進給伺服系統(tǒng)

第四章進給伺服系統(tǒng)

（FeedServoSystem）一、伺服系統(tǒng)的組成

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進給伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)

主軸伺服系統(tǒng)——用于控制機床主軸的轉(zhuǎn)動（速度控制系統(tǒng)）。

第一節(jié)

概述進給伺服系統(tǒng)的概述伺服電機及其調(diào)速位置檢測裝置本節(jié)課程講授主要內(nèi)容:進給伺服系統(tǒng)的組成

伺服驅(qū)動器（位置、速度控制單元）驅(qū)動元件(電機)檢測與反饋單元機械執(zhí)行部件

進給伺服系統(tǒng)的作用：

1、接受數(shù)控裝置發(fā)出的進給速度和位移指令信號；2、由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大；3、經(jīng)伺服電機和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給或快速運動。進給伺服系統(tǒng)功能：

根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。

二、對伺服系統(tǒng)的基本要求

1.

位移精度高

2.

穩(wěn)定性好

3.

快速響應(yīng)

4.

調(diào)速范圍寬

5.

低速大扭矩1.位移精度高

位移精度：指指令脈沖要求機床工作臺進給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺實際位移量之間的符合程度。兩者誤差愈小，位移精度愈高。2.

穩(wěn)定性好

穩(wěn)定性：指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。要求伺服系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度。3.

快速響應(yīng)

快速響應(yīng)：是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了系統(tǒng)跟蹤精度。機床進給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng)，為保證輪廓切削形狀精度和低的表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，跟隨誤差小。4.

調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍：是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在數(shù)控機床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，為保證在各種情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。5.低速大扭矩

要求伺服系統(tǒng)有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動功率。機床加工的特點是，在低速時進行重切削。因此，伺服系統(tǒng)在低速時要求有大的轉(zhuǎn)矩輸出。三、伺服系統(tǒng)的分類

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按其控制原理

和有無位置反饋裝置分為：

開環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)

按其用途和功能分為：

進給驅(qū)動系統(tǒng)主軸驅(qū)動系統(tǒng)按驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)

交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)直線電動機伺服系統(tǒng)

（一）開環(huán)伺服系統(tǒng)

☆

開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進電機作為驅(qū)動元件；

☆

沒有位置反饋回路和速度反饋回路；

☆

設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩小；

☆

用于中、低檔數(shù)控機床及普通機床改造。

（一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床）圖4-1

開環(huán)伺服系統(tǒng)（二）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆位置檢測元件安裝在電動機軸上或絲杠上，用以精確控制電機的角度，為間接測量；☆坐標運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償；☆半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)；☆適用于精度要求適中的中小型數(shù)控機床。

圖4-2半閉環(huán)伺服系統(tǒng)光電編碼器（三）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

☆

閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在機床工作臺上；

☆

檢測裝置構(gòu)成閉環(huán)位置控制；

☆

閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機床上。

圖4-3閉環(huán)伺服系統(tǒng)直線位移傳感器四、進給驅(qū)動與主軸驅(qū)動進給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)位置控制環(huán)

◆用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)。

◆主軸伺服系統(tǒng)控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動。五、交流伺服電機特點：☆

轉(zhuǎn)子慣量比直流電機小，動態(tài)響應(yīng)好?！?/p>

容易維修，制造簡單☆

適合于在較惡劣環(huán)境中使用，易于向大容量、高速度方向發(fā)展☆

性能優(yōu)異，已達到或超過直流伺服系統(tǒng)，交流伺服電機已在數(shù)控機床中得到廣泛應(yīng)用。第二節(jié)伺服電機及其調(diào)速一、概述

伺服電機分類

步進電機（SteppingMotor）直流伺服電機（DCMotor）交流伺服電機（ACMotor）控制電機

伺服電機是進給伺服系統(tǒng)中一個重要的組成環(huán)節(jié)，其性能決定了進給伺服系統(tǒng)的性能。（一）步進電機結(jié)構(gòu)和工作原理二、步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。

