数控机床伺服驱动系统

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1、第六章数控机床的伺服驱动系统第一节概述一、数控机床伺服系统的概念及组成如果说CNC装置是数控机床的“大脑”，发布“命令”的指挥机构，那么，伺服系统就是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它忠实而准确地执行由CNC装置发来的运动命令。数控机床伺服系统是以数控机床移动部件（如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控制对象的自动控制系统，也称为随动系统、拖动系统或伺服机构。它接受CNC装置输出的插补指令，并将其转换为移动部件的机械运动（主要是转动和平动）。伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床本体的联系环节，其性能直接影响数控机

2、床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。在开环系统中只有前向通路，无反馈回路，CNC装置生成的插补脉冲经功率放大后直接控制步进电动机的转动；脉冲频率决定了步进电动机的转速，进而控制工作台的运动速度；输出脉冲的数量控制工作台的位移，在步进电动机轴上或工作台上无速度或位置反馈信号。在闭环伺服系统中，以检测元件为核心组成反馈回路，检测执行机构的速度和位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和

3、位移，进而来控制执行机构的速度和位移。数控机床闭环伺服系统的典型结构如图1-5所示。这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等部分组成，利用测速发电机、脉冲编码器等速度传感元件，作为速度反馈的测量装置。位置环是由CNC装置中位置控制、速度控制、位置检测与反馈控制等环节组成，用以完成对数控机床运动坐标轴的控制。数控机床运动坐标轴的控制不仅要完成单个轴的速度位置控制，而且在多轴联动时，要求各移动轴具有良好的动态配合精度，这样才能保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。二、伺服系统应具有的基本

4、性能551．高精度：伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确程度。由于数控机床执行机构的运动是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度和零件轮廓的加工精度，要求伺服系统应具有足够高的定位精度和联动坐标的协调一致精度。一般的数控机床要求的定位精度为0.01~0.001mm，高档设备的定位精度要求达到0.1μm以上。在速度控制中，要求高的调速精度和比较强的抗负载扰动能力。即伺服系统应具有比较好的动、静态精度。2．良好的稳定性稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短时间的调节后

5、重新恢复到原有平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。3．动态响应速度快动态响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间一般在20ms以下，在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令信号，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加减速控制，并且要求很小的超调量。4．调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围RN是指机床要求电动机能够提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比

6、，即：（6-1）其中nmax和nmin一般是指额定负载时的电动机最高转速和最低转速，对于小负载的机械也可以是实际负载时最高和最低转速。一般的数控机床进给伺服系统的调速范围RN为1：24000就足够了，代表当前先进水平的速度控制单元的技术已可达到1：100000的调速范围。同时要求速度均匀、稳定、无爬行，且速降要小。在平均速度很低的情况下（1mm/min以下）要求有一定瞬时速度。零速度时要求伺服电动机处于锁紧状态，以维持定位精度。机床的加工特点是低速时进行重切削，因此要求伺服系统应具有低速时输出大转矩的特性，以适应低速重切削的加工实际要求

7、，同时具有较宽的调速范围以简化机械传动链，进而增加系统刚度，提高转动精度。一般情况下，进给系统的伺服控制属于恒转矩控制，而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，高速时为恒功率控制。车床的主轴伺服系统一般是速度控制系统，除了一般要求之外，还要求主轴和伺服驱动可以实现同步控制，以实现螺纹切削的加工要求。有的车床要求主轴具有恒线速功能。5．高性能电动机伺服电动机是伺服系统的重要组成部分，为使伺服系统具有良好的性能，伺服电动机也应具有高精度、快响应、宽调速和大转矩的性能。具体是：（1）电动机从最低速到最高速的调速范围内能够平滑运转，转矩波动要

8、小，尤其是在低速时要无爬行现象；（2）电动机应具有大的、长时间的过载能力，一般要求数分钟内过载4~6倍而不烧毁；（3）为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短的时间内达到规定的速度；5