1、School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 21秒 Henan Polytechnic University 主主 讲：童景琳讲：童景琳 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 2012-04 数数 控控 技技 术术 School of Mechanical and Power Engineering School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 21秒 第六章第六章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 本章内容：本章内容： 概述
2、概述 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 位置检测装置位置检测装置 闭环（交直流）伺服系统闭环（交直流）伺服系统 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 伺服来自英文单词伺服来自英文单词Servo， “伺服（伺服（SERVO）”在中英文里一个音、意在中英文里一个音、意 都相同的词，顾名思义，它表示都相同的词，顾名思义，它表示“伺候服侍伺候服侍”，指系统跟随外部指令进行人指系统跟随外部指令进行人 们所期望的运动。们所期望的运动。在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严在数控机床中，伺服是指有关
3、的传动或运动参数均严 格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动 的方向和运动的起停位置等。的方向和运动的起停位置等。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电伺服系统的发展经历了从液压、气动到电 气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。 采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器，控制电路简单，采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器，控制电路简单， 价格低廉，可靠性高。和普通电机的区别主要在于：脉冲控制。价格低廉，可靠性高。和普通电机
4、的区别主要在于：脉冲控制。 在在2020世纪世纪6060年代，最早是直流电机作为主要执行部件。其控制电路比较年代，最早是直流电机作为主要执行部件。其控制电路比较 简单，价格较低。其主要缺点是内部有机械换向装置，碳刷易磨损。简单，价格较低。其主要缺点是内部有机械换向装置，碳刷易磨损。 在在7070年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成 为伺服系统的主导执行电机。闭环系统逐渐取代开环系统。为伺服系统的主导执行电机。闭环系统逐渐取代开环系统。 第一节第一节 概述概述 School of Mechanical and Pow
5、er Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。 逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机 器人和其他广义的数控机械。器人和其他广义的数控机械。伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包 装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过7575。 在数控机床中使
6、用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准， 部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永 磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。9090年代以来，年代以来， 欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴得到快速高速电主轴得到快速 应用，其转子为主轴旋转部分。应用，其转子为主轴旋转部分。其转数其转数在在30000rp
7、m30000rpm100000rpm100000rpm，工作台，工作台 的进给速度在分辨率为的进给速度在分辨率为1m1m时达到时达到100m/min100m/min，甚至，甚至200m/min200m/min以上以上, , 在分辨在分辨 率为率为0.1m0.1m时，在时，在24m/min24m/min以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、 高刚性的特点，对位置系统的要求包括高刚性的特点，对位置系统的要求包括: :定位速度和轮廓切削进给速度；定位速度和轮廓切削进给速度； 定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。定位精度和轮廓
8、切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。 这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用， 但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是 一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性，或许品牌效应也是难以一个重要方面，还有
9、就是稳定性和可靠性，或许品牌效应也是难以 短时间逾越的障碍。短时间逾越的障碍。 近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应 用。用。数控伺服系统是指以机床运动部件数控伺服系统是指以机床运动部件( (如工作台、主轴和刀具等如工作台、主轴和刀具等) ) 的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控数控 伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定 的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现
10、运动，并保的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保 证动作的快速性和准确性。证动作的快速性和准确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的 重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决 于伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一于伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一 直是现代数控机床的关键技术之一。直是现代数控机床的关键技术之一。 第一节第一节 概述概述 School of Mechanical a
11、nd Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 伺服驱动系统伺服驱动系统与一般机床进给系统的区别与一般机床进给系统的区别 进给系统的作用在于保证切削过程能够连续进行，不能控进给系统的作用在于保证切削过程能够连续进行，不能控 制执行件的位移和轨迹；制执行件的位移和轨迹； 伺服系统将指令信号加以转换和放大，不仅能控制执行件伺服系统将指令信号加以转换和放大，不仅能控制执行件 的速度、方向，而且能精确控制其位置、以及几个执行件按一的速度、方向，而且能精确控制其位置、以及几个执行件按一 定的运动规律合成的轨迹。定的运动规律合成的轨迹。 第一节第一节 概述概述
12、School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 一、伺服系统的组成、作用和特点一、伺服系统的组成、作用和特点: : 组成组成 伺服系统一般由伺服系统一般由驱动控制单元驱动控制单元、驱动元件驱动元件、机械传动部件机械传动部件、 执行元件和检测反馈环节执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件等组成。驱动控制单元和驱动元件 组成伺服驱动系；机械传动部件和执行件组成机械传动系。组成伺服驱动系；机械传动部件和执行件组成机械传动系。 第一节第一节 概述概述 数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成 Sc