結(jié)構(gòu)：主要由定子、轉(zhuǎn)子和勵磁繞組三部分組成。

定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。定子和轉(zhuǎn)子均由帶齒的硅鋼片疊成。

步進電機是按電磁吸引的原理進行工作的。

當定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn)生電磁引力，將其吸引過來，而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。每當轉(zhuǎn)子某一對齒的中心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零。如果控制線路不停地按一定方向切換定子繞組各相電流，轉(zhuǎn)子便按一定方向不停地轉(zhuǎn)動。(步進電機每次轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角)圖4-4三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)圖4-5步進電機工作原理圖4－6步進電機1、轉(zhuǎn)角（度）2、轉(zhuǎn)速（rpm）f---脈沖頻率（Hz）

N---脈沖數(shù)---步距角計算公式：角度如何控制？速度如何控制？

可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

永磁式（PM）反應(yīng)式（VR）

混合式（HB）

永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。（二）步進電機的類型三相四相五相六相等勵磁相數(shù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛

不需反饋控制，電路簡單

易于微機聯(lián)接沒有積累誤差停止時有自鎖能力維修方便價廉（三）特點(Features)

效率低容易失步（脫調(diào)）低頻時易發(fā)生震蕩優(yōu)點缺點（四）步進電動機的驅(qū)動與控制1、環(huán)形脈沖分配器

步進電動機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電動機繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為環(huán)形脈沖分配器。實現(xiàn)環(huán)形分配的三種方法：

采用計算機軟件用小規(guī)模集成電路搭接而成專用環(huán)形分配器芯片

從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅(qū)動步進電動機。必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅(qū)動步進電動機運轉(zhuǎn)。2、功率放大器恒流驅(qū)動斬波驅(qū)動等功率放大電路電壓型電流型單電壓型雙電壓型（高低壓型）3、控制系統(tǒng)組成功率放大器脈沖信號：由CNC數(shù)控裝置或單片機產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。一般用于開環(huán)系統(tǒng)

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，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)濟型機器人和經(jīng)濟型數(shù)控機床實際應(yīng)用例子Y3150E型滾齒機的數(shù)控改造---鼓形齒輪加工

洛陽起重機廠步進電機數(shù)控系統(tǒng)

直流電機的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的。

當電樞繞組中通過直流電時，在定子磁場的作用下就會產(chǎn)生帶動負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。定子：恒定磁場—永磁體轉(zhuǎn)子：電樞繞組換向：換向器與碳刷三、直流伺服電機（1）結(jié)構(gòu)與工作原理

直流電源接在兩電刷間，電流通入電樞線圈，切割磁力線，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機的基本調(diào)速方式有三種:調(diào)節(jié)電阻Ra、調(diào)節(jié)電樞電壓Ua和調(diào)節(jié)磁通Φ的值。調(diào)速原理Ra—電機電樞回路總電阻Tm—電機電磁轉(zhuǎn)矩Ua—電機電樞端電壓ф—勵磁磁通Ea—電樞繞組感應(yīng)電動勢

CE—電動勢常數(shù)CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)n—電機轉(zhuǎn)速n0－電機理想空載轉(zhuǎn)速

優(yōu)點：響應(yīng)迅速，精度高，調(diào)速范圍寬，負載能力大，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。

廣泛應(yīng)用于閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。（2）特點（Features）：

缺點：由于電刷和換向器的存在，其壽命、噪聲等方面存在不足。開發(fā)研制了無刷直流電機（brushless）四、交流伺服電機－－無刷電機改變電機的結(jié)構(gòu)–—磁極作轉(zhuǎn)子，線圈作定子；線圈中的電流方向可以使用電子方式換向；在換向過程中，需要測量磁場磁力線與線圈的夾角。?霍爾傳感器可以測量轉(zhuǎn)子的磁場感應(yīng)式電動機（InductionMotor）同步式電動機（SynchronousMotor）---應(yīng)用較多無刷電機（BrushlessMotor）三種類型永磁同步電動機逐漸成為交流伺服系統(tǒng)執(zhí)行電動機的主流三種交流伺服電機的結(jié)構(gòu)

