数 控 技 术 华中科技大学机械科学与工程学院.

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1 数 控 技 术 华中科技大学机械科学与工程学院

2 第4章 进给伺服驱动系统 4.1 概述 4.2 位置检测装置 4.3 进给电机及驱动 4.4 进给伺服系统的控制原理和方法

3 4.1 概述 进给伺服系统(Feed Servo System) 定义—以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。
4.1 概述 进给伺服系统(Feed Servo System) 定义—以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 作用：是数控装置和机床机械传动部件的连接环节，是数控机床的重要组成部分。 功能：接受数控装置发来的指令信号，信号经变换和放大由执行元件（伺服电机）将其转变为角位移或直线位移，从而实现驱动数控机床各运动部件的进给运动。

4 4.1 概述 进给伺服系统(Feed Servo System) 组成—般由控制调节器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机四部分组成

5 4.1 概述

6 4.1 概述 4.1.1 数控机床对进给伺服驱动系统的要求 1. 位置精度要高
4.1 概述 4.1.1 数控机床对进给伺服驱动系统的要求 1. 位置精度要高 静态（尺寸精度）：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。高档数控机床微米级，超精密机床亚微米级。 动态（轮廓精度）：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。 灵敏度要高，有足够高的分辩率。

7 4.1 概述 2. 响应要快 加工过程中，进给伺服驱动系统跟踪指令信号的速度要快，过渡时间要短，且无超调，这样跟随误差才小。否则对机械部件不利，有害于加工质量。 过渡过程一般应在几十毫秒以内。 t F tp

8 4.1 概述 3. 调速范围要宽 调速范围是指电机在额定负载时所能提供的最高转速和最低转速之比。为保证在任何切削条件下都能获得最佳的切削速度，要求进给伺服驱动系统必须提供较大的调速范围，一般调速范围应达到1︰2000。现有的高性能进给伺服系统已具备无级调速，且调速范围在1︰10000以上。 速度稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。

9 4.1 概述 4. 工作稳定性好 工作稳定性是指伺服系统在突变指令信号或外界干扰的作用下，能够快速的达到新平衡状态或恢复原有平衡状态的能力。工作稳定性越好，机床运动平稳性越高，工件的加工质量就越好。 速度稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要

10 4.1 概述 5. 低速转矩要大 在切削加工中，粗加工一般要求低进给速度、大切削量，为此，要求进给伺服驱动系统在低速进给时输出足够大的转矩，提供良好的切削能力。 6. 能可逆运行和频繁灵活启停。 7. 可靠性高

11 4.1 概述 4.1.2 进给伺服驱动系统的分类 按有无位置检测反馈装置分： 开环、半闭环和闭环控制系统. 2. 按驱动电机的类型分：
4.1 概述 进给伺服驱动系统的分类 按有无位置检测反馈装置分： 开环、半闭环和闭环控制系统. 2. 按驱动电机的类型分： 步进电机、直流电机、交流电机和直线电机进给伺服驱动系统.

12 4.1 概述 1. 按有无位置检测反馈装置分 （1）开环 采用步进电机驱动。没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置  进给系统），故系统稳定性好。但控制精度低。

13 4.1 概述 1. 按有无位置检测反馈装置分 （2）半闭环 角位移 测量装置 采用伺服电机驱动。位置采样是从伺服电机引出，不是直接检测运动部件的实际位置，采用旋转角度传感器。精度比闭环差，但结构简单，便于调整，稳定性好。广泛用于中小型数控设备。

14 4.1 概述 （3）闭环 采用伺服电机驱动。位置检测装置装在工作台上，可直接测量工作台实际位移。将所有传动部分都包含在控制环之内，可消除机械系统引起的误差。精度高于半闭环，结构复杂，控制较难，成本高，调试和维修困难。适用于大型或高档数控机床

15 4.1 概述 光栅尺 光栅尺

16 4.1 概述 2. 按驱动电机的类型分： （1）步进电机伺服驱动系统。进电机将进给指令信号变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，通过齿轮和丝杠螺母副带动工作台移动。 特点：在大负载和速度较高的情况下容易失步、能耗大、速度低、精度较差。 应用：故主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造。

17 4.1 概述 2. 按驱动电机的类型分： （2）直流电机伺服驱动系统。
4.1 概述 2. 按驱动电机的类型分： （2）直流电机伺服驱动系统。 特点：有良好的宽调速性能，输出转矩大、过载能力强。在上世纪70年代和80年代初，数控机床多采用直流电机伺服系统。但直流伺服电机由于具有电刷和机械换向器，使结构与体积受限制，现已基本被交流伺服电机取代。

18 4.1 概述 2. 按驱动电机的类型分： （3）交流电机伺服驱动系统。常永磁同步伺服电机。
4.1 概述 2. 按驱动电机的类型分： （3）交流电机伺服驱动系统。常永磁同步伺服电机。 特点：相对于直流伺服电机，具有结构简单、体积小、惯量小、响应速度快、效率高等特点。 应用：它更适应大容量、高速加工的要求。 交流电机伺服驱动系统在进给伺服驱动中已逐渐取代了直流电机伺服驱动系统。

19 4.1 概述 2. 按驱动电机的类型分： （4）直线电机伺服驱动系统。直接驱动机床工作台运动，取消了电机和工作台之间的一切中间传动环节，形成了所谓的“直接驱动”或“零传动”。 特点：克服了传统驱动方式中传动环节带来的缺点，显著提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性。

20 课后思考 1. 开、闭环进给控制系统的组成；比较开、闭环进给系统的特性。
1. 开、闭环进给控制系统的组成；比较开、闭环进给系统的特性。 2. 查阅资料，对步进进给系统、交流同步伺服系统、直流伺服系统的的特点与性能进行比较。

21 结束