數(shù)控技術(shù)數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

1、School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分55秒機(jī)械與動力工程學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院數(shù)數(shù) 控控 技技 術(shù)術(shù)School of Mechanical and Power EngineeringSchool of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分55秒第六章第六章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng) 本章內(nèi)容：本章內(nèi)容： 概述概述 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng) 位置檢測裝置位置檢測裝置閉環(huán)（交直流）伺服系統(tǒng)閉環(huán)（交直流）伺服系統(tǒng)School o

2、f Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分55秒伺服來自英文單詞伺服來自英文單詞Servo， “伺服（伺服（SERVO）”在中英文里一個音、意在中英文里一個音、意都相同的詞，顧名思義，它表示都相同的詞，顧名思義，它表示“伺候服侍伺候服侍”，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動。們所期望的運(yùn)動。在數(shù)控機(jī)床中，伺服是指有關(guān)的傳動或運(yùn)動參數(shù)均嚴(yán)在數(shù)控機(jī)床中，伺服是指有關(guān)的傳動或運(yùn)動參數(shù)均嚴(yán)格按照數(shù)控裝置的控制指令實(shí)現(xiàn)，這些參數(shù)主要包括運(yùn)動的速度、運(yùn)動格按照數(shù)控裝置的控制指令實(shí)現(xiàn)，這些參數(shù)主要包括運(yùn)動的速度、運(yùn)動的

3、方向和運(yùn)動的起停位置等。的方向和運(yùn)動的起停位置等。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器。氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器。采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器件，無須位置和速度檢測器，控制電路簡單，采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器件，無須位置和速度檢測器，控制電路簡單，價格低廉，可靠性高。和普通電機(jī)的區(qū)別主要在于：脈沖控制。價格低廉，可靠性高。和普通電機(jī)的區(qū)別主要在于：脈沖控制。在在2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件。其控制電路比較年代，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件。其控制電路比

4、較簡單，價格較低。其主要缺點(diǎn)是內(nèi)部有機(jī)械換向裝置，碳刷易磨損。簡單，價格較低。其主要缺點(diǎn)是內(nèi)部有機(jī)械換向裝置，碳刷易磨損。在在7070年代以后，交流伺服電機(jī)的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機(jī)成年代以后，交流伺服電機(jī)的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。閉環(huán)系統(tǒng)逐漸取代開環(huán)系統(tǒng)。為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。閉環(huán)系統(tǒng)逐漸取代開環(huán)系統(tǒng)。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分55秒 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，比如火炮、雷達(dá)控制。現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航

5、和軍事領(lǐng)域，比如火炮、雷達(dá)控制。逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和其他廣義的數(shù)控機(jī)械。器人和其他廣義的數(shù)控機(jī)械。伺服用量最大的行業(yè)依次是：機(jī)床、食品包伺服用量最大的行業(yè)依次是：機(jī)床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機(jī)械，合計超過裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機(jī)械，合計超過7575。在數(shù)控機(jī)床中使用永磁無刷伺服電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)做進(jìn)給已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)控機(jī)床中使用永磁無刷伺服電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)做進(jìn)給已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動中采用高速永部分高

6、端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅(qū)動來提高效率和速度也成為熱點(diǎn)。磁交流伺服取代異步變頻驅(qū)動來提高效率和速度也成為熱點(diǎn)。9090年代以來，年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，高速電主軸得到快速高速電主軸得到快速應(yīng)用，其轉(zhuǎn)子為主軸旋轉(zhuǎn)部分。應(yīng)用，其轉(zhuǎn)子為主軸旋轉(zhuǎn)部分。其轉(zhuǎn)數(shù)其轉(zhuǎn)數(shù)在在30000rpm30000rpm100000rpm100000rpm，工作臺，工作臺的進(jìn)給速度在分辨率為的進(jìn)給速度在分辨率為1m1m時達(dá)到時達(dá)到100m/min100m/min，甚至，甚至200m/min2

7、00m/min以上以上, , 在分辨在分辨率為率為0.1m0.1m時，在時，在24m/min24m/min以上。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床突出高速、高精、高動態(tài)、以上。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床突出高速、高精、高動態(tài)、高剛性的特點(diǎn)，對位置系統(tǒng)的要求包括高剛性的特點(diǎn)，對位置系統(tǒng)的要求包括: :定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。School of Mechanical and

8、 Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分55秒 國產(chǎn)伺服系統(tǒng)比如廣數(shù)的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，國產(chǎn)伺服系統(tǒng)比如廣數(shù)的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，但是在中高檔數(shù)控機(jī)床上采用國產(chǎn)伺服系統(tǒng)仍然面臨困難，性能是但是在中高檔數(shù)控機(jī)床上采用國產(chǎn)伺服系統(tǒng)仍然面臨困難，性能是一個重要方面，還有就是穩(wěn)定性和可靠性，或許品牌效應(yīng)也是難以一個重要方面，還有就是穩(wěn)定性和可靠性，或許品牌效應(yīng)也是難以短時間逾越的障礙。短時間逾越的障礙。 近幾十年來，伺服技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展和越來越廣泛的應(yīng)近幾十年來，伺服技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展和越來越廣泛的應(yīng)用。用。數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床

