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第四章 进给运动控制
数控机床电气驱动
2021/3/30
概 述
1. 数控机床伺服系统的概念
数控机床伺服系统是以数控机床移动部件（如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控制对象的自动控制系统，也称为随动系统、拖动系统或伺服机构。它接受CNC装置输出的插补指令，并将其转换为移动部件的机械运动（主要是转动和平动）。伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床本体的联系环节，其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。
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2021/3/30
通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。
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速度环由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等部分组成，利用测速发电机、脉冲编码器等速度传感元件，作为速度反馈的测量装置。位置环是由CNC装置中位置控制、速度控制、位置检测与反馈控制等环节组成，用以完成对数控机床运动坐标轴的控制。数控机床运动坐标轴的控制不仅要完成单个轴的速度位置控制，而且在多轴联动时，要求各移动轴具有良好的动态配合精度，这样才能保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。
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(1)伺服系统的作用
2)根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。
1) 数控伺服系统具有放大控制信号的能力。
(2)数控机床对伺服系统应具有的基本性能
1)高精度：伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确程度。由于数控机床执行机构的运动是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度和零件轮廓的加工精度，要求伺服系统应具有足够高的定位精度和联动坐标的协调一致精度。~，。在速度控制中，要求高的调速精度和比较强的抗负载扰动能力。即伺服系统应具有比较好的动、静态精度。
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2)良好的稳定性 稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短时间的调节后重新恢复到原有平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。
3．动态响应速度快 动态响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间一般在20ms以下，在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令信号，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加减速控制，并且要求很小的超调量。
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4．调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围RN是指机床要求电动机能够提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，即：
车床的主轴伺服系统一般是速度控制系统，除了一般要求之外，还要求主轴和伺服驱动可以实现同步控制，以实现螺纹切削的加工要求。有的车床要求主轴具有恒线速功能。
机床的加工特点是低速时进行重切削，因此要求伺服系统应具有低速时输出大转矩的特性，以适应低速重切削的加工实际要求，同时具有较宽的调速范围以简化机械传动链，进而增加系统刚度，提高转动精度。一般情况下，进给系统的伺服控制属于恒转矩控制，而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，高速时为恒功率控制。
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5)高性能电动机 伺服电动机是伺服系统的重要组成部分，为使伺服系统具有良好的性能，伺服电动机也应具有高精度、快响应、宽调速和大转矩的性能。具体是：
（1）电动机从最低速到最高速的调速范围内能够平滑运转，转矩波动要小，尤其是在低速时要无爬行现象；
（2）电动机应具有大的、长时间的过载能力，一般要求数分钟内过载4~6倍而不烧毁；
（3）为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短的时间内达到规定的速度；
（4）电动机应能承受频繁启动、制动和反转的要求。
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（1）驱动方式分类 液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统
伺服系统可以分为电液伺服系统和电气伺服系统，电液伺服系统的执行元件是电液脉冲马达和电液伺服马达。但由于该系统存在噪音、漏油等问题，其逐渐被电气伺服系统所取代。
电气伺服系统全部采用电子元件和电动机部件，操作方便，可靠性高。 目前电气伺服系统的驱动元件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动