交流電機調(diào)速種類很多，應(yīng)用最多的是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是能為交流電機提供變頻電源的變頻器。變頻器的功能是，將頻率固定（電網(wǎng)頻率為50Hz）的交流電，變換成頻率連續(xù)可調(diào)（0～400Hz）的交流電。變頻器可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類。交-直-交變頻器是先將頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率可變的交流電。交-交變頻器不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)，把頻率固定的交流電直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。因只需一次電能轉(zhuǎn)換，效率高，工作可靠，但是頻率的變化范圍有限。交-直-交變頻器，雖需兩次電能的變換，但頻率變化范圍不受限制，目前應(yīng)用得比較廣泛。交流伺服電機的變頻調(diào)速交流伺服數(shù)控系統(tǒng)的組成第三節(jié)位置檢測裝置一、概述

組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。

作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。

閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設(shè)計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。進給伺服系統(tǒng)對位置測量裝置的要求高可靠性和高抗干擾性：受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強；能滿足精度和速度的要求：位置檢測裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機床的分辨率（一個數(shù)量級）；位置檢測裝置最高允許的檢測速度應(yīng)高于數(shù)控機床的最高運行速度。使用維護方便，適應(yīng)機床工作環(huán)境；成本低。二、位置檢測裝置的分類按輸出信號的形式分類：數(shù)字式和模擬式按測量基點的類型分類：增量式和絕對式按位置檢測元件的運動形式分類：回轉(zhuǎn)型和直線型常用位置檢測裝置分類表三、脈沖編碼器（一）絕對式編碼器

絕對式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。

脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機床上使用很廣泛的位置檢測裝置。

絕對式增量式脈沖編碼器可分為兩類

光電式接觸式電磁式絕對式編碼器分類設(shè)n=10，分辨率α=0.36o絕對式碼盤的規(guī)格及分辨率：規(guī)格絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù)n有關(guān)；現(xiàn)在市場上提供從4道到12道都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；

②考慮機械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)絕對式碼盤的規(guī)格n道：特點（Features）

1、當?shù)綦姇r，絕對型編碼器的位置不會丟失，一旦電源接通，它即可讀出現(xiàn)時準確的位置信號，不需要退回到基準原點使系統(tǒng)從初始位置開始。同樣，在經(jīng)過一陣干擾后，可通過復(fù)讀重新獲得準確的位置信號。因此，絕對型編碼器與增量型編碼器相比，不存在掉電信號丟失問題，抗干擾能力強，可用于長期的定位控制。

2、絕對型編碼器讀出的信號可以是格雷碼等數(shù)字信號，其錯碼幾率較小，對于后部二次儀表的運算，因是數(shù)字量計算，不易增加其誤差，因此，其傳輸及計算的數(shù)據(jù)的可靠性高。3、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高（4-5倍）。

絕對型多轉(zhuǎn)編碼器因其精度高量程大，不怕干擾掉電，在被廣泛應(yīng)用于如水利、冶金、化工、造紙、礦山、港口機械等各行業(yè)。

（二）增量式編碼器光源：A相、B相、C相（Z）

沿碼盤的徑向均勻刻上透明和不透明的狹縫。

其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減需借助后部的判向電路和計數(shù)器來實現(xiàn)。

組成：多路光源、光敏元件、碼盤

A相、B相的相位角相差90度?？膳袆e旋轉(zhuǎn)方向：A相脈沖上升時，B相為低電平，設(shè)為正轉(zhuǎn)；B相脈沖上升時，A相為低電平，則設(shè)為反轉(zhuǎn)；

轉(zhuǎn)向判別增量式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)；現(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從36線/轉(zhuǎn)到10萬線/轉(zhuǎn)都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為n線/轉(zhuǎn)：采用倍頻電路提高分辨率

脈沖編碼器通常與電機做在一起，或者安裝在電機非軸伸端，電動機可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應(yīng)機床工作臺移動的距離可用下式計算：式中：

—

脈沖當量（mm/脈沖）；S

—

滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）；i

—

減速齒輪的減速比；M

—

脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（p/r）。

光電編碼器的特點：非接觸測量，無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好；允許測量轉(zhuǎn)速高，精度較高；光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強；體積小，便于安裝，適合于機床運行環(huán)境；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，光源壽命短；碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。4.4典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)4.4.1開環(huán)進給伺服系統(tǒng)(Open-LoopSystem)最簡單的進給伺服系統(tǒng)，無位置反饋環(huán)節(jié)。驅(qū)動電機只能用步進電機。主要用于經(jīng)濟型數(shù)控或普通機床的數(shù)控化改造。