9、運(yùn)動部件數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床運(yùn)動部件( (如工作臺、主軸和刀具等如工作臺、主軸和刀具等) )的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。數(shù)控數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號，經(jīng)過一定伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，并保的信號變換及電壓、功率放大，驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，并保證動作的快速性和準(zhǔn)確性。證動作的快速性和準(zhǔn)確性。 數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的

10、重要組成部分，數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)很大程度上取決重要組成部分，數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對高性能伺服系統(tǒng)的研究和開發(fā)一于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對高性能伺服系統(tǒng)的研究和開發(fā)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分55秒 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)與一般機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的區(qū)別與一般機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的區(qū)別 進(jìn)給系統(tǒng)的作用在于保證切削過程能夠連續(xù)進(jìn)行，不能控進(jìn)給系統(tǒng)的作用在于保證切削過

11、程能夠連續(xù)進(jìn)行，不能控制執(zhí)行件的位移和軌跡；制執(zhí)行件的位移和軌跡； 伺服系統(tǒng)將指令信號加以轉(zhuǎn)換和放大，不僅能控制執(zhí)行件伺服系統(tǒng)將指令信號加以轉(zhuǎn)換和放大，不僅能控制執(zhí)行件的速度、方向，而且能精確控制其位置、以及幾個執(zhí)行件按一的速度、方向，而且能精確控制其位置、以及幾個執(zhí)行件按一定的運(yùn)動規(guī)律合成的軌跡。定的運(yùn)動規(guī)律合成的軌跡。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分55秒 一、伺服系統(tǒng)的組成、作用和特點(diǎn)一、伺服系統(tǒng)的組成、作用和特點(diǎn): : 組成組成伺服系統(tǒng)一般由伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元驅(qū)動控制單

12、元、驅(qū)動元件驅(qū)動元件、機(jī)械傳動部件機(jī)械傳動部件、執(zhí)行元件和檢測反饋環(huán)節(jié)執(zhí)行元件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系；機(jī)械傳動部件和執(zhí)行件組成機(jī)械傳動系。組成伺服驅(qū)動系；機(jī)械傳動部件和執(zhí)行件組成機(jī)械傳動系。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成 School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 伺服系統(tǒng)的作用伺服系統(tǒng)的作用: : 接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給位移和速度指令信號，經(jīng)過一接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給位移和速度指令信號，經(jīng)過一定的信號轉(zhuǎn)換和電

13、壓、功率放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置和機(jī)械定的信號轉(zhuǎn)換和電壓、功率放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床的工作臺、刀架等執(zhí)行部件進(jìn)行工作進(jìn)傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床的工作臺、刀架等執(zhí)行部件進(jìn)行工作進(jìn)給和快速進(jìn)給。主要通過給和快速進(jìn)給。主要通過步進(jìn)電機(jī)、交步進(jìn)電機(jī)、交/ /直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)等進(jìn)等進(jìn)給驅(qū)動元件來實(shí)現(xiàn)。給驅(qū)動元件來實(shí)現(xiàn)。 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)可被看作是一個獨(dú)立部分，與可被看作是一個獨(dú)立部分，與數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)和和機(jī)床機(jī)床本體本體并列為數(shù)控數(shù)控機(jī)床的三大組成部分。并列為數(shù)控數(shù)控機(jī)床的三大組成部分。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述School of Mechanical and Power En

14、gineering2022年3月31日星期四2時56分56秒特點(diǎn)：特點(diǎn)： 能根據(jù)指令信號自動精確的控制執(zhí)行部件運(yùn)動的能根據(jù)指令信號自動精確的控制執(zhí)行部件運(yùn)動的位移、方向和速度，使數(shù)個執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運(yùn)位移、方向和速度，使數(shù)個執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運(yùn)動以合成一定的運(yùn)動軌跡動以合成一定的運(yùn)動軌跡。性能：性能： 最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等動態(tài)和靜最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等動態(tài)和靜態(tài)性能態(tài)性能, 取決于各個組成環(huán)節(jié)的特性和各個環(huán)節(jié)性能取決于各個組成環(huán)節(jié)的特性和各個環(huán)節(jié)性能參數(shù)的合理匹配。參數(shù)的合理匹配。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述School of Mechanical and Power

