1、數控伺服系統是指以機床運動部件(如工作臺、主軸和刀具等)的位置和速度作為控制量的自動控制系統。數控伺服系統的作用在于接受來自數控裝置的進給脈沖信號，經過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅動機床運動部件實現運動，并保證動作的快速性和準確性。 數控伺服系統作為數控裝置和機床的聯系環節，是數控機床的重要組成局部，數控機床的精度和速度等技術指標很大程度上取決于伺服系統的性能優劣。3.1 概述11. 輸出位置精度要高 靜態：定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差和重復定位誤差要小。(尺寸精度) 動態：跟隨精度，動態性能指標，用跟隨誤差表示。 (輪廓精度) 靈敏度要高，有足夠高的分辯率。3.1.1 對數控

2、伺服系統的要求3.1 概述22. 響應速度快且無超調 對伺服系統動態性能的要求，即在無超調的前提下，執行部件的運動速度的建立時間 tp 應盡可能短。 要求從 0FmaxFmax0，時間應盡可能小，且不能有超調，否那么對機械部件不利，有害于加工質量。tFtp3.1.1 對數控伺服系統的要求3.1 概述33.1.1 對數控伺服系統的要求3. 調速范圍要寬且要有良好的穩定性(在調速范圍內) 調速范圍： 一般要求： 穩定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩性顯得特別重要。3.1 概述44.系統的可靠性高 綜上所述： 對伺服系統的要求包括靜態和動態特性兩方面； 對高精度的數控機床，對其動態性能

3、的要求更 嚴。3.1.1 對數控伺服系統的要求3.1 概述5按有無反響檢測元件分為開環和閉環(含半閉環)兩種類型 開環伺服系統由驅動控制單元、執行元件和機床組成。 閉環(半閉環)伺服系統由執行元件、驅動控制單元、機床以及反響檢測元件、比較環節組成。 3.1.2 數控伺服系統的根本組成3.1 概述63.1.3 數控伺服系統的分類按反響比較控制方式分類數字脈沖比較伺服系統鑒相式伺服系統鑒幅式伺服系統全數字伺服系統按伺服系統的用途和功能分類進給驅動系統主軸驅動系統按執行元件的類別分類直流伺服系統交流伺服系統3.1 概述7伺服驅動元件又稱為執行電動機 數控伺服系統的執行元件，是根據輸入的控制信號產生角

4、位移或角速度，帶動被控對象運動。數控伺服系統中常用的驅動元件有：步進電動機直流伺服電動機交流伺服電動機 3.2 伺服系統的驅動元件83.2.1 步進電動機 步進電機流行于70年代，系統結構簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數字化。隨著計算機技術的開展，除功率驅動電路之外，其它局部均可由軟件實現，從而進一步簡化結構。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經濟型數控；打印機、繪圖機等計算機的外部設備。 步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成角位移的機電元件。每輸入一個脈沖，步進電動機轉軸就轉過一定角度。 3.2 伺服系統的驅動元件9步進電動機的種類運動方式：旋轉

5、運動的、直線運動的和平面運動 ；結構上：反響式、勵磁式 ；按定子數目：單段定子式、多段定子式； 按相數：單相、兩相、三相及多相。 3.2 伺服系統的驅動元件10三相三拍反響式的工作原理 三相是指步進電機有三相定子繞組，三拍是指每三次轉換為一個循環 三相步進電機，定子有六個磁極，分為三對，每個磁極上裝有控制繞組。一對磁極通電后，對應產生N/S極磁場；轉子為帶齒的鐵心反響式或磁鋼混合式。 當定子三相依次通電時，三對磁極依次產生氣隙磁場，吸引轉子一步步轉動。3.2 伺服系統的驅動元件11步進電動機的主要特性 步距角 :步進電動機繞組的通電狀態每改變一次，轉子轉過的角度 起動頻率 :空載時，步進電動機

6、由靜止狀態突然起動，進入不丟步的正常運行的最高頻率 連續運行頻率 :步進電動機起動以后其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續上升而不丟步的最高工作頻率 加減速特性 :描述步進電動機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態的變化頻率與時間的關系 3.2 伺服系統的驅動元件123.2.2 直流伺服電動機 小慣量直流電動機:轉動慣量小，反響靈敏，動態特性好，適用于高速與負載慣量較小的場合。大慣量寬調速直流伺服電動機:既具有一般直流電動機的各項優點，又具有小慣量直流電動機的快速響應性能，易與較大的負載慣量匹配，能較好地滿足伺服驅動的要求。 3.2 伺服系統的驅動元件13直流伺服電動