由步進電機構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)基本控制原理由數(shù)控裝置送來的一定頻率和數(shù)量的指令脈沖，經(jīng)步進電機環(huán)形分配器分配和功率放大器放大后驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)。步進電機的使用步進電機的角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，它將指令脈沖變成步進電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動。

.步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

要解決的主要問題：①動力計算②傳動計算③驅(qū)動電路設(shè)計或選擇

目的：傳動計算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當量和進給速度F的要求。步進電機Z1Z2tf，圖中：f—脈沖頻率（HZ）

α—步距（度）Z1、Z2—傳動齒輪齒數(shù)t—螺距(mm)

—脈沖當（mm）

傳動比選擇：為了湊脈沖當量mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比i=Z1/Z2與α、、t之間有如下關(guān)系：例1：=0.01mm,t=6mm,α=0.75°步進電機Z1Z2tf，進給速度F：一般步進電機：若：δ=0.01mm則：若δ=0.001mm則：

因此，當fmax

一定時，F(xiàn)MAX

與δ成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應(yīng)指明是在多大的脈沖當量δ下的否則是沒有意義的。2主要控制特性（1）

步距角和步距誤差

反應(yīng)式步距角和步進電機的相數(shù)、通電方式及電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：式中α—步進電機的步距角；m—電機相數(shù)；

Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K＝1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。步距角越小，加工精度越高：步距精度是指理論的步距角和實際的步距角之差，以分表示（2）最高工作頻率

步進電機工作頻率連續(xù)上升時，電動機不失步運行的最高頻率稱為最高工作頻率。

它的值也和負載有關(guān)。很顯然，在同樣負載下，最高工作頻率遠大于己于啟動頻率.在連續(xù)運行狀態(tài)下，步進電機的電磁力矩隨頻率的升高而急劇下降，這兩者的關(guān)系稱為矩頻特性.（3）矩頻特性（4）最高啟動頻率

空載時，步進電機由靜止突然啟動，并不失步的進入穩(wěn)速運行，所允許的啟動頻率的最高值為最高啟動頻率.3提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施

影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：步進電機的步距角精度；機械傳動部件的精度；絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；傳動件和支承件的變形。提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；采取各種精度補償措施。?傳動間隙補償

在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機構(gòu)傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。?螺距誤差補償

利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺距累積誤差，以提高進給位移精度。

方法：首先測量出進給絲杠螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償。4.4.2閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)按系統(tǒng)的控制信號類型分：模擬型系統(tǒng)數(shù)字型系統(tǒng)。模擬型系統(tǒng)：

特征：這類系統(tǒng)全部采用模擬元件構(gòu)成；其輸入（控制）信號、輸出的位置、速度信號也是模擬量；速度和位置檢測元也是模擬式的。優(yōu)點：抗干擾能力強，一般不會因峰值誤差導(dǎo)致致命的誤動作?？捎贸Ｒ?guī)儀器儀表（示波器，萬用表等）直接讀取信息，易于隨時把握系統(tǒng)工作的基本情況。缺點：對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。在零點附近容易受到溫度漂移的影響，使位置控制產(chǎn)生漂移誤差。位置、速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整困難，適應(yīng)負載變化的能力較差。

模擬系統(tǒng)這種本質(zhì)缺陷，使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐漸被數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代。

數(shù)字型系統(tǒng)：

特征：這類系統(tǒng)是指至少其位置環(huán)控制與調(diào)節(jié)采用數(shù)字控制技術(shù)，即位置指令和反饋信號都不再是模擬信號改用數(shù)字信號（邏輯電平脈沖信號）的系統(tǒng)。特點：可以通過增加數(shù)字信息的字長，來滿足要求的控制精度。對邏輯電以下的漂移、噪聲不予晌應(yīng)，零點定位精度可以得到充分保證。容易對其結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行修改（根據(jù)控制要求），且易于與計算機進行數(shù)據(jù)交換。噪聲峰值大于邏輯電平時，對數(shù)據(jù)的最高位和最低位的干擾出錯程序是相同的，這種錯誤可能導(dǎo)致系統(tǒng)致命的危害。傳送數(shù)據(jù)的數(shù)字電路要求具有很寬的頻帶。以保證脈沖上、下降沿有足夠的陡峭度。抑制干擾、防止數(shù)據(jù)出錯，是數(shù)字伺服系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。數(shù)字伺服系統(tǒng)的類型