15、 Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動特性數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動特性的改善以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位的改善以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動等方面都有很高的置控制、速度控制、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動等方面都有很高的要求。要求。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、二、 數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求1 1可逆運(yùn)行可逆運(yùn)行 可逆運(yùn)行要求能靈活地可逆運(yùn)行要求能靈活地正反向運(yùn)行正反向運(yùn)行。在加工過程中，機(jī)床在加工過程中，機(jī)床工

16、作臺處于隨動狀態(tài)，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時實(shí)現(xiàn)正向工作臺處于隨動狀態(tài)，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時實(shí)現(xiàn)正向或反向運(yùn)動。或反向運(yùn)動。 要求在方向變化時，要求在方向變化時，不應(yīng)有反向間隙和運(yùn)動損失不應(yīng)有反向間隙和運(yùn)動損失。 從能量角度看，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)從能量角度看，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)能量的可逆轉(zhuǎn)換能量的可逆轉(zhuǎn)換，即在加工運(yùn)行即在加工運(yùn)行時，電動機(jī)從電網(wǎng)吸收能量改變?yōu)闄C(jī)械能；在制動時應(yīng)把電時，電動機(jī)從電網(wǎng)吸收能量改變?yōu)闄C(jī)械能；在制動時應(yīng)把電動機(jī)的機(jī)械慣性能量變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)快速制動。動機(jī)的機(jī)械慣性能量變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)快速制動。School of Mechanical and Power Engine

17、ering2022年3月31日星期四2時56分56秒2 2高精度高精度 數(shù)控機(jī)床是按預(yù)定的程序自動進(jìn)行加工的，不數(shù)控機(jī)床是按預(yù)定的程序自動進(jìn)行加工的，不同于普通機(jī)床用手動操作來調(diào)整和補(bǔ)償各種因素對同于普通機(jī)床用手動操作來調(diào)整和補(bǔ)償各種因素對加工精度的影響，故要求加工精度的影響，故要求數(shù)控機(jī)床的實(shí)際位移與指數(shù)控機(jī)床的實(shí)際位移與指令位移之差令位移之差要小。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的位移精度一般為要小。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的位移精度一般為0.010.001，甚至可高達(dá)甚至可高達(dá)0.1m，以保證加工質(zhì)，以保證加工質(zhì)量的一致性，保證復(fù)雜曲線、曲面零件的加工精度。量的一致性，保證復(fù)雜曲線、曲面零件的加工精度。第一節(jié)第一節(jié) 概

18、述概述二、數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求二、數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒3 3調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍是指調(diào)速范圍是指最高進(jìn)給速度和最低進(jìn)給速度之比最高進(jìn)給速度和最低進(jìn)給速度之比。由于加由于加工所用刀具、被加工零件材質(zhì)以及零件加工要求的變化范工所用刀具、被加工零件材質(zhì)以及零件加工要求的變化范圍很廣，為了保證在所有加工情況下都能得到最佳的切削圍很廣，為了保證在所有加工情況下都能得到最佳的切削條件和加工質(zhì)量，要求進(jìn)給速度能在很大的范圍內(nèi)變化，條件和加工質(zhì)量，要求進(jìn)給速度

19、能在很大的范圍內(nèi)變化，即有很大的調(diào)速范圍。即有很大的調(diào)速范圍。 目前最先進(jìn)水平是在脈沖當(dāng)量或最小設(shè)定單位為目前最先進(jìn)水平是在脈沖當(dāng)量或最小設(shè)定單位為1m1m的情的情況下，進(jìn)給速度能在況下，進(jìn)給速度能在0240mmin的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。在的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。在這一調(diào)速范圍內(nèi)，要求速度均勻、穩(wěn)定，低速時無爬行。這一調(diào)速范圍內(nèi)，要求速度均勻、穩(wěn)定，低速時無爬行。還要求在零速時伺服電機(jī)處于電磁鎖住狀態(tài)，以保證定位還要求在零速時伺服電機(jī)處于電磁鎖住狀態(tài)，以保證定位精度不變。精度不變。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求二、數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求School of Mechanica

20、l and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒4 4快速響應(yīng)并無超調(diào)快速響應(yīng)并無超調(diào) 要求有要求有良好的快速響應(yīng)特性良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。的響應(yīng)要快。 伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動、制動、加速、減速等動伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動、制動、加速、減速等動態(tài)過程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，則態(tài)過程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，則要要求加、減速度足夠大求加、減速度足夠大，以縮短過渡過程時間以縮短過渡過程時間。 當(dāng)負(fù)載突變時，當(dāng)負(fù)載突變時，過渡過程前沿要陡，恢復(fù)時間要短，過渡過程前沿要陡，恢復(fù)時間要短，且無振蕩且無振