7、機的結構特點 按磁極的種類，寬調速直流電動機分為電勵磁和永久磁鐵兩種 3.2 伺服系統的驅動元件14寬調速直流電動機性能 輸出力矩大 過載能力強 動態響應性能好 低速運轉平穩 易于調試 因此，寬調速直流伺服電動機是目前機電一體化閉環伺服系統中應用較多的控制電動機。 3.2 伺服系統的驅動元件15直流伺服電動機調速方式 晶閘管直流調速SCR 脈寬調制直流調速(PWM) 頻帶寬 電動機脈動小 電源的功率因數高 動態硬度好，系統具有良好的線性 3.2 伺服系統的驅動元件163.2.3 交流伺服電動機 由于直流伺服電機具有優良的調速性能， 80年代初至90年代中，在要求調速性能較高的場合，直流伺服電機

8、調速系統的應用一直占據主導地位。但其卻存在一些固有的缺點，即：電刷和換向器易磨損，維護麻煩結構復雜，制造困難，本錢高 而交流伺服電機那么沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10%70%，且可到達的轉速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調速方案來取代直流電機調速的方案。3.2 伺服系統的驅動元件17交流伺服電動機的結構特點 交流伺服電動機采用全封閉無刷構造，不需定期檢查和維修。 定子省去了鑄件殼體，結構緊湊，外形小，重量輕 它的轉子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，常做成鼠籠式，為了使伺服電動機反響迅速，轉子做得較細長。 空心杯形轉子，杯壁很薄 3.2 伺

9、服系統的驅動元件18交流伺服電動機的工作原理 與單相異步電動機相似交流伺服電動機調速 交流伺服電動機調速通常由調頻調速的方法實現。實現調頻調壓方法： 脈沖幅值調制(PAM)方法 脈寬調制(PWM)方法 3.2 伺服系統的驅動元件193.2.4 直線電動機 直線電動機是一種能將電信號直接轉換成為直線位移的電動機。直線電動機沒有傳動機械的磨損，并且噪音低、結構簡單、操作維護方便。 直線電動機主要應用的機型有直流直線電動機、交流直線電動機以及直線步進電動機等，在實際中應用較多的是交流直線電動機。 3.2 伺服系統的驅動元件20直線電動機的優點 結構簡單應用范圍廣、適應性強 反響速度快，靈敏度高，隨動

10、性好 額定值高、冷卻條件好 有精密定位和自鎖能力 工作穩定可靠，壽命長 3.2 伺服系統的驅動元件21 開環步進伺服系統(Open-Loop System)不帶位置測量反響裝置的系統；驅動電機只能用步進電機；主要用于經濟型數控或普通機床的數控化改造3.3 步進式伺服系統223.3.1 步進式伺服系統的工作原理 步進電動機的驅動控制線路和步進電動機兩局部組成步進式伺服系統受驅動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號通過步進電動機轉變為具有一定大小和方向的機械角位移，通過齒輪和絲杠帶開工作臺移動。 控制 位移量：步進電動機轉過的角位移量，由進 給脈沖數決定 方向：通電順序不同 進給速度：由進給脈

11、沖頻率決定3.3 步進式伺服系統233.3.2 步進電動機的驅動控制線路 驅動控制線路的功能：將具有一定頻率f、一定數量和方向的進給脈沖轉換成控制步進電動機各相定子繞組通斷電的電平信號。 驅動控制線路組成：脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路、環形分配器和功率放大器 3.3 步進式伺服系統243.3 步進式伺服系統脈沖混合電路 將插補信號或者手動信號等轉換為使工作臺正向進給的“正向進給信號或使工作臺反向進給的“反向進給信號。加減脈沖分配電路 當機床在進給脈沖的控制下正在沿著某一方向進給時，由于各種誤差補償脈沖的存在，可能會有個別的方向進給脈沖，通過加減脈沖分配電路從正在進給方向的進給脈沖

12、指令中抵消相同數量的方向補償脈沖。加減速電路 加減脈沖分配電路來的進給脈沖頻率的變化是有躍變的 作用：使之變成符合步進電動機加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進電動機的定于繞組 3.3 步進式伺服系統26環形分配器 環形分配器的作用：把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉換成控制步進電動機定于繞組通電、斷電的電平信號，電平信號狀態的改變次數及順序與進給脈沖的數量及方向對應。 有硬件環形分配器和軟件環形分配器兩種形式 3.3 步進式伺服系統27功率放大器 從環形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電動機的定子繞組需要幾安培電流。因此，需要對從環形分配器來的信號進行功率放大，以提供幅