全硬件伺服系統(tǒng)

全硬件伺服系統(tǒng)又稱脈沖比較伺服系統(tǒng)，其典型的組成方式如圖所示：_

NC裝置－F/V偏差計數(shù)器D/A速度控制與驅(qū)動單元A、B、Z++_++－整形.倍頻.辨向工作臺PG電壓Z

脈沖比較伺服系統(tǒng)工作原理

：系統(tǒng)按功能模塊大致可分為三部分：采用光電脈沖編碼器產(chǎn)生位置反饋脈沖Pf；實現(xiàn)指令脈沖F與反饋脈沖Pf的脈沖比較環(huán)節(jié)，以取得位置偏差信號e；以位置偏差e作為速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

脈沖比較電路

在脈沖比較伺服系統(tǒng)中，實現(xiàn)指令脈沖F與反饋脈沖Pf的比較后，才能檢測出位置的偏差。脈沖比較電路的基本組成有兩個部分：一是脈沖分離部分，二是可逆計數(shù)器。

構(gòu)成：該系統(tǒng)中，位置閉環(huán)的控制與調(diào)節(jié)運算主要由偏差計數(shù)器（一般為可逆計數(shù)器）和D/A完成。

柔性差：系統(tǒng)全由硬件構(gòu)成，使得它的各調(diào)節(jié)器參數(shù)在機電聯(lián)調(diào)整定后就固定下來了，不易改變，這對負載慣量變化不大的位置伺服系統(tǒng)（如車床刀架進給控制），可獲得滿意的控制性能指。而對某些負載慣量較大的系統(tǒng)，則很難在整個范圍內(nèi)（負載慣量變化）都獲得滿意的控制效果。

零漂將影響精度：這類系統(tǒng)依靠D/A，將位置調(diào)節(jié)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬電壓作速度指令信號。提供給速度伺服單元，因此，其零點漂移將影響定位精度。半軟件型伺服系統(tǒng)

+調(diào)節(jié)運算零漂補償硬件速度控制與驅(qū)動單元D/A軟件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍頻計數(shù)器工作臺PG電機+DAV1△SV0U0UA△D△U實際位置計算△DA指令位置計算△D0/nZ位置控制的軟件現(xiàn)可以由NC裝置的CPU實現(xiàn)，也可以由位置控制板上自帶的CPU實現(xiàn)。位置控制的調(diào)節(jié)運算部分由軟件實現(xiàn)，增加了靈活性：調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以通過進行修改、設(shè)定調(diào)節(jié)算法可以采用較復(fù)雜的算法，以提高控制性能（變結(jié)構(gòu)、變增益）可增加許多輔助功能（故障診斷、脈沖當量變換等）零點漂移可通過軟件進行補償

由于利用軟件采用一些補償措施，這就使得半軟件位置伺服系統(tǒng)的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系統(tǒng)。全軟件位置伺服系統(tǒng)

除電流環(huán)仍為模擬結(jié)構(gòu)外，位置、速度控制均由微機通過控制軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)組成如圖所示：

NC系統(tǒng)微機位、速度控制(D/A輸出)模擬電流控制與功放整形.倍頻.辨向A、BZ工作臺PG電壓特點

位置、速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以按工作環(huán)境自動進行切換，使之適應(yīng)負載變化的能力顯著增強，應(yīng)用優(yōu)化理論還可使調(diào)節(jié)器的參數(shù)自動化，使系統(tǒng)可驅(qū)動不同的執(zhí)行機械，通用化程度大大提高。

其余與半軟件型系統(tǒng)相同。

這種系統(tǒng)的輸出通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓作為電流指令

送往模擬電流環(huán)，這樣，模擬量的零點漂移只會使電流指令產(chǎn)生微小的變化，一般這種變化不足以產(chǎn)生驅(qū)動伺服電機運動的力矩，也不會對位置控制精度產(chǎn)生不良影響。

由于電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)還是固定的，所以還不能通過微機改變控制策略，以獲得較理想的控制效果。