21、蕩。這樣才能得到光滑的加工表面。這樣才能得到光滑的加工表面。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求二、數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒5 5低速大轉(zhuǎn)矩低速大轉(zhuǎn)矩 機(jī)床加工，大多是低速時進(jìn)行切削，即機(jī)床加工，大多是低速時進(jìn)行切削，即在低速時在低速時進(jìn)給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出進(jìn)給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求二、數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求School of Mechanical and Power Engineer

22、ing2022年3月31日星期四2時56分56秒 1 1按按控制方式和有無檢測反饋環(huán)節(jié)分類控制方式和有無檢測反饋環(huán)節(jié)分類（1 1）開環(huán)伺服系統(tǒng)）開環(huán)伺服系統(tǒng) （2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)）閉環(huán)伺服系統(tǒng) （3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)指令指令驅(qū)動電路驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作臺工作臺脈沖脈沖伺服電機(jī)伺服電機(jī)速度檢測速度檢測速度控制速度控制位置控制位置控制位置檢測位置檢測伺服電機(jī)伺服電機(jī)速度控制速度控制位置控制位置控制工作臺工作臺脈沖編碼器脈沖編碼器指令指令第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2

23、022年3月31日星期四2時56分56秒（1 1）開環(huán)伺服系統(tǒng)）開環(huán)伺服系統(tǒng)組成：組成：步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動電路、傳動機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動電路、傳動機(jī)構(gòu)工作原理：工作原理：在數(shù)控機(jī)床上它由步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)或在數(shù)控機(jī)床上它由步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)驅(qū)動。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖信號經(jīng)驅(qū)動電液脈沖馬達(dá)驅(qū)動。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖信號經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過變速齒輪電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過變速齒輪和滾珠絲杠螺母副驅(qū)動執(zhí)行件和滾珠絲杠螺母副驅(qū)動執(zhí)行件( (工作臺或刀架工作臺或刀架) )移動。移動。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分

24、類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒無位置反饋，開環(huán)系統(tǒng)的位移精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)的無位置反饋，開環(huán)系統(tǒng)的位移精度主要取決于步進(jìn)電機(jī)的角位移和齒輪、絲杠等傳動件的螺距精度，以及系統(tǒng)的摩角位移和齒輪、絲杠等傳動件的螺距精度，以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性擦阻尼特性. .開環(huán)系統(tǒng)的位移精度一般較低，其定位精度開環(huán)系統(tǒng)的位移精度一般較低，其定位精度可達(dá)可達(dá)0.02mm 0.02mm ，當(dāng)采用螺距誤差補(bǔ)償后，定位精度提高，當(dāng)采用螺距誤差補(bǔ)償后，定位精度提高到到0.01mm0.01mm；一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元

25、件。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類（1 1）開環(huán)伺服系統(tǒng)）開環(huán)伺服系統(tǒng)School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒（2 2）閉環(huán)系統(tǒng)）閉環(huán)系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種

26、包含功率放大和反饋，閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種包含功率放大和反饋，從而使得輸出變量的值精密地響應(yīng)輸入量的自動從而使得輸出變量的值精密地響應(yīng)輸入量的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床上，由于反饋信號所取的控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床上，由于反饋信號所取的位置不同，而分為全閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)。位置不同，而分為全閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛

27、線所示，直接對運(yùn)動部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。接對運(yùn)動部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 全閉環(huán)系統(tǒng)全閉環(huán)系統(tǒng) 全閉環(huán)系統(tǒng)的反饋信號取自機(jī)床工作臺（或刀架）實(shí)際位置，全閉環(huán)系統(tǒng)的反饋信號取自機(jī)床工作臺（或刀架）實(shí)際位置，所以系統(tǒng)傳動鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件的誤差以及運(yùn)動種造成的所以系統(tǒng)傳動鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件的誤差以及運(yùn)動種造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，從而大大提高了跟隨精度和定位精度。誤差都可以得到補(bǔ)償，從而大大提高了跟隨精度和定位

28、精度。 全閉環(huán)系統(tǒng)除電器方面誤差外，還有很多機(jī)械傳動誤差，如絲全閉環(huán)系統(tǒng)除電器方面誤差外，還有很多機(jī)械傳動誤差，如絲杠螺母副、導(dǎo)軌副等都包括在反饋回路種，它們的剛性、傳動杠螺母副、導(dǎo)軌副等都包括在反饋回路種，它們的剛性、傳動間隙、摩擦阻尼特性都是變化的，有些還是非線性的，所以全間隙、摩擦阻尼特性都是變化的，有些還是非線性的，所以全閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整都有較大的技術(shù)難度，價格也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整都有較大的技術(shù)難度，價格也較昂貴。 該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。第

