第三節(jié) 數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng)
一、概述
伺服驅動系統(tǒng)簡稱伺服系統(tǒng)（Serve system），是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。
伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。
（一）伺服驅動系統(tǒng)的分類
按控制對象和使用目的
進給伺服系統(tǒng)
用于控制機床各坐標軸的切削進給運動，是一種精密的位置跟蹤、定位系統(tǒng)，它包括速度控制和位置控制。
主軸伺服系統(tǒng)
用于控制機床主軸的旋轉運動和切削過程中的轉矩和功率，一般只以速度控制為主。
輔助伺服系統(tǒng)
用在各類加工中心或多功能數(shù)控機床中，用來控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，一般多采用簡易的位置控制。
按伺服系統(tǒng)調節(jié)理論
數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。
按驅動部件的動作原理
電液控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，其中，電氣控制系統(tǒng)分為步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機驅動系統(tǒng)。
按反饋比較控制方式
脈沖比較、相位比較、幅值比較和全數(shù)字等伺服系統(tǒng)。
（二）數(shù)控機床對伺服驅動系統(tǒng)的要求
對進給伺服驅動系統(tǒng)的要求：
高精度
要求伺服系統(tǒng)準確定位，即定位誤差特別是重復定位誤差要小，并且伺服系統(tǒng)的跟隨精度高，即跟隨誤差小。一般定位精度達到μm級，高的要求達到±0.01～±0.005μm。
快速響應，無超調
加工過程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質量，要求加（減）速度足夠大，以便縮短伺服系統(tǒng)過渡過程時間。一般電動機速度從零變到速，或從速降至零，時間在200毫秒以下，甚至小于幾十毫秒。
調速范圍寬
為保證在任何情況下都能得到切削條件，要求進給驅動必須具有足夠寬的調速范圍（至少達到1：1000，有些高性能系統(tǒng)已能達到1：100000）。而且通常是無級調速。
低速大轉矩
具有較強的過載能力。力矩波動要小，一般允許的波動數(shù)在3%左右。
可靠性高
對環(huán)境的適應性強，性能穩(wěn)定，使有壽命長，平均無故障間隔時間長。
對主軸驅動系統(tǒng)的要求：
主軸驅動系統(tǒng)不僅應該具有寬的調速范圍，而且能在盡可能寬的速度范圍內保持恒功率輸出。為了滿足不同數(shù)控機床的加工要求，還對主軸驅動系統(tǒng)提出一些特殊要求，如：
為了能在數(shù)控車床等機床上加工螺紋，要求主軸驅動與進給驅動實行同步控制；
為了保證端面加工的表面粗糙度，要求數(shù)控車床、磨床等機床的主軸驅動系統(tǒng)具有恒線速切削功能；
在加工中心上，由于自動換刀的需要，要求主軸驅動系統(tǒng)具有高精度的停位控制功能；
有的數(shù)控機床還要求主軸驅動系統(tǒng)具有角度的控制功能。
【例題·單選題】數(shù)控機床的進給伺服驅動系統(tǒng)（?。┑恼f法是錯誤的。
A.包括速度控制和位置控制
B.在低速時應該輸出大轉矩
C.應該響應快、調速范圍寬
D.具有恒線速切削功能
『正確答案』D
『答案解析』數(shù)控機床對進給伺服驅動系統(tǒng)的要求是：1.高精度；2.快速響應，無超調；3.調速范圍寬；4.低速轉矩大；5.可靠性高。
【例題·單選題】（2007）數(shù)控機床不要求進給伺服驅動系統(tǒng)具有（?。┑墓δ堋?BR> A.快速響應
B.調速范圍寬
C.低速大轉矩
D.在寬調速范圍內保持恒功率輸出
『正確答案』D
『答案解析』數(shù)控機床對伺服驅動系統(tǒng)的要求是高精度，快速響應、無超調，調速范圍寬，低速轉矩大，可靠性高。
二、步進電動機及其驅動
