数控技术第7章数控机床的伺服驱动系统.docx

第 7 章 数控机床的伺服驱动系统 7.1 概述 数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统， 又称随动 系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自 CNC 装置（插补装置 或插补软件）的进给指令脉冲， 经过一定的信号变换及电压、 功率放大，再驱动各加工坐标 轴按指令脉冲运动，这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动， 使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。 进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节， 是数控机床的重要组成部 分。它包含机械、电子、电机（早期产品还包含液压）等各种部件，并涉及到强电与弱电控 制，是一个比较复杂的控制系统， 要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作、 又能满 足相当高的技术性能指标的控制系统是一个相当复杂的任务。在现有技术条件下， CNC 装 置的性能已相当优异， 并正在迅速向更高水平发展， 而数控机床的最高运动速度、 跟踪及定 位精度、 加工表面质量、 生产率及工作可靠性等技术指标， 往往又主要决定于伺服系统的动 态和静态性能， 数控机床的故障也主要出现在伺服系统上， 可见，提高伺服系统的技术性能 和可靠性， 对于数控机床具有重大意义， 研究与开发高性能的伺服系统—直是现代数控机床 的关键技术之一。 数控机床运动中， 主轴运动和伺服进给运动是机床的基本成形运动。 主轴驱动控制一般 只要满足主轴调速及正、反转即可，但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线加工等功能时， 就对主轴提出了相应的位置控制要求。 此时，主轴驱动控制系统可称为主轴伺服系统， 只不 过控制较为简单。本章主要讨论进给伺服系统。 数控机床对进给伺服系统的要求有： 1．高精度 数控机床伺服系统的精度是指机床工作的实际位置复现插补器指令信号的精确程度。数控加工过程中，对机床的定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，一般定位精度要达到  在 0.01～ 0.001mm ，有的要求达到  0.1μm；而轮廓加工与速度控制和联动坐标的协调控制有关， 这种协调控制，对速度调节系统的抗负载干扰能力和静动态性能指标都有较高的要求。 2．稳定性好 伺服系统的稳定性是指系统在突变的指令信号或外界扰动的作用下， 能够以最大的速度达到新的或恢复到原有的平衡位置的能力。 稳定性是直接影响数控加工精度和表面粗糙度的 重要指示。较强的抗干扰能力是获得均匀进给速度的重要保证。 3．响应速度快，无超调 快速响应是伺服系统动态品质的一项重要指标，它反映了系统对插补指令的跟踪精度。 在加工过程中， 为了保证轮廓的加工精度， 降低表面粗糙度， 要求系统跟踪指令信号的速度 要快，过渡时间尽可能短，而且无超调，一般应在 200ms 以内，甚至几十毫秒。这两项指标往往相互矛盾，实际应用时应采取一定的措施，按工艺要求加以选择。 4．电机调速范围宽 调速范围是指数控机床要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 此最高转速和最低转速一般是指额定负载时的转速， 对于少数负载很轻的数控机床， 也可以是实际负载时的转 速。 在数控加工过程中， 切削速度因加工刀具、 被加工材料以及零件加工要求的不同而不同。 为保证在任何条件下都能获得最佳的切削速度， 要求进给系统必须提供较大的调速范围， 一 般要求调速范围应达到 1:1000，而性能较高的数控系统调速范围应能达到 1:10000 ，而且是 无级调速。 主轴伺服系统主要是速度控制，它要求低速（额定转速以下）恒转矩调速具有 1:100～ 1000 调速范围，高速（额定转速以上）恒功率调速具有 1:10 以上的调速范围。 5．低速大转矩 机床加工的特点是低速时进行重切削，这就要求伺服系统在低速时提供较大的输出转 矩。 6．可靠性高 对环境（如温度、湿度、粉尘、油污、振动、电磁干扰等）的适应性强，性能稳定，使用寿命长，平均无故障时间间隔长。 对主轴伺服系统，除上述要求外，还应满足如下要求： 1．主轴与进给驱动的同步控制 为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，要求主轴驱动与进给驱动实现同步控制。 2．准停控制 在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精确位置的停止。 3．角度分度控制 角度分度控制有两种类型： 一是固定的等分角度控制； 二是连续的任意角度控制。 任意 角度控制是带有角位移反馈的位置伺服系统， 这种主轴坐标具有进给坐标的功能， 称为“ C” 轴控制。“ C”轴控制可以用一般主轴控制与“ C”控制切换的方法实现，也可以用大功率的进给伺服系统代替主轴系统。 7.2 步进电机及其驱动控制系统 步进电机是开环伺服系统（亦叫步进式伺服系统）的驱动元件。功率步进电机盛行于 20 世纪 70 年代，且控制系统的结构简单、控制容易、维修方