29、一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)同樣也是一種閉環(huán)系統(tǒng)。只不過在數(shù)控機(jī)床這種具半閉環(huán)伺服系統(tǒng)同樣也是一種閉環(huán)系統(tǒng)。只不過在數(shù)控機(jī)床這種具體應(yīng)用場合下，它的反饋信號取自系統(tǒng)的中間部位（如驅(qū)動伺服電機(jī)的體應(yīng)用場合下，它的反饋信號取自系統(tǒng)的中間部位（如驅(qū)動伺服電機(jī)的軸上），如圖所示。這樣系統(tǒng)由電機(jī)輸出軸至最末端件（工作臺或刀架）軸上），如圖所示。這樣系統(tǒng)由電機(jī)輸出軸至最末端件（工作臺或刀架）之間的誤差（如：聯(lián)

30、軸器誤差、絲杠的彈性變形及螺距誤差、導(dǎo)軌副的之間的誤差（如：聯(lián)軸器誤差、絲杠的彈性變形及螺距誤差、導(dǎo)軌副的摩擦阻尼等）沒有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償。因此，在數(shù)控機(jī)床上，半閉環(huán)系統(tǒng)摩擦阻尼等）沒有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償。因此，在數(shù)控機(jī)床上，半閉環(huán)系統(tǒng)只反饋補(bǔ)償了進(jìn)給傳動系統(tǒng)的部分誤差，所以其精度比全閉環(huán)系統(tǒng)要低只反饋補(bǔ)償了進(jìn)給傳動系統(tǒng)的部分誤差，所以其精度比全閉環(huán)系統(tǒng)要低一些。一些。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，因此半

31、閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動誤差難以消由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但由于這種系除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但由于這種系統(tǒng)舍棄了傳動系統(tǒng)的剛性和非線性的摩擦阻尼等。故系統(tǒng)舍棄了傳動系統(tǒng)的剛性和非線性的摩擦阻尼等。故系統(tǒng)調(diào)試較容易，穩(wěn)定性也較好。由于采用高分辨率的測統(tǒng)調(diào)試較容易，穩(wěn)定性也較好。由于采用高分辨率的測量元件，可以獲得比較滿意的精度和速度，

32、特別是制造量元件，可以獲得比較滿意的精度和速度，特別是制造伺服電機(jī)時，都將測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器（或脈沖編伺服電機(jī)時，都將測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器（或脈沖編碼器）直接裝在伺服電機(jī)軸的尾部，減少機(jī)床制造時的碼器）直接裝在伺服電機(jī)軸的尾部，減少機(jī)床制造時的安裝調(diào)試麻煩，結(jié)構(gòu)也比較簡單，故這種被廣泛應(yīng)于中安裝調(diào)試麻煩，結(jié)構(gòu)也比較簡單，故這種被廣泛應(yīng)于中小型數(shù)控機(jī)床上。小型數(shù)控機(jī)床上。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代而在現(xiàn)代CNCCNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。School of Mechanical and Po

33、wer Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒2 2按使用的執(zhí)行元件分類按使用的執(zhí)行元件分類 （1 1）電液伺服系統(tǒng)）電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。 優(yōu)點(diǎn)：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間優(yōu)點(diǎn)：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。 缺點(diǎn)：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。缺點(diǎn)：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2 2）電氣伺服系統(tǒng)）電氣伺服系統(tǒng)伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī)）流電機(jī)） 優(yōu)點(diǎn)：操作維護(hù)方便

34、，可靠性高。優(yōu)點(diǎn)：操作維護(hù)方便，可靠性高。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒2 2按使用的執(zhí)行元件分類按使用的執(zhí)行元件分類 （2 2）電氣伺服系統(tǒng)）電氣伺服系統(tǒng) 1 1）直流伺服系統(tǒng)）直流伺服系統(tǒng) 進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運(yùn)動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。慣量直流伺服電機(jī)；主運(yùn)動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好。缺點(diǎn)：有電刷，速度不高。優(yōu)點(diǎn)：

35、調(diào)速性能好。缺點(diǎn)：有電刷，速度不高。 2 2）交流伺服系統(tǒng)）交流伺服系統(tǒng) 交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。動態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒2 2、

36、按執(zhí)行元件的類別分類、按執(zhí)行元件的類別分類 分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。 2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代，數(shù)控機(jī)床大多采用直流伺服驅(qū)動年代，數(shù)控機(jī)床大多采用直流伺服驅(qū)動。具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)；適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對頻繁具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)；適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電動機(jī)的電刷和機(jī)械換啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電動機(jī)的電刷和機(jī)械換向器限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展。向器限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展。 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代，交流伺服

37、系統(tǒng)。，交流伺服系統(tǒng)。最大優(yōu)點(diǎn)是交流電動機(jī)容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向最大優(yōu)點(diǎn)是交流電動機(jī)容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅(qū)動系統(tǒng)外形尺發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅(qū)動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用交流電動機(jī)比直流電動機(jī)將更合理。寸和提高可靠性角度來看，采用交流電動機(jī)比直流電動機(jī)將更合理。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒3 3、按伺服系