13、值足夠，前后沿較好的勵磁電流。常用的功放電路有以下兩種：(1) 單電壓供電功放器(2) 雙電壓供電功放器：雙電壓供電功率放 大器又稱上下電壓供電功放器 3.3 步進式伺服系統283.3.3 提高步進式伺服系統精度的措施 影響步進電機開環系統傳動精度的因素：步進電機的步距角精度；機械傳動部件的精度；絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；傳動件和支承件的變形。提高步進電機開環系統傳動精度的措施：適當提高系統組成環節的精度；采取各種精度補償措施：3.3 步進式伺服系統29 傳動間隙補償 在整個行程范圍內測量傳動機構傳動間隙，取其平均值存放在數控系統中的間隙補償單元，當進給系統反向運動時，數控系統自動將

14、補償值加到進給指令中，從而到達補償目的。 螺矩誤差補償 滾珠絲桿在數控機床應用廣泛，雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對精確，總是將其精度控制在一定的范圍內的，也就是它的螺距總是存在著一定的誤差的，利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進給位移精度。 方法：首先測量出進給絲桿螺距誤差曲線(規律)，然后可采用以下兩種方法實現誤差補償：硬件補償、軟件補償。 細分線路 ：是把步進電動機的一步再分得細一些 。3.3 步進式伺服系統30優點：是結構比較簡單用較多的是以光柵和光電編碼器作為位置檢測裝置的閉環控制系統。組成3.6 脈沖比較式伺服系統 31脈沖比較式伺服系統的組成

15、 指令信號 ：由數控裝置提供，數字脈沖信號，也可以是數碼信號 反響測量信號 ：由測量裝置提供的機床速度、位置反響信號，可以是脈沖信號，也可以是數碼信號 常用的測量裝置是光柵和脈沖編碼器 比較器 作用：完成指令信號與測量反響信號比較的環節 有三類：數碼比較器、數字脈沖比較器和數碼與數字脈沖比較器。 轉換器 ：轉換器是數字脈沖信號與數碼的相互轉換部件 驅動執行元件 ：根據比較器的輸出帶開工作臺移動 3.6 脈沖比較式伺服系統 323.6 脈沖比較式伺服系統 33脈沖比較式伺服系統工作原理 以采用光電脈沖編碼器為測量元件的系統為例說明數字脈沖比較伺服系統的工作原理。 光電編碼器與伺服電機的轉軸連接，

16、隨著電機的轉動產生脈沖序列輸出，其脈沖的頻率將隨著轉速的快慢而升降。假設工作臺處于靜止狀態，指令脈沖Pc=0，這時反響脈沖Pf亦為零，經比較器可得偏差e=PcPf=0，那么伺服電機的速度給定為零，工作臺繼續保持靜止不動。 3.6 脈沖比較式伺服系統 34脈沖比較式伺服系統工作原理 隨著指令脈沖的輸入，Pc0，在工作臺尚未移動之前，反響脈沖Pf仍為零。經比較器比較，得偏差e=PcPf0，假設指令脈沖為正向進給脈沖，那么e0，由速度控制單元驅動電機帶開工作臺正向進給。 隨著電機運轉，光電脈沖編碼器將輸出反響脈沖Pf送入比較器，與指令脈沖Pc進行比較，假設e=PcPf0，工作臺繼續運動，不斷反響，直

17、到e=PcPf=0，即反響脈沖數等于指令脈沖數，工作臺停在指令規定的位置上。 當指令脈沖為反向運動脈沖時，控制過程與Pc為正時根本上類似。只是e0，工作臺作反向進給，直至e=0，工作臺停在指令所規定的反向某個位置上。主要工作部件 數字脈沖數碼轉換器 數字脈沖轉換為數碼 對于數字脈沖轉化為數碼，其最簡單的實現方法就是采用一個可逆計數器，它將輸入的脈沖進行計數，以數碼值輸出。圖所示是由兩個二十進制計數器組成的數字脈沖數碼轉換器。 3.6 脈沖比較式伺服系統 主要工作部件 數字脈沖數碼轉換器 數碼轉換為數字脈沖 對于數碼轉化為數字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計數器組成的線路，如下圖， 3.6 脈沖比較式伺服系統 主要工作部件 數字脈沖數碼轉換器 數碼轉換為數字脈沖 第二種方法是用一個脈沖乘法器，數字脈沖乘法器實質上就是將輸入的二進制數碼轉化為等值的脈沖數輸出，其示意圖如圖3.37所示。3.6 脈沖比較式伺服系統 主要工作部件2. 比較器 在脈沖比較系統中，使用的比較器有多種結構，根據其功能可分為兩種：一種是數碼比較器，另一種是數字脈沖比較器。 數字脈沖比較器中常采用帶有可逆回路的可逆計數器進行工作。下面介紹一種具有脈沖別離功能的數字脈沖比較器