由于該系統(tǒng)工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，控制性能也優(yōu)于前述兩種系統(tǒng)，使得它在80年代中期以來的交、直流位置伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品中逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，成為位置伺服系統(tǒng)的首選方案。

全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)

一種全數(shù)字、采用脈寬調(diào)制控制的位置伺服系統(tǒng)如下圖所示。

NC裝置單片微機位置速度電流控制(PWM輸出)晶體管放大器電流檢測整形、倍頻、辨向A.B工作臺PG電壓特點：

系統(tǒng)的所有控制調(diào)節(jié)全部由軟件完成，最后直接輸出邏輯電平的脈寬調(diào)制控制信號驅(qū)動功率晶體管放大器，對伺服電機進行控制，完成位置控制任務(wù)。

調(diào)節(jié)器的全部軟件化使控制理論中的許多控制思想和手段，包括經(jīng)典的、現(xiàn)代的、智能的等新型的控制方法都可以衩方便地引進來，第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析.控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù)G1(S)G2(S)H(S)R(S)B(S)E(S)N(S)M(S)C(S)+-++R(S)—輸入信號C(S)—輸出信號E(S)—偏差信號M(S)—控制量B(S)—反饋信號N(S)—噪聲信號G1(S)—控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)G2(S)—被控對象傳遞函數(shù)H(S)—反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)：反饋與偏差之比閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸入與輸出之比干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸出與噪聲之比系統(tǒng)誤差的函數(shù)：偏差與輸入之比.控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù)閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)：位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動位置檢測單元位置控制單元速度控制單元++-－電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令UgUpUθmθDXD速度檢測裝置XAXCXD△D1.位置控制單元的數(shù)學(xué)模型

位置控制單元是以XC為輸入以UP為輸出的一個控制環(huán)節(jié)，位置調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)，放大系數(shù)為KN，則有：取拉氏變換得：

結(jié)構(gòu)框圖：KNKfP+－X0XAXCUp2.速度控制單元的數(shù)學(xué)模型

速度控制單元是以指令電壓UP為輸入，電機的驅(qū)動電壓U為輸出的控制環(huán)節(jié)，速度調(diào)節(jié)器通常采用PI調(diào)節(jié)，驅(qū)動放大是比例環(huán)節(jié)，若忽略非線性和滯后特性的影響，可視它們?yōu)楸壤h(huán)節(jié)，則傳遞函數(shù)為KA

，速度反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為KV，則有：取拉氏變換得：結(jié)構(gòu)框圖：KASKV+－UGUPU△U3.直流伺服電機的數(shù)學(xué)模型直流伺服電機是以驅(qū)動電壓U為輸入，電機的角位移m為輸出的變換環(huán)節(jié)，其數(shù)字模型是根據(jù)電機電樞電勢平和電機轉(zhuǎn)矩衡方程導(dǎo)出的：式中：Tm=RaJa/KeKT電機的機械時間常數(shù)Km=1/Ke電機的增益系數(shù)

KR=Ra/KT

拉氏變換得：結(jié)構(gòu)框圖：+－++

由此可知：電機輸出的角位移由兩部分組成，一是無負載時由控制U(S)的激勵而產(chǎn)生的輸出，另一部分是由負載的擾動產(chǎn)生的輸出。而且經(jīng)適當?shù)暮喕螅绷魉欧姍C可視為一個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。4.機械傳動與執(zhí)行單元的數(shù)學(xué)模型

機械傳動與執(zhí)行單元的輸入為電機的角位移θm，輸出為工作臺的線位移X0，其機械系統(tǒng)力平衡方程為：拉氏變換：結(jié)構(gòu)框圖：－+＋+由此可知，機械系統(tǒng)可視為一個二階振動環(huán)節(jié)。5.整個進給伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由圖可知：X0是對XC和FD

兩個激勵的響應(yīng)，根據(jù)疊加原理，可先分別求出每個激勵單獨作用的響應(yīng)，然后進行疊加。KNKfP+－XAXCKASKV+－UG△U+－++－+＋+Up當FD=0時，僅有XC激勵的傳遞系數(shù)當XC

,FD同時激勵時系統(tǒng)的響應(yīng)

系統(tǒng)增益KS(開環(huán)增益，速度增益)