38、統(tǒng)的用途和功能分類、按伺服系統(tǒng)的用途和功能分類分為進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)。分為進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)。 進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床工作臺或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，用于數(shù)控機(jī)床工作臺或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，來控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，并提供切削過程所需來控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，并提供切削過程所需的轉(zhuǎn)矩。的轉(zhuǎn)矩。 主軸驅(qū)動系統(tǒng)主軸驅(qū)動系統(tǒng)控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，為機(jī)床主軸提供控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動功率和所需的切削力。驅(qū)動功率和所需的切削力。 一般地，對于進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小、一般地，對于進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小、調(diào)節(jié)范圍的大小和

39、調(diào)節(jié)精度的高低，以及動態(tài)響應(yīng)速度的快調(diào)節(jié)范圍的大小和調(diào)節(jié)精度的高低，以及動態(tài)響應(yīng)速度的快慢。對于主軸驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心其是否具有足夠的功率、慢。對于主軸驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍。寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒（1 1）數(shù)控脈沖比較伺服系統(tǒng)）數(shù)控脈沖比較伺服系統(tǒng) 該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。它是將數(shù)控裝該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。它是將數(shù)控裝

40、置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號與檢測裝置測得的以數(shù)字置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號與檢測裝置測得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的反饋信號直接進(jìn)行比較，獲得位置誤差，（或脈沖）形式表示的反饋信號直接進(jìn)行比較，獲得位置誤差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，整機(jī)工作穩(wěn)定，在一般實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，整機(jī)工作穩(wěn)定，在一般數(shù)控伺服系統(tǒng)中應(yīng)用十分普遍。數(shù)控伺服系統(tǒng)中應(yīng)用十分普遍。 （2 2）鑒相式伺服系統(tǒng)）鑒相式伺服系統(tǒng) 位置檢測裝置采取相位工作方式，指令信號與反饋信號都位置檢測裝置采取相位工作方式，指令信號與反饋信號都變成某個載波的相位，然后通過兩者相位的比較，獲得實(shí)際位變成某個載波的相位，然

41、后通過兩者相位的比較，獲得實(shí)際位置與指令位置的偏差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。適用于感應(yīng)式檢測元件置與指令位置的偏差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。適用于感應(yīng)式檢測元件（如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器）的工作狀態(tài)，可得到滿意的精（如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器）的工作狀態(tài)，可得到滿意的精度。此外，由于載波頻率較高，響應(yīng)塊，抗干擾性強(qiáng)，更適于度。此外，由于載波頻率較高，響應(yīng)塊，抗干擾性強(qiáng)，更適于連續(xù)控制的伺服系統(tǒng)。連續(xù)控制的伺服系統(tǒng)。4、按反饋比較控制方式分類、按反饋比較控制方式分類三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56

42、分56秒（3 3）鑒幅式伺服系統(tǒng)）鑒幅式伺服系統(tǒng) 鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映機(jī)鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此信號作為位置反饋信號，一般還要將械位移的數(shù)值，并以此信號作為位置反饋信號，一般還要將此幅值信號轉(zhuǎn)換成信號才與指令數(shù)字信號進(jìn)行比較，從而獲此幅值信號轉(zhuǎn)換成信號才與指令數(shù)字信號進(jìn)行比較，從而獲得位置偏差信號構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。得位置偏差信號構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （4 4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)）全數(shù)字伺服系統(tǒng) 隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控伺服系統(tǒng)已開始采用高速度、高精度的全數(shù)

43、字伺服系統(tǒng)，數(shù)控伺服系統(tǒng)已開始采用高速度、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。如使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。如由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID等，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多等，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。大提高。 School of Mechanical and Power Engineering2022年3

44、月31日星期四2時56分56秒 此外，還可按驅(qū)動方式分類，將伺服系統(tǒng)分此外，還可按驅(qū)動方式分類，將伺服系統(tǒng)分為液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)、電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)和氣壓為液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)、電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)和氣壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)；伺服驅(qū)動系統(tǒng)； 按控制信號分類，將伺服系統(tǒng)分為數(shù)字伺服按控制信號分類，將伺服系統(tǒng)分為數(shù)字伺服系統(tǒng)、模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字模擬混合伺服系統(tǒng)等。系統(tǒng)、模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字模擬混合伺服系統(tǒng)等。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述三、伺服系統(tǒng)的分類三、伺服系統(tǒng)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服