步進電動機伺服驅動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制。比較簡單，控制和維修也比較方便。由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進電動機的功率和速度也不高，因此這種驅動系統(tǒng)僅用于小容量、速度低和精度不太高的經(jīng)濟型數(shù)控機床和電加工機床、計算機的打印機、繪圖儀等外部設備。
（一）步進電動機
步進電動機是一種同步電動機，是一種將電脈沖信號轉換成角位移（或直線位移）的執(zhí)行元件。
【提示】脈沖數(shù)增加，角（或直線）位移隨之增加；脈沖頻率高，電動機旋轉速度就快，反之則慢；分配脈沖的相序改變，電動機便反轉。
步進電動機繞組所加電源是脈沖電壓，也稱為脈沖電動機。步進電動機的種類很多，有多種分類方法。若按工作原理分類，則可將步進電動機分為：反應式（磁阻式）、電磁式、永磁式和永磁感應子式步進電動機。其中反應式和永磁感應子式步進電動機比較常用。
優(yōu)點
（1）步進電動機的轉速主要取決于脈沖的頻率，轉數(shù)取決于脈沖數(shù)。
（2）步進電動機的步距值不受各種干擾因素的影響。
（3）步進電動機每走一步所轉過的角度（實際步距值）與理論步距值之間總有一定的誤差。從某一步到任何一步，也總會有一定的累積誤差，但每轉一圈的累積誤差為零。步距誤差不長期積累。
缺點
過載能力比較差。
1.反應式步進電動機
工作過程：當A、B、C三對磁極的繞組依次輪流通過直流電時，則A、B、C三對磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場吸引轉子轉動。
首先，當A相繞組通電，B、C兩相斷電時，轉子的齒1、3分別被定子磁極A—A’吸引而對齊。
然后，A相斷電，B相通電，于是轉子的2、4兩齒被定子磁極B—B’吸引，這時轉子逆時針轉了30o，接下去B相斷電，C相通電，轉子1、3齒與定子磁極C-C′軸線對齊，轉子又逆時針轉過了30 o。
這種按A→B→C→A→B→C→A……順序輪流通電的方式稱為三相單三拍。“三相”是指定子有三相繞組A、B、C，“單”是指每次只有一相繞組單獨通電，“三拍”是指經(jīng)過三次經(jīng)過切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。每一拍，即輸入一個脈沖信號，都使轉子轉過一個角度，稱之為步距角θs。
2.永磁感應子式步進電動機
由于在磁路中含有永久磁鋼，所以，永磁感應子式步進電動機的定子繞組斷電后，仍有一定的定位轉矩。
3.步進電動機的主要性能指標。步進電動機的主要性能指標有：
步距精度
空載時，以單脈沖輸入，步進電動機的實際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差，以偏差的角度或相對百分數(shù)來衡量。我國生產(chǎn)的步進電動機的步距精度一般在±10～±30分的范圍，有些可達±2～±5分。
靜轉距
轉子處于靜止狀態(tài)時，能與負載轉矩相平衡的電磁轉矩稱為步進電動機的轉矩。它是衡量步進電動機帶負載能力的主要指標。
起動頻率
使步進電動機能夠由靜止定位狀態(tài)不失步地起動，并進入正常運行的控制脈沖頻率，稱為起動頻率。在電動機空載情況下，稱為空載起動頻率。在有負載情況下，不失步起動所允許的頻率將大大降低。
連續(xù)運行頻率
步進電動機起動后，其轉速將跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的控制脈沖的頻率，稱為連續(xù)運行頻率的工作頻率。步進電動機的連續(xù)運行頻率隨負載的增大而下降，但步進電動機連續(xù)運行頻率遠高于其起動頻率。
（二）步進電機對驅動電源的要求
1.電源的相數(shù)、電壓、電流、通電方式與步進電機的要求相適應；
2.滿足起動頻率和運行頻率的要求；
3.工作可靠、抗干擾能力強；
4.成本低，效率高，安裝和維護方便；
驅動電源由環(huán)形分配器和功率驅動器組成。
【例題·單選題】（2009）步進電動機每輸入一個脈沖信號轉子轉過的角度稱為步距角，步距角與電動機（?。┑恼f法是錯誤的。
A.轉子齒數(shù)成反比
B.相數(shù)成反比
C.運行拍數(shù)成正比
D.通電方式系數(shù)成反比
『正確答案』C
『答案解析』 ，所以步距角和運行拍數(shù)（N），步進電動機相數(shù)（m），轉子的齒數(shù)（Zr），通電方式有關的系數(shù)（K）均呈反比。
