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第六章 数控机床的伺服系统 学习目的与要求 第一节 概述 第二节 进给驱动 第三节 主轴驱动 第四节 检测元件 第五节 位置控制系统 小结 第六章 数控机床的伺服系统 学习目的与要求： 学习和掌握数控机床伺服系统的概念、进给驱动、主轴驱动、检测元件和 位置控制系统等知识和概念。 第一节 概述 一、伺服的基本概念 二、常用伺服执行元件 三、伺服控制系统分类 第一节 概述 一、伺服的基本概念 １.伺服系统的概念 伺服系统：是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。 在数控机床中，CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服系统经变换和功率放大转化为机床机械部件的高精度运动。 伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能，如：最高移动速度、运动精度和定位精度等。 早期数控机床，尤其是大中型数控机床常采用电液伺服系统驱动。它由电液脉冲马达构成开环驱动系统。八十年代起全电气伺服系统成为数控机床的主要驱动器。 电气伺服系统是指以各种伺服电动机作为驱动元件的伺服系统。 第一节 概述 一、伺服的基本概念 ２.伺服系统的基本技术要求 （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。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般为0.01～0.001mm，甚至0.1um。轮廓加工精度与速度控制和联动坐标的协调一致控制有关。对静态、动态精度要求都比较高。 （2）稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。 （3）快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。一方面要求过渡过程时间要短（200ms以内或更小），另一方面要求超调要小。两者互相矛盾，要合理选择。 第一节 概述 一、伺服的基本概念 ２.伺服系统的基本技术要求 （4）调速范围宽 调速范围RN指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比。通常 RN=nmax/nmin （nmax和nmin指额定负载时的转速） 1）进给伺服系统的调速要求 调速范围与伺服系统的分辨率有关。调速范围要求在脉冲当量为0.001mm时达到0～24m/min就够了。分以下几种状态： ①在1～24000mm/min范围，即1:24000调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。 ②在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。 ③在零速时，即工作台停止运动时，要求电机有电磁转矩，以维持定位精度，也就是说，处于伺服锁定状态。 2）主轴调速范围要求 主轴主要考虑速度控制，一般在1:100～1000范围内为恒转矩调速，1:10以上为恒功率调速，要有足够大的输出功率。 第一节 概述 一、伺服的基本概念 ２.伺服系统的基本技术要求 （5）低速大转矩 　　机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。 进给坐标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，在高速时为恒功率控制。 第一节 概述 一、伺服的基本概念 ３.电气伺服系统的控制结构 图6－1是典型的电气伺服系统框图。 伺服系统为三闭环控制：电枢电流闭环、速度闭环和位置闭环。 电流反馈：采用取样电阻、霍尔集成电路传感器等。 速度反馈：采用测速发电机、光电编码器、旋转变压器等。 位置反馈：采用光电编码器、旋转变压器、光栅等。 一般的电气伺服产品中主要包括电流闭环和速度闭环控制，而位置环则由CNC装置中的计算机进行控制。 第一节 概述 一、伺服的基本概念 ３.电气伺服系统的控制结构 从器件上来说，电气伺服系统包括： 执行部件（例如交、直流伺服电动机及速度检测元件） 伺服驱动器（速度、电流控制单元，功率放大器等） CNC中的位置控制器三部分。 数控机床的伺服驱动系统主要有两种： 进给驱动系统：控制机床各坐标轴的切削进给运动， 主轴驱动系统：控制机床主轴的旋转运动。 它们的职能是提供切削过程中所需要的转矩和功率，可以任意调节运转速度和准确的位置控制。 第一节 概述 二、常用伺服执行元件 常用的伺服执行元件主要有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和直接驱动电动机。 对伺服电动机的要求: ①运转平稳：电动机进给速度范围内能平滑运转，转矩波动小,低速（0.1r/min以下时）无爬行。 ②承载能力强：电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。比如，电动机能在数分钟内过载4～6倍而不损坏。 ③响应速度快：