45、系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng) School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 步進(jìn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 控制器控制器：PLC、定位控制模塊、單片機(jī)，產(chǎn)生脈沖，、定位控制模塊、單片機(jī)，產(chǎn)生脈沖，進(jìn)行方向信號的產(chǎn)生；進(jìn)行方向信號的產(chǎn)生； 步進(jìn)驅(qū)動器步進(jìn)驅(qū)動器：收到脈沖，分配脈沖和功率放大，控制：收到脈沖，分配脈沖和功率放大，控制電機(jī)每一項(xiàng)的線圈是否通電；電機(jī)每一項(xiàng)的線圈是否通電； 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)：旋轉(zhuǎn)，拖動工作臺。：旋轉(zhuǎn)，拖動工作臺。控制器控制器 步進(jìn)驅(qū)動器步進(jìn)驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī)和工作臺步進(jìn)電機(jī)和工作臺 第二節(jié)第

46、二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒應(yīng)用范圍：簡易型數(shù)控機(jī)床、普通機(jī)床的數(shù)控改造。應(yīng)用范圍：簡易型數(shù)控機(jī)床、普通機(jī)床的數(shù)控改造。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時

47、56分56秒 步進(jìn)電機(jī)流行于步進(jìn)電機(jī)流行于7070年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)。因部分均可由軟件實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌?。目前步進(jìn)電此，這類系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌?。目前步進(jìn)電機(jī)僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如機(jī)僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控；打印機(jī)、繪圖機(jī)等計算機(jī)的外部設(shè)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控；打印機(jī)、繪圖機(jī)等計算機(jī)的外部設(shè)備

48、。備。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移的電步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為磁機(jī)械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖脈沖馬達(dá)馬達(dá)。 步進(jìn)電機(jī)和一般電機(jī)不同，一般電機(jī)通電后連續(xù)轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)和一般電機(jī)不同，一般電機(jī)通電后連

49、續(xù)轉(zhuǎn)動，而步進(jìn)電機(jī)則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。對，而步進(jìn)電機(jī)則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。對步進(jìn)電機(jī)施加一個電脈沖信號時，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個固步進(jìn)電機(jī)施加一個電脈沖信號時，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步。每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做定的角度，稱為一步。每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角步距角。 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 一、步進(jìn)電機(jī)的分類一、步進(jìn)電機(jī)的分類按運(yùn)動方式分：按運(yùn)動方式分： 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動式步進(jìn)電機(jī)；旋轉(zhuǎn)

50、運(yùn)動、直線運(yùn)動式步進(jìn)電機(jī)；按工作原理分：按工作原理分： 反應(yīng)式（磁阻式）反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式；、電磁式、永磁式；按結(jié)構(gòu)分：按結(jié)構(gòu)分： 單段式（徑向式）、多段式（軸向式）；單段式（徑向式）、多段式（軸向式）；按使用場合分：按使用場合分： 功率步進(jìn)電機(jī)功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)；和控制步進(jìn)電機(jī)；按使用頻率分：按使用頻率分： 高頻率和低頻步進(jìn)電機(jī)；高頻率和低頻步進(jìn)電機(jī)；不同的步進(jìn)電機(jī)，其工作原理、驅(qū)動裝置也不完全一樣。不同的步進(jìn)電機(jī)，其工作原理、驅(qū)動裝置也不完全一樣。第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)School of Mechanical and Power Engin

51、eering2022年3月31日星期四2時56分56秒按其按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小輸出轉(zhuǎn)矩的大小來分，可以分為來分，可以分為快速步進(jìn)電動機(jī)快速步進(jìn)電動機(jī)和和功率步進(jìn)功率步進(jìn)電動機(jī)電動機(jī)?？焖俨竭M(jìn)電動機(jī)連續(xù)工作頻率高而輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般?？焖俨竭M(jìn)電動機(jī)連續(xù)工作頻率高而輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般在在N Ncmcm級，可以作為控制小型精密機(jī)床的工作臺級，可以作為控制小型精密機(jī)床的工作臺( (例線切割機(jī)床例線切割機(jī)床) )也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組成電液脈沖馬達(dá)去驅(qū)動數(shù)控機(jī)床的工也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組成電液脈沖馬達(dá)去驅(qū)動數(shù)控機(jī)床的工作臺，而功率步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就比較大是作臺，而功率步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就比較大是

52、N Nm m級的，可以級的，可以直接去驅(qū)動機(jī)床的移動部件。直接去驅(qū)動機(jī)床的移動部件。 按按其勵磁相數(shù)其勵磁相數(shù)，可以分為，可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相三相、四相、五相、六相甚至八相。一。一般來說隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導(dǎo)通電流般來說隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導(dǎo)通電流的時間增加，各相平均電流增大，從而使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的時間增加，各相平均電流增大，從而使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動機(jī)的尺特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動機(jī)的尺寸就增加，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，目前多用寸就增加，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，目前多用3 36 6相的步進(jìn)電

53、動機(jī)。相的步進(jìn)電動機(jī)。 一、步進(jìn)電機(jī)的分類一、步進(jìn)電機(jī)的分類School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 目前我國使用的步進(jìn)電機(jī)多為徑向反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。目前我國使用的步進(jìn)電機(jī)多為徑向反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)（徑向分布）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)（徑向分布）第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 二、步進(jìn)驅(qū)動的原理：二、步進(jìn)驅(qū)動的原理： 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位

