伺服系统是数控系统与机床主机连接的重要环节，是数控机床执行机构的驱动部件。伺服系统的作用是把数控系统发出的脉冲信号，经功率放大、整形处理后转换成机床执行部件的直线位移或角位移。伺服系统的性能直接影响到数控机床执行机构的工作精度、负载能力、响应快慢和稳定程度等。因此，伺服系统作为独立部分，与数控系统、机床主机并列为数控机床的三大组成部分。
伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电机、进给伺服电机组成。步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机是常用的伺服元件。执行机构（如主轴箱、工作台、转位刀架等）由相应的驱动装置来驱动。
1.伺服电机的类型
（1）直流伺服电机。直流伺服电机在原理和结构上类似于普通直流电机，其特征是采用单相直流电源供电。从伺服技术的发展历史来看，直流伺服电机是出现得最早的伺服电机，早期的数控机床均采用直流伺服电机作为进给驱动元件。
直流伺服电机的主要优点是控制系统比较简单，容易实现控制，成本比较低廉，并且可靠性高；直流伺服电机的主要缺点是由于内部具有机械换向装置，运行时换向电刷容易磨损，需要经常加以维护。另外，运行时电机的换向器会打火花，高速重载时，火花可能造成电极之间击穿短路，这就使直流伺服电机的转速与输出功率的提高都受到限制。
（2）交流伺服电机。与直流伺服电机相比较，交流伺服电机的主要优点是本身结构简单、坚固耐用。由于内部没有机械换向装置，所以交流伺服电机基本上不需要日常维护，其运行速度与输出功率都明显高于直流伺服电机。但交流伺服电机实现起来的难度和复杂性都比直流伺服电机要高得多，成本较直流伺服电机要高许多。由于这一原因，使得交流伺服电机目前还不能完全替代直流伺服电机。随着微处理器技术和电力电子半导体技术的发展，交流伺服电机逐步得到发展与完善，逐渐显示出其明显的优越性，所以目前正代替直流伺服电机，成为数控机床技术中的主流。
（3）步进电机。步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械位移量的执行元件。给步进电机激磁绕组输入一个电脉冲，转子就转过一个相应的角度，称为步距角。步进电机的角位移量与输入脉冲的个数成正比，时间上与输入脉冲同步。因此只要控制输入脉冲的数量、频率和通电绕组的顺序，就可以获得所需要的转角、转速与转向。步进电机的调速范围、响应特性、位置精度等能满足一般的数控应用要求。
步进电机的控制系统简单、价格低廉。经济型数控系统就是以步进电机为驱动元件。但是，步进电机的动态特性远不如交/直流伺服电机，尤其是其运行的可靠性差。随着数控技术的不断发展，步进电机现在已经使用得较少，只有某些切削速度很低的数控机床（如线切割机床等）仍在使用。
（4）直线电机。直线电机相当于旋转电机的“鼠笼”沿其圆周展开，将旋转电机的定子绕组与移动部件连接在一起，电机的转子与固定部件连接在一起，在驱动装置的控制下实现直线往复运动，这是一种新型的电机。采用直线电机，可直接产生可控的直线运动，省去了丝杠螺母传动机构与运动导轨，缩短传动路线，机床的结构大为简化，同时提高了数控机床的工作特性。
2.伺服系统的分类
（1）开环控制伺服系统。开环控制伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它不需要位置与速度检测元件，也没有反馈电路。开环控制伺服系统由于结构简单、易于调整，稳定性与可靠性容易得到保证，在精度要求不太高的场合得到较广泛的应用。开环控制伺服系统结构如图6-5所示。
图6-5 开环控制伺服系统示意图(www.xing528.com)
（2）闭环控制伺服系统。闭环控制伺服系统通常采用伺服电机作为驱动元件。闭环控制伺服系统将位移传感器与速度传感器安装在工作台或其他执行元件上，直接测量和反馈它们的速度与位置，并与数控装置的位移指令随时进行比较和校正。由于传动系统的刚度、误差和间隙都已经被包含在反馈控制环路以内，所以最终的精度仅仅取决于检测元件的测量误差。闭环控制伺服系统的结构如图6-6所示。
图6-6 半闭环/全闭环控制伺服系统示意图
闭环控制伺服系统将数控机床本身包括在位置控制环之内，因此机械系统引起的误差可由反馈控制得以消除，但数控机床本身固有频率、阻尼、间隙等的影响成为系统不稳定的因素，从而增加了系统设计和调试的困难。故闭环控制伺服系统的特点是精度较高，但系统的结构较复杂、成本高，且调试维修较难，因此适用于大型精密机床。
（3）半闭环控制伺服系统。半闭环控制伺服系统的位置传感器与速度传感器安装在电机的输出端，伺服系统直接控制伺服电机的转速与转角，通过减速器或滚珠丝杠等传动机构间接地控制工作台或其他执行部件的速度与位移。如果传动机构具有足够的刚性、较小的传动误差、间隙可以经数控系统予以补偿，并且具有高精度的机械传动装置，则数控机床的最终加工精度是可以得到保证的。目前，数控机床大多数仍然采用半闭环的控制方式。
3.伺服系统检测元件
检测元件是伺服系统中重要的组成部分。在闭环/半闭环控制伺服系统中，检测元件把位移和速度的测量信息作为反馈信号，送回数控系统与输入指令信号进行比较，使得测量值与输入值之差为0。从而保证机床精确地运动到所要求的位置。因此，检测元件的性能将直接影响数控机床的定位精度和加工精度。检测元件有直线型和旋转型。
（1）直线型检测元件。直线型检测元件主要对机床直线位移量进行检测。如检测数控车床上刀架的直线位移；检测数控铣床上工作台的直线位移等。直线型检测元件直接测量直线位移量的测量精度主要取决于测量元件的精度。磁尺是较常用的直线型检测元件。
直线型检测元件的主要缺点是测量元件要与工作台的行程等长，一般直接安装在工作台的侧面，由于检测元件的热膨胀系数与机床床身的热膨胀系数不同会造成测量误差。另外，为避免加工环境的污染，还要对检测元件进行密封，这给安装、使用、维修都带来困难。产品价格也比较高，因此它的使用受到一定的限制。
（2）回转型检测元件。回转型检测元件通过间接测量工作台直线位移相关的回转运动，来间接取得工作台的直线位移量。通常将回转型检测元件安装在带动工作台运动的丝杠端部，检测元件每旋转一周，工作台移动一个导程的位移，如图6-7所示。这种间接测量不受长度的限制。旋转型检测元件体积小、安装方便。常用的回转型检测元件有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅等。
图6-7 回转型检测元件示意图
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