 流伺服电动机和交流伺服电动机等。此外，近几年直线 电动机以其独有的优势，日益受到青睐。
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复习思考题及习题
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