54、移的電磁裝置，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的電磁裝置，是一種特殊的電動機(jī)。是一種特殊的電動機(jī)。 步進(jìn)電動機(jī)有步進(jìn)電動機(jī)有定位定位和和運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時步進(jìn)電動機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信輸入時步進(jìn)電動機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進(jìn)電動機(jī)的角位移量和輸號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進(jìn)電動機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機(jī)繞組通電因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及

55、轉(zhuǎn)動方向。在沒的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。保持原有位置處于定位狀態(tài)。 School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（橫向視圖）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（橫向視圖）第二節(jié)第二節(jié) 開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)開環(huán)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 步進(jìn)電機(jī)的工作原理：電磁鐵作用

56、原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理：電磁鐵作用原理如圖所示，三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖。如圖所示，三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖。由轉(zhuǎn)子和定子組成。定子上有由轉(zhuǎn)子和定子組成。定子上有A A、B B、C C三對磁極繞組，分別為三對磁極繞組，分別為A A相、相、B B相、相、C C相。相。轉(zhuǎn)子是硅鋼片軟磁材料迭合轉(zhuǎn)子是硅鋼片軟磁材料迭合成的帶齒廓形狀的鐵心。成的帶齒廓形狀的鐵心。如果在定子上的三對繞組中如果在定子上的三對繞組中通直流電流，就會產(chǎn)生磁場通直流電流，就會產(chǎn)生磁場。B B相通電相通電A A相通電相通電C C相通電相通電工作原理演示工作原理演示工作原理演示工作原理演示School of Mechani

57、cal and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒三相三拍的原理介紹三相三拍的原理介紹模擬步進(jìn)電機(jī)的動作步驟模擬步進(jìn)電機(jī)的動作步驟: : 三相是指步進(jìn)電機(jī)有三相定子三相是指步進(jìn)電機(jī)有三相定子繞組，三拍是指每三次轉(zhuǎn)換為一繞組，三拍是指每三次轉(zhuǎn)換為一個循環(huán)。個循環(huán)。 三相步進(jìn)電機(jī)，定子有六個磁三相步進(jìn)電機(jī)，定子有六個磁極，分為三對，每個磁極上裝有極，分為三對，每個磁極上裝有控制繞組。一對磁極通電后，對控制繞組。一對磁極通電后，對應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)產(chǎn)生N/SN/S極磁場；轉(zhuǎn)子為帶齒的極磁場；轉(zhuǎn)子為帶齒的鐵心（反應(yīng)式）或磁鋼（混合鐵心（反應(yīng)式）或磁鋼（混合式）。式）。

58、當(dāng)定子三相依次通電時，三對當(dāng)定子三相依次通電時，三對磁極依次產(chǎn)生氣隙磁場，吸引轉(zhuǎn)磁極依次產(chǎn)生氣隙磁場，吸引轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。子一步步轉(zhuǎn)動。School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 步進(jìn)電機(jī)的工作原理：步進(jìn)電機(jī)的工作原理：A-B-C-A A-B-C-A 反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒 步進(jìn)電機(jī)的工作原理：步進(jìn)電機(jī)的工作原理：A-C-B-A A-C-B-A 正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)工工作作原原理理演演示示School of Me

59、chanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒BACBCABACBCABACBCA12341234逆時針回轉(zhuǎn)逆時針回轉(zhuǎn)300逆時針回轉(zhuǎn)逆時針回轉(zhuǎn)300當(dāng)當(dāng)A A、B B、C C三對磁極的繞組依次輪流通電，則三對磁極的繞組依次輪流通電，則A A、B B、C C三對磁三對磁極依次產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。極依次產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。當(dāng)當(dāng)A A相通電時相通電時，B B相和相和C C相不通電，電機(jī)鐵心的相不通電，電機(jī)鐵心的AAAA軸方向產(chǎn)生磁軸方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒與齒與A A相磁極對齊，相磁極

60、對齊，2 2、4 4兩齒兩齒與與B B、C C兩磁極相對錯開兩磁極相對錯開30300 0School of Mechanical and Power Engineering2022年3月31日星期四2時56分56秒當(dāng)當(dāng)B B相通電時相通電時，C C相和相和A A相斷電，電機(jī)鐵心的相斷電，電機(jī)鐵心的BBBB軸方向產(chǎn)生磁通軸方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)30300 0，2 2、4 4齒與齒與B B相磁極對齊。相磁極對齊。1 1、3 3兩齒與兩齒與C C、A A兩磁極相對錯開兩磁極相對錯開30300 0。當(dāng)當(dāng)C C相通電時相通電時，A A