KS是進給伺服系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，為了說明其物理意義，可對上述系統(tǒng)進行一些簡化：假設(shè)上述各環(huán)節(jié)均是理想的，即各環(huán)節(jié)均是無慣量，無阻尼，剛度為無窮大，且無速度環(huán)，則：KNKAKfPKM+-△DUPUθmX0KS對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響進給伺服系統(tǒng)的輸入通常是斜坡激勵：FT（1/KS）tKSFT（1/KS）t討論

KS與輸出速度的關(guān)系當KS

↑

時，到達F所需的時間越短，系統(tǒng)的響應(yīng)加快，靈敏度增高。KS與系統(tǒng)的加速度的關(guān)系當KS

↑時，系統(tǒng)的加速度增大，尤其是在剛啟動時，它使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，但對系統(tǒng)的沖擊也大，尤其對慣性較大的系統(tǒng)，將產(chǎn)生很大的沖擊力，另外，加速度太大也可能系統(tǒng)超調(diào)，引起系統(tǒng)失穩(wěn)。KS與跟隨誤差△D的關(guān)系。

KS↑→△D↓即：有利于提高系統(tǒng)的跟隨精度。結(jié)論：KS的選擇，要綜合考慮，折衷選取，才能獲得優(yōu)良的綜合性能。KS的初選方法在工程調(diào)試中，KS可按下列方式初選：

Mm、ML：分別是電機的輸出轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩；GDm2、GDL2：分別是電機轉(zhuǎn)子和負載等效飛輪慣量數(shù)控系統(tǒng)中KS的設(shè)定方法由前面的推導(dǎo)可知：

KN：位置環(huán)增益；KA：速度環(huán)增益

Km：電機增益L/2π：機械系統(tǒng)增益其中：KA、Km、L/2π在數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機械系統(tǒng)選定后便確定了，而KN是作為可調(diào)參數(shù)，允許用戶根據(jù)具體情況選定，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速度性的要求。.定位精度

定位精度的檢查通常是在空載的情況進行的，即無負載力（Fc=0）。只有摩擦力，而且系統(tǒng)接受的是階躍位置指令，即：閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差為：半閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差討論

由可知，為減小定位誤差可采用下列措施：減小傳動間的摩擦力Fcr，如采用滾動傳動取代滑動。增大KN、KA，其實質(zhì)增大KS(在系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍內(nèi))。減小KR（=Ra/KT），即選擇KT在的伺服電機。在半閉環(huán)系統(tǒng)中，要盡可能增大傳動機構(gòu)的剛度K，這是因為當K較小時，將產(chǎn)生較大的彈性變形，從而加大定位誤差。第六節(jié)

伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響對于輪廓加工系統(tǒng)，要求精確地、實時地同時控制多個坐標軸的位置與速度，但由于系統(tǒng)存在著跟隨誤差△D，將可能會影響多坐標軸運動合成軌跡的精確性，產(chǎn)生輪廓誤差。一、跟隨誤差△D的含義及特性定義：指令位置D0i與實際位置Dai之差稱為跟隨誤差△D。跟隨誤差△D是由進給伺服系統(tǒng)各環(huán)節(jié)信息傳遞延遲效應(yīng)引起的。實際位置滯后指令位置。當執(zhí)行部件進入勻速運動時△D為常數(shù)。當它減速并停止時，△D逐漸減少到零。當位置環(huán)為P調(diào)節(jié)時，△D與F、KS

的關(guān)系為：△D=F/KS

D0titp△DttDAD0DADFAF0FFt二.跟隨誤差△D對輪廓加工精度的影響XY△DY△DXεAA’ααβ1.△D對直線輪廓加工精度的影響加工直線時兩軸的輸入指令為：

XY△DY△DXεAA’ααβ由于存在跟隨誤差△DX、△DY在某時刻指令位置在A點，實際位置在A′點，則有：輪廓誤差ε的幾何求法：XY△DY△DXεAA’ααβKS：平均系統(tǒng)增益；△KS：兩軸系統(tǒng)增益差；△KS/