13、hool of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 伺服系统的作用伺服系统的作用: : 接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，经过一接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，经过一 定的信号转换和电压、功率放大后，经伺服驱动装置和机械定的信号转换和电压、功率放大后，经伺服驱动装置和机械 传动机构，驱动机床的工作台、刀架等执行部件进行工作进传动机构，驱动机床的工作台、刀架等执行部件进行工作进 给和快速进给。主要通过给和快速进给。主要通过步进电机、交步进电机、交/ /直流伺服电动机直流伺服电动机等进等进 给驱动元件
14、来实现。给驱动元件来实现。 伺服系统伺服系统可被看作是一个独立部分，与可被看作是一个独立部分，与数控系统数控系统和和机床机床 本体本体并列为数控数控机床的三大组成部分。并列为数控数控机床的三大组成部分。 第一节第一节 概述概述 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 特点：特点： 能根据指令信号自动精确的控制执行部件运动的能根据指令信号自动精确的控制执行部件运动的 位移、方向和速度，使数个执行部件按一定的规律运位移、方向和速度，使数个执行部件按一定的规律运 动以合成一定的运动轨迹动以合成一定的运动轨
15、迹。 性能：性能： 最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静 态性能态性能, 取决于各个组成环节的特性和各个环节性能取决于各个组成环节的特性和各个环节性能 参数的合理匹配。参数的合理匹配。 第一节第一节 概述概述 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性 的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位
16、 置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的 要求。要求。 第一节第一节 概述概述 二、二、 数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求 1 1可逆运行可逆运行 可逆运行要求能灵活地可逆运行要求能灵活地正反向运行正反向运行。在加工过程中，机床在加工过程中，机床 工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向 或反向运动。或反向运动。 要求在方向变化时，要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失不应有反向间隙和运动损失。 从能量角度看，应该实现从能量角度看，应该实
17、现能量的可逆转换能量的可逆转换，即在加工运行即在加工运行 时，电动机从电网吸收能量改变为机械能；在制动时应把电时，电动机从电网吸收能量改变为机械能；在制动时应把电 动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 2 2高精度高精度 数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不 同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对
18、 加工精度的影响，故要求加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与指数控机床的实际位移与指 令位移之差令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为要小。现代数控机床的位移精度一般为 0.010.001，甚至可高达甚至可高达0.1m，以保证加工质，以保证加工质 量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。 第一节第一节 概述概述 二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 3 3调速范围宽调速
19、范围宽 调速范围是指调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比最高进给速度和最低进给速度之比。由于加由于加 工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范 围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削 条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化， 即有很大的调速范围。即有很大的调速范围。 目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1m1m的情的情 况下，进给速度能在况下，进给速度能在024
20、0mmin的范围内连续可调。在的范围内连续可调。在 这一调速范围内，要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。这一调速范围内，要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。 还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位 精度不变。精度不变。 第一节第一节 概述概述 二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 4 4快速响应并无超调快速响应并无超调 要求有要求有良好的快速响应特性良好的快速响应特性，即要求
21、跟踪指令信号即要求跟踪指令信号 的响应要快。的响应要快。 伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动 态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要要 求加、减速度足够大求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间以缩短过渡过程时间。 当负载突变时，当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短， 且无振荡且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。这样才能得到光滑的加工表面。 第一节第一节 概述概述 二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求 School of Me
22、chanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 5 5低速大转矩低速大转矩 机床加工，大多是低速时进行切削，即机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时在低速时 进给驱动要有大的转矩输出进给驱动要有大的转矩输出。 第一节第一节 概述概述 二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 1 1按按控制方式和有无检测反馈环节分类控制方式和有无检测反馈环节分类 （1 1）开环伺服系统）
23、开环伺服系统 （2）闭环伺服系统）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统 指令指令 驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台 脉冲脉冲 伺服电机伺服电机 速度检测速度检测 速度控制速度控制 位置控制位置控制 位置检测位置检测 伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制 工作台工作台 脉冲编码器脉冲编码器 指令指令 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 （1 1）开环伺服系统）开环伺服系统 组成：组成：步进电机、驱动
24、电路、传动机构步进电机、驱动电路、传动机构 工作原理：工作原理：在数控机床上它由步进电机、功率步进电机或在数控机床上它由步进电机、功率步进电机或 电液脉冲马达驱动。数控系统发出的指令脉冲信号经驱动电液脉冲马达驱动。数控系统发出的指令脉冲信号经驱动 电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过变速齿轮电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过变速齿轮 和滚珠丝杠螺母副驱动执行件和滚珠丝杠螺母副驱动执行件( (工作台或刀架工作台或刀架) )移动。移动。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering
25、2021年10月18日星期一18时20分 22秒 无位置反馈，开环系统的位移精度主要取决于步进电机的无位置反馈，开环系统的位移精度主要取决于步进电机的 角位移和齿轮、丝杠等传动件的螺距精度，以及系统的摩角位移和齿轮、丝杠等传动件的螺距精度，以及系统的摩 擦阻尼特性擦阻尼特性. .开环系统的位移精度一般较低，其定位精度开环系统的位移精度一般较低，其定位精度 可达可达0.02mm 0.02mm ，当采用螺距误差补偿后，定位精度提高，当采用螺距误差补偿后，定位精度提高 到到0.01mm0.01mm； 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作