一、概述
伺服驅動系統(tǒng)簡稱伺服系統(tǒng)（Serve system），是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。
伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。
（一）伺服驅動系統(tǒng)的分類
按控制對象和使用目的
進給伺服系統(tǒng)
用于控制機床各坐標軸的切削進給運動，是一種精密的位置跟蹤、定位系統(tǒng)，它包括速度控制和位置控制。
主軸伺服系統(tǒng)
用于控制機床主軸的旋轉運動和切削過程中的轉矩和功率，一般只以速度控制為主。
輔助伺服系統(tǒng)
用在各類加工中心或多功能數(shù)控機床中，用來控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，一般多采用簡易的位置控制。
按伺服系統(tǒng)調節(jié)理論
數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。
按驅動部件的動作原理
電液控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，其中，電氣控制系統(tǒng)分為步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機驅動系統(tǒng)。
按反饋比較控制方式
脈沖比較、相位比較、幅值比較和全數(shù)字等伺服系統(tǒng)。
（二）數(shù)控機床對伺服驅動系統(tǒng)的要求
對進給伺服驅動系統(tǒng)的要求：
高精度
要求伺服系統(tǒng)準確定位，即定位誤差特別是重復定位誤差要小，并且伺服系統(tǒng)的跟隨精度高，即跟隨誤差小。一般定位精度達到μm級，高的要求達到±0.01～±0.005μm。
快速響應，無超調
加工過程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質量，要求加（減）速度足夠大，以便縮短伺服系統(tǒng)過渡過程時間。一般電動機速度從零變到速，或從速降至零，時間在200毫秒以下，甚至小于幾十毫秒。
調速范圍寬
為保證在任何情況下都能得到切削條件，要求進給驅動必須具有足夠寬的調速范圍（至少達到1：1000，有些高性能系統(tǒng)已能達到1：100000）。而且通常是無級調速。
低速大轉矩
具有較強的過載能力。力矩波動要小，一般允許的波動數(shù)在3%左右。
可靠性高
對環(huán)境的適應性強，性能穩(wěn)定，使有壽命長，平均無故障間隔時間長。
對主軸驅動系統(tǒng)的要求：
主軸驅動系統(tǒng)不僅應該具有寬的調速范圍，而且能在盡可能寬的速度范圍內保持恒功率輸出。為了滿足不同數(shù)控機床的加工要求，還對主軸驅動系統(tǒng)提出一些特殊要求，如：
為了能在數(shù)控車床等機床上加工螺紋，要求主軸驅動與進給驅動實行同步控制；
為了保證端面加工的表面粗糙度，要求數(shù)控車床、磨床等機床的主軸驅動系統(tǒng)具有恒線速切削功能；
在加工中心上，由于自動換刀的需要，要求主軸驅動系統(tǒng)具有高精度的停位控制功能；
有的數(shù)控機床還要求主軸驅動系統(tǒng)具有角度的控制功能。
【例題·單選題】數(shù)控機床的進給伺服驅動系統(tǒng)（?。┑恼f法是錯誤的。
A.包括速度控制和位置控制
B.在低速時應該輸出大轉矩
C.應該響應快、調速范圍寬
D.具有恒線速切削功能
『正確答案』D
『答案解析』數(shù)控機床對進給伺服驅動系統(tǒng)的要求是：1.高精度；2.快速響應，無超調；3.調速范圍寬；4.低速轉矩大；5.可靠性高。
【例題·單選題】（2007）數(shù)控機床不要求進給伺服驅動系統(tǒng)具有（?。┑墓δ堋?BR> A.快速響應
B.調速范圍寬
C.低速大轉矩
D.在寬調速范圍內保持恒功率輸出
『正確答案』D
『答案解析』數(shù)控機床對伺服驅動系統(tǒng)的要求是高精度，快速響應、無超調，調速范圍寬，低速轉矩大，可靠性高。
二、步進電動機及其驅動