KS：系統(tǒng)增益失配量討論當KSX=KSY

時，△KS=0，ε=0；這說明當兩軸系統(tǒng)增益相等時，跟隨誤差△DX、△DY對輪廓精度無影響。XY△Dy△Dxε=0AA’ααβXY△DY△DXεAA’ααβ當兩軸增益不一致，但KSX、KSY常數(shù)時，Ks、△Ks為常數(shù)，則ε為常數(shù)，也就是說，直線的輪廓形狀無誤差，但位置偏離了原位置。當兩軸增益不一致，且KSX、KSY不是常數(shù)時，則ε不是常數(shù)，也就是說，將產(chǎn)生輪廓形狀誤差，即加工出的輪廓就不是直線了。XY△DY△DXεAA’ααβ在同等情況下：輪廓誤差ε與△KS

成正比，與KS

的平方成反比，與進給速度成F

正比。當加工45°直線時，輪廓誤差ε最大。當加工0°或90°直線時，輪廓誤差ε與增益無關(guān)。2.△D對圓弧輪廓加工精度的影響

△D對圓弧輪廓加工精度的影響可用加工圓弧的半徑變動量△R描述。通常△R的變化較為復(fù)雜，為此，可先討論下面條件下的情況：KSX=KSY=KS

然后再定性的討論其它較為復(fù)雜的情況

△R的求取RR+△R△DY△DXPP’A’AB’BOFFYFX討論當KSX=KSY，且進給速度F為恒速時，△R是常數(shù)。只產(chǎn)生尺寸誤差，不產(chǎn)生形狀誤差。當從圓上某一點開始加工整圓時，則實際軌跡如右圖所示，為什么？當KSX≠KSY時，此時不僅產(chǎn)生尺寸誤差，而且產(chǎn)生形狀誤差。可以證明：當KSX=aKSY（a為常數(shù)）時，圓弧插補所形成的形狀為橢圓（長軸與X軸成45°夾角）。當KSX與KSY無確定關(guān)系時，圓弧插補所形成的形狀為無規(guī)則的形狀。在條件一定的情況下：輪廓誤差△R與KS的平方成反比；輪廓誤差△R與F的平方成正比。因此，KS↑

或F↓可大大提高輪廓加工精度。輪廓誤差△R與加工園弧的半徑R成反比。在小圓弧加工時，要保證加工精度，進給速度F不能太高。小結(jié)：

在數(shù)控系統(tǒng)中，各軸進給伺服系統(tǒng)的增益均稍有差別，在進行輪廓加工時會產(chǎn)生輪廓誤差，因此，要求各軸的KS

值盡量接近，尤其是在低增益系統(tǒng)。目前先進的CNC系統(tǒng)均帶有跟隨誤差△D的監(jiān)視和KS

值的顯示功能。3.跟隨誤差對拐角加工精度的影響在輪廓加工過程中，常要求坐標軸瞬時啟?；蚋淖兯俣龋@時進給伺服系統(tǒng)的跟隨誤差就會影響輪廓精度。當在銑床上加工工件的內(nèi)、外拐角時，其影響尤其明顯?！鱀XXY△DXXY欠程現(xiàn)象超程現(xiàn)象低增益系統(tǒng)高增益系統(tǒng)

解決上述問題的辦法是：在編程時使第一段先減速到零，然后再啟動第二軸，在數(shù)控系統(tǒng)中由實現(xiàn)這種功能的指令，如G09、G60等，除此之外，合理選擇KS也是至關(guān)重要的。三、系統(tǒng)參數(shù)對低速進給運動平穩(wěn)性的影響1.低速進給運動平穩(wěn)性的概念進給系統(tǒng)在低速進給時，在驅(qū)動速度是均勻的情況下，當系統(tǒng)的剛度不足、摩擦力偏大等系統(tǒng)參數(shù)不恰當時，就會出現(xiàn)執(zhí)行部件運動時快時慢、甚至停頓的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為爬行現(xiàn)象。它是低速運動不平穩(wěn)的體現(xiàn)。爬行現(xiàn)象產(chǎn)生的原因DKMF（Fs,Fd）X0XD點均勻向右運動→M不動（K小和Fs作用）→彈簧（絲桿）被壓縮K(X－X0)↓←

M加速←

FdFs←M運動←當K(X－X0)≥F時←儲存能量當K(X－X0)=F時→

M勻速→慣性→M繼續(xù)向右→

K(X－X0)↓→

M減速D點均勻向右運動←M停頓←

X－X0=0

←若M慣性較大