第4章_数控机床的伺服系统

第 4章

数控机床的伺服系统

4.1 概 述 一、伺服的基本概念 1. 伺服系统的含义和组成 1)含义： 数控机床的伺服系统是以机械位置和角度作为 控制对象的自动控制系统，也可称为位置随动系统， 简称为伺服系统。 2)作用： 伺服系统接受CNC插补器生成的进给脉冲或进 给位移量指令，经变换和功率放大驱动机械运动。1

3)组成： CNC机床伺服系统包括：进给伺服系统和主轴 伺服系统两部分。 进给伺服系统是以机床坐标移动部件(如工作台) 的位置和速度作为控制量。通常由伺服驱动装置、 伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。 如果把CNC比作数控机床的“大脑”,是収布 “命令”的指挥机构，那么，伺服系统就是CNC机 床的“四肢”,是执行“命令”的机构，它是一个 不折不扣的跟随者。2

2.对伺服系统的基本要求 1) 精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的 精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要 求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服 系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度， 两者误差愈小，位移精度愈高。 2)稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能 在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来 平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干 扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接 影响CNC加工精度。3

3)快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标， 它反映了系统跟踪精度。为保证轮廓切削形状精度 和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的 响应要快，跟随误差小。对指令的响应时间一般要 求在200ms以内，甚至小于几十ms。

4)调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高 转速和最低转速之比。 在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零 件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到 最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速 范围。4

5)低速大扭矩 机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因 此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。 3.电气伺服系统的控制结构CNC系统 给定 位置PID 速度单元 速度PID速度环

电流环

电流PID 速度反馈 位置反馈

伺服电机

位置环

电气伺服系统的三环结构5

二、伺服系统的分类 1.按控制方式分为： 1)开环伺服系统； 2)闭环伺服系统；

开环伺服系统6

半 闭 环

闭 环

闭环伺服系统7

2.按功能分为： 1)进给驱动系统 2)主轴驱动系统； 进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环， 用于数控机床坐标轴的切削进给运动控制，并提供 切削过程所需转矩。 主轴伺服系统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 和所需的切削力，且保证任意转速的调节。 现代CNC主轴也具备位置控制环，以实现主轴 的定位和轮廓跟踪功能。8

3.按驱动电机分为：1)步迚电机伺服系统； 2)直流电机伺服系统；

3)交流电机伺服系统；4)直接驱动电机伺服系统； (如：直线电机)

4.2 检测元件 一、对检测装置的要求与分类1. 位置检测装置的要求 在闭环数控系统中，位置检测装置的作 用是检测机床运动部件的位置和速度，収送 反馈信号，构成闭环控制系统。检测系统的 精度决定了CNC的精度和分辨率。 1)能满足精度和速度的要求； 2)高能可靠性和高抗干扰能力强； 3)使用、维护简单方便； 4)成本低； 通常，检测装置的分辨率(即检测的最小位移量) 在0.01~10微米内；运动速度为0~24m/min。10

2.位置检测装置的分类 由于工作条件和测量要求不同，数控机床常 用以下几种测量方式：1)绝对值测量方式和增量测量方式 绝对值测量方式是任一被测量点位置都由一 个固定的零点(即坐标原点)算起，每一测量点， 都有一个相应的对原点的测量值。 增量测量方式检测的是相对位移量，有多个 测量基准，任何一个对中点都可作为测量起点， 因而检测装置比较简单。 轮廓控制数控机床大都采用增量测量方式。 典型元件如感应同步器、光栅、磁尺等。11

2)数字式测量和模拟式测量 数字式测量是将被测量量化后以数字量表示， 可直接送到CNC迚行比较、处理。 如光栅、编码器等，特点是： (1) 被测量量化成脉冲个数，便于处理； (2) 结构比较简单，脉冲信号抗干扰强。 模拟式测量是将被测量用连续的变量(如相 位变化、电压幅值变化)杢表示的。在数控机床 上模拟式测量主要用于小量程的测量。 如旋转变压器、感应同步器等，特点是： (1)直接测量被测量，无须量化； (2)在小量程内可以实现高精度测量。12

3)直接测量和间接测量 直接测量是将检测装置直接安装在直线运动部件 上，测量直线位移量。常用光栅，感应同步器等。 优点是直接反映运动部件的直线位移量； 缺点是检测装置要和行程等长。 间接测量是通过测量与运动部件直线运动相关 联的回转角度间接地测量直线位移。常用编码器、 旋转变压器等。 优点是使用可靠方便，无长度限制； 缺点是测量信号加入机械传动链误差，从而影 响测量精度。13

二、脉冲编码器 1.脉冲编码器分类 脉冲编码器是一种旋转式脉冲収生器，它将 机械几何转角转换成脉冲或数字量的传感器。可 用于位置和速度的检测，是目前应用最多的传感 器，根据检测原理，脉冲编码器可分为光

电式、 电磁感应式和接触式三种。 脉冲编码器是一种增量检测元件，其型号根 据每转输出的脉冲数，常见有二级三档：每转脉 冲数动量mm2000 P/r 6, 8 2500 P/r 3000 P/r 20000 P/r 25000 P/r 30000 P/r 3, 6, 1214

每转移 2,3,4, 5,10

3,6, 2,3,4, 5,10 12 6, 8

2.光电脉冲编码器结构原理 光电编码器 是由圆光栅、扇 形指示光栅、光 电检测装置组成。 圆光栅盘是 在一定直径圆盘 的圆周上等分地 开通若干个长方 形孔，圆盘与电 动机同轴。

圆光栅与电动机同速 旋转时，光线透过两个光 栅形成明暗相间的条纹， 经光电元件接受转换成交 变电信号，接近正弦波， 经量化整形成脉冲信号。 计算每秒光电编码器 输出脉冲的个数就能反映 当前电动机的转速。为判 别旋转方向，编码器提供 相位相差90º 的两路脉冲A, B信号和一个“一转脉冲” 定位用C信号。

节距P

90°

光电编码器输出波形

光电编码器优点是原理构造简单，机械平均寿 命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高， 适合于长距离传输。缺点是无法输出轴转动的绝对 位置信息。17

三、绝对值编码器绝对值编码器是一种直接编码直接测量的传 感器，它直接输出数字量。 结构与脉冲编码器类似，只是其圆形码盘上 沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透 光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双 倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的 位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码 道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光 敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号， 直接形成二进制数。 绝对值编码器也分为光电式、电磁式和接触 式三种。常用为光电式，其码盘如图。18

光电绝对值编码器