26、稳定、调试方便、维修简单、这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、 价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大 的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 （1 1）开环伺服系统）开环伺服系统 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 （2 2）闭环系统）闭环系统 闭环控制系统是一种包含功率放大和反馈，闭环控制系统是一种包含功
27、率放大和反馈， 从而使得输出变量的值精密地响应输入量的自动从而使得输出变量的值精密地响应输入量的自动 控制系统。在数控机床上，由于反馈信号所取的控制系统。在数控机床上，由于反馈信号所取的 位置不同，而分为全闭环系统和半闭环系统。位置不同，而分为全闭环系统和半闭环系统。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 全闭环数控系统全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直 接对运动部件
28、的实际位置进行检测。接对运动部件的实际位置进行检测。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 全闭环系统全闭环系统 全闭环系统的反馈信号取自机床工作台（或刀架）实际位置，全闭环系统的反馈信号取自机床工作台（或刀架）实际位置， 所以系统传动链的误差、环内各元件的误差以及运动种造成的所以系统传动链的误差、环内各元件的误差以及运动种造成的 误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度
29、。 全闭环系统除电器方面误差外，还有很多机械传动误差，如丝全闭环系统除电器方面误差外，还有很多机械传动误差，如丝 杠螺母副、导轨副等都包括在反馈回路种，它们的刚性、传动杠螺母副、导轨副等都包括在反馈回路种，它们的刚性、传动 间隙、摩擦阻尼特性都是变化的，有些还是非线性的，所以全间隙、摩擦阻尼特性都是变化的，有些还是非线性的，所以全 闭环系统的设计和调整都有较大的技术难度，价格也较昂贵。闭环系统的设计和调整都有较大的技术难度，价格也较昂贵。 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床 以及较大型的数控机床等。以及较大型的数控机床等
30、。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分22 秒 半闭环伺服系统半闭环伺服系统 半闭环伺服系统同样也是一种闭环系统。只不过在数控机床这种具半闭环伺服系统同样也是一种闭环系统。只不过在数控机床这种具 体应用场合下，它的反馈信号取自系统的中间部位（如驱动伺服电机的体应用场合下，它的反馈信号取自系统的中间部位（如驱动伺服电机的 轴上），如图所示。这样系统由电机输出轴至最末端件（工作台或刀架）轴上），如图所示。这样系统由电机输出轴至最末端件（工作台或刀
31、架） 之间的误差（如：联轴器误差、丝杠的弹性变形及螺距误差、导轨副的之间的误差（如：联轴器误差、丝杠的弹性变形及螺距误差、导轨副的 摩擦阻尼等）没有得到系统的补偿。因此，在数控机床上，半闭环系统摩擦阻尼等）没有得到系统的补偿。因此，在数控机床上，半闭环系统 只反馈补偿了进给传动系统的部分误差，所以其精度比全闭环系统要低只反馈补偿了进给传动系统的部分误差，所以其精度比全闭环系统要低 一些。一些。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分22 秒 半闭
32、环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此 可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系 统，但比闭环要好。统，但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消 除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但由于这种系除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但由于这种系 统舍弃了传动系统的刚性和非线性的摩擦阻尼等。故系统舍弃了传动系统的刚性和非线性的摩擦阻尼等。故系 统调试较容易，稳定性也较好。由于采用高分辨率的测统调试较容易，稳定性也较好。
33、由于采用高分辨率的测 量元件，可以获得比较满意的精度和速度，特别是制造量元件，可以获得比较满意的精度和速度，特别是制造 伺服电机时，都将测速发电机、旋转变压器（或脉冲编伺服电机时，都将测速发电机、旋转变压器（或脉冲编 码器）直接装在伺服电机轴的尾部，减少机床制造时的码器）直接装在伺服电机轴的尾部，减少机床制造时的 安装调试麻烦，结构也比较简单，故这种被广泛应于中安装调试麻烦，结构也比较简单，故这种被广泛应于中 小型数控机床上。小型数控机床上。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因 而在现代而在现代CNCCNC机床中得到了广泛应用。机床
34、中得到了广泛应用。 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 22秒 2 2按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类 （1 1）电液伺服系统）电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达。电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间 常数小、反应快和速度平稳。常数小、反应快和速度平稳。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。 （2 2）电气伺服系统）电气伺服系统伺服电机（步
35、进电机、直流电机和交伺服电机（步进电机、直流电机和交 流电机）流电机） 优点：操作维护方便，可靠性高。优点：操作维护方便，可靠性高。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 2 2按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类 （2 2）电气伺服系统）电气伺服系统 1 1）直流伺服系统）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小 惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服
36、电机。惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。 优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。 2 2）交流伺服系统）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁 同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。 动态响应好、转速高和容量大。动态响应好、转速高和容量大。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of
37、 Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 2 2、按执行元件的类别分类、按执行元件的类别分类 分为直流伺服系统和交流伺服系统。分为直流伺服系统和交流伺服系统。 2020世纪世纪7070年代，数控机床大多采用直流伺服驱动年代，数控机床大多采用直流伺服驱动。 具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强；适应数控机床对频繁具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强；适应数控机床对频繁 启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电动机的电刷和机械换启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电动机的电刷和机械换 向器限制
38、了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。向器限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。 2020世纪世纪8080年代年代，交流伺服系统。，交流伺服系统。 最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向 发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺 寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类
