进给伺服系统的基本形式优化

进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。

半闭环系统有位置检测装置装在丝杠端头和装在电动机轴端两种。前者把丝杠包括在位置环内；后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。

1.开环数控系统

无位置反馈装置的控制方式就称为开环控制。采用开环控制作为进给伺服驱动系统，则称开环数控系统。一般使用步进驱动系统（包括电液脉冲马达）作为伺服执行元件。所以也称步进驱动系统。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置（一般为同步带，或直接连接）带动丝杠旋转，通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动，俗称位移量。图7-2为开环控制进给伺服驱动系统的结构框图。

图7-2 开环控制的进给伺服驱动系统的结构框图

开环系统的定位精度一般在±0.01～±0.02mm之间。它结构简单、工作可靠、造价低廉，但是系统对移动部件的实际位移量不进行检测，由于影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正，故精度和快速性较差。步进电动机的步距角误差、齿轮与丝杠等部件的传动误差，都将影响被加工零件的精度。特别是在负载转矩超过输出转矩时，将导致的“丢步”，使加工出错。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床。

2.半闭环数控系统

图7-3所示为半闭环数控系统的进给控制框图。半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机的轴上（通常已由电动机生产厂家安装好），用以精确控制电动机的轴的转角，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移。如果滚珠丝杠的精度足够高、间隙小，精度要求一般可以得到满足。而且传动链上有规律的误差（如间隙及螺距误差）可以由数控装置加以补偿，可进一步提高精度，因此在精度要求适中的中、小型数控机床上，半闭环控制得到了广泛的应用。

图7-3 半闭环数控系统进给控制框图

半闭环方式的优点是它的闭环环路短（不包括传动机械），因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。它的快速性也好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或误差不稳定，则数控系统难以补偿。例如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性变形，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差，以及由于环境温度与丝杠温度的变化所引起的丝杠螺距误差也不能补偿。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。(www.xing528.com)

3.全闭环数控系统

图7-4所示为全闭环数控系统进给控制框图。全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求。因闭环环路包括了机械传动机构，它的闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，而且还取决于阻尼、油的黏度、滑动面摩擦系数等因素。这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了困难，导致调整闭环环路时必须要降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生了不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式广泛应用在精度要求较高的大型数控机床上。

图7-4 全闭环数控系统进给控制框图

图7-5 混合闭环控制的进给驱动系统框图

全闭环系统控制精度高（定位精度可达±0.001～±0.003mm）、快速性好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯量、间隙和摩擦等因素有很大关系，各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡，故必须对机电部件的结构参数综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价较为昂贵。

解决以上问题的最佳途径是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，简化了机械传动系统的结构，实现了所谓的“零传动”。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。

4.混合式闭环控制

图7-5所示为混合闭环控制的进给驱动系统框图。混合闭环方式采用半闭环与全闭环结合的方式。它利用半闭环所能达到的高速度增益，从而获得了较高的速度与良好的动态特性。它又利用全闭环补偿半闭环无法修正的传动误差，从而提高了系统的位置精度。混合闭环方式适用于重型、超重型数控机床。因为这些机床的移动部件很重，设计时提高刚性较困难。