步進電動機伺服驅動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制。比較簡單，控制和維修也比較方便。由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進電動機的功率和速度也不高，因此這種驅動系統(tǒng)僅用于小容量、速度低和精度不太高的經(jīng)濟型數(shù)控機床和電加工機床、計算機的打印機、繪圖儀等外部設備。
（一）步進電動機
步進電動機是一種同步電動機，是一種將電脈沖信號轉換成角位移（或直線位移）的執(zhí)行元件。
【提示】脈沖數(shù)增加，角（或直線）位移隨之增加；脈沖頻率高，電動機旋轉速度就快，反之則慢；分配脈沖的相序改變，電動機便反轉。
步進電動機繞組所加電源是脈沖電壓，也稱為脈沖電動機。步進電動機的種類很多，有多種分類方法。若按工作原理分類，則可將步進電動機分為：反應式（磁阻式）、電磁式、永磁式和永磁感應子式步進電動機。其中反應式和永磁感應子式步進電動機比較常用。
優(yōu)點
（1）步進電動機的轉速主要取決于脈沖的頻率，轉數(shù)取決于脈沖數(shù)。
（2）步進電動機的步距值不受各種干擾因素的影響。
（3）步進電動機每走一步所轉過的角度（實際步距值）與理論步距值之間總有一定的誤差。從某一步到任何一步，也總會有一定的累積誤差，但每轉一圈的累積誤差為零。步距誤差不長期積累。
缺點
過載能力比較差。
1.反應式步進電動機
工作過程：當A、B、C三對磁極的繞組依次輪流通過直流電時，則A、B、C三對磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場吸引轉子轉動。
首先，當A相繞組通電，B、C兩相斷電時，轉子的齒1、3分別被定子磁極A—A’吸引而對齊。
然后，A相斷電，B相通電，于是轉子的2、4兩齒被定子磁極B—B’吸引，這時轉子逆時針轉了30o，接下去B相斷電，C相通電，轉子1、3齒與定子磁極C-C′軸線對齊，轉子又逆時針轉過了30 o。
這種按A→B→C→A→B→C→A……順序輪流通電的方式稱為三相單三拍。“三相”是指定子有三相繞組A、B、C，“單”是指每次只有一相繞組單獨通電，“三拍”是指經(jīng)過三次經(jīng)過切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。每一拍，即輸入一個脈沖信號，都使轉子轉過一個角度，稱之為步距角θs。
2.永磁感應子式步進電動機
由于在磁路中含有永久磁鋼，所以，永磁感應子式步進電動機的定子繞組斷電后，仍有一定的定位轉矩。
3.步進電動機的主要性能指標。步進電動機的主要性能指標有：
步距精度
空載時，以單脈沖輸入，步進電動機的實際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差，以偏差的角度或相對百分數(shù)來衡量。我國生產(chǎn)的步進電動機的步距精度一般在±10～±30分的范圍，有些可達±2～±5分。
靜轉距
轉子處于靜止狀態(tài)時，能與負載轉矩相平衡的電磁轉矩稱為步進電動機的轉矩。它是衡量步進電動機帶負載能力的主要指標。
起動頻率
使步進電動機能夠由靜止定位狀態(tài)不失步地起動，并進入正常運行的控制脈沖頻率，稱為起動頻率。在電動機空載情況下，稱為空載起動頻率。在有負載情況下，不失步起動所允許的頻率將大大降低。
連續(xù)運行頻率
步進電動機起動后，其轉速將跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的控制脈沖的頻率，稱為連續(xù)運行頻率的工作頻率。步進電動機的連續(xù)運行頻率隨負載的增大而下降，但步進電動機連續(xù)運行頻率遠高于其起動頻率。
（二）步進電機對驅動電源的要求
1.電源的相數(shù)、電壓、電流、通電方式與步進電機的要求相適應；
2.滿足起動頻率和運行頻率的要求；
3.工作可靠、抗干擾能力強；
4.成本低，效率高，安裝和維護方便；
驅動電源由環(huán)形分配器和功率驅動器組成。
【例題·單選題】（2009）步進電動機每輸入一個脈沖信號轉子轉過的角度稱為步距角，步距角與電動機（?。┑恼f法是錯誤的。
A.轉子齒數(shù)成反比
B.相數(shù)成反比
C.運行拍數(shù)成正比
D.通電方式系數(shù)成反比
『正確答案』C
『答案解析』 ，所以步距角和運行拍數(shù)（N），步進電動機相數(shù)（m），轉子的齒數(shù)（Zr），通電方式有關的系數(shù)（K）均呈反比。