39、School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 3 3、按伺服系统的用途和功能分类、按伺服系统的用途和功能分类 分为进给驱动系统和主轴驱动系统。分为进给驱动系统和主轴驱动系统。 进给驱动系统进给驱动系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统， 来控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需来控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需 的转矩。的转矩。 主轴驱动系统主轴驱动系统控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供 驱
40、动功率和所需的切削力。驱动功率和所需的切削力。 一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、 调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快 慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、 宽的恒功率调节范围及速度调节范围。宽的恒功率调节范围及速度调节范围。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星
41、期一18时20分 23秒 （1 1）数控脉冲比较伺服系统）数控脉冲比较伺服系统 该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装 置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字 （或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，获得位置误差，（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，获得位置误差， 实现闭环控制。结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般实现闭环控制。结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般 数控伺服系统中应用十分普遍。数控伺服系统中应用十分普遍。 （2 2）鉴相式伺服系统）鉴相
42、式伺服系统 位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都 变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位 置与指令位置的偏差，实现闭环控制。适用于感应式检测元件置与指令位置的偏差，实现闭环控制。适用于感应式检测元件 （如旋转变压器、感应同步器）的工作状态，可得到满意的精（如旋转变压器、感应同步器）的工作状态，可得到满意的精 度。此外，由于载波频率较高，响应块，抗干扰性强，更适于度。此外，由于载波频率较高，响应块，抗干扰性强，更适于 连续控制的伺服系统。连续控制的伺服系统。 4、
43、按反馈比较控制方式分类、按反馈比较控制方式分类 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 （3 3）鉴幅式伺服系统）鉴幅式伺服系统 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机 械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将 此幅值信号转换成信号才与指令数字信号进行比较，从而获此幅值信号转换成信号才与指令数字信号进行比较，从而获 得位置偏差信号构成闭环控制
44、系统。得位置偏差信号构成闭环控制系统。 （4 4）全数字伺服系统）全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展， 数控伺服系统已开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统，数控伺服系统已开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统， 使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。如使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。如 由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理 数字数字PIDPID等，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多等，使用灵活，柔性好。数字伺服系统
45、采用了许多 新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大 大提高。大提高。 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 此外，还可按驱动方式分类，将伺服系统分此外，还可按驱动方式分类，将伺服系统分 为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压 伺服驱动系统；伺服驱动系统； 按控制信号分类，将伺服系统分为数字伺服按控制信号分类，将伺服系统分为数字伺服 系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。系统、模拟伺
46、服系统和数字模拟混合伺服系统等。 第一节第一节 概述概述 三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 步进控制系统的结构步进控制系统的结构 控制器控制器：PLC、定位控制模块、单片机，产生脉冲，、定位控制模块、单片机，产生脉冲， 进行方向信号的产生；进行方向信号的产生； 步进驱动器
47、步进驱动器：收到脉冲，分配脉冲和功率放大，控制：收到脉冲，分配脉冲和功率放大，控制 电机每一项的线圈是否通电；电机每一项的线圈是否通电； 步进电机步进电机：旋转，拖动工作台。：旋转，拖动工作台。 控制器控制器 步进驱动器步进驱动器 步进电机和工作台步进电机和工作台 第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 应用范围：简易型数控机床、普通机床的数控改造。应用范围：简易型数控机床、普通机床的数控改造。 第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统
48、School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 步进电机流行于步进电机流行于7070年代，该系统结构简单、年代，该系统结构简单、 控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着 计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它 部分均可由软件实现，从
49、而进一步简化结构。因部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因 此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电 机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如 经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设 备。备。 第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 School of Mechanical and Power Engineering 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 School of Mechanical and Power Engineeri
50、ng 2021年10月18日星期一18时20分 23秒 步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电 磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲脉冲 马达马达。 步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动 ，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对 步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固 定的角度，称为一步。每一步所转过的角度
