伺服系统的工作过程解析

1.伺服系统的概念

CNC装置发出的脉冲信号，必须经过驱动系统的放大，才能由相应的电动机拖动机床的机械部分进行相应的动作。

在数控机床中，这样的系统称为伺服驱动系统，简称伺服系统。伺服系统要求能对机床移动部件的位置和速度进行控制。

2.伺服系统的特点

数控机床的伺服驱动系统特性的优劣，直接影响到机床的切削性能和加工精度。其特点主要表现为：

1）为适应复杂轨迹的加工要求，伺服系统能实时平滑地实现正反向运动，且跟踪响应速度快而超调量小。

2）数控机床加工零件品种多，工艺参数范围大，伺服系统相应地具有有效的、宽的调速范围和优异的调整特性。

3）数控机床高的自动化程度，要求伺服系统适应负载变化的能力强，有良好的静态刚度和动态刚度。

3.伺服系统的类型

按有无检测元件和反馈环节，伺服系统可分为开环、全闭环和半闭环系统，如图1-6所示。

图1-6 伺服系统类型

a）开环系统 b）半闭环系统 c）全闭环系统

（1）开环系统 开环系统的特点是无位置反馈装置，常用步进电动机作为伺服系统执行元件。在该类系统中，CNC装置输出脉冲经步进驱动器的软件或硬件的环形分配处理，经功率放大后，由步进电动机以角位移的形式传动给机床的旋转丝杠，经螺母将角位移转换成直线位移，即数控装置经过控制运算发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电动机转动一定的角度，步进电动机驱动丝杠推动工作台移动一定的距离。

开环系统的优点是结构简单，工作稳定，制造成本低，缺点是各传动过程中的误差得不到消除，从而最终影响加工零件的精度。

（2）全闭环系统 全闭环系统的特点是机床移动部件上直接安装有直线位移检测装置，检测装置将检测到的实际位移反馈到系统的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，系统用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，从而实现精确定位与运动控制。

从理论上说，全闭环系统的优点是其运动精度仅取决于检测精度。一个优良的全闭环系统能对传动系统的间隙、磨损等进行自动补偿，其加工精度是非常高的。全闭环系统的缺点是系统稳定性较差。各种干扰因素不能超出一定范围，否则会引起系统的振荡。

全闭环系统的结构比较复杂，调试维修的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。

（3）半闭环系统 半闭环系统的特点是将角位移传感器装在传动丝杠或伺服电动机上，它检测的是转角信号。角位移信号反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止，从而实现了从CNC装置到电动机转角间的闭环自动调节。(www.xing528.com)

半闭环系统的优点是系统稳定性好，精度控制适中，缺点是所组成的控制环不包括机械传动链，故精度相对于全闭环要低。

半闭环系统所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，稳定性高于全闭环系统，为大多数中小型数控机床所采用。

4.驱动执行元件

不同类型的伺服系统，其执行元件也不同。从发展过程来分，传统的执行元件有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。

（1）步进电动机

1）步进电动机的种类和工作原理。步进电动机是一种由脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行元件。在经济型数控机床的进给驱动系统中，步进电动机是开环控制的主要执行元件。

图1-7所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理图。它的定子上有3相6个极，每个极上装有线圈绕组。转子是4个均匀分布，没有线圈的齿。当U相线圈通电时，由电磁原理，将使转子齿1、3和定子极U、U′对齐。当U相断电，V相通电时，转子将在空间转过α角，α角称为步距角，此时α=30°，此时转子齿2、4和定子极V、V′对齐。同样，V相断电，W相通电，转子又转过30°角。依次按U—V—W—U的顺序循环通电，步进电动机就按一定的方向转动，其电源的通断和顺序，由其专门的驱动电路或数控系统的软件来完成。

图1-7 步进电动机的工作原理图

a）U相通电 b）V相通电 c）W相通电

电动机定子线圈每改变一次通电方式，称为一拍。每次通电只有一相线圈得电时称为单拍。如果每次通电时有两相线圈得电，则称为双拍，所以有3相3拍和3相6拍之分。步进电动机常见的有2相4拍、3相6拍、4相8拍、5相10拍等。显然，在相同条件下，相数越多，步距角越小。

在实际使用的步进电动机中，定子和转子一般都做成有若干均布小齿组成的形式，定子、转子的齿相错一定的齿距，这样可大大减小步距角。步距角越小，步进电动机的分辨率就越高，控制机床的精度也就越高。

2）步进电动机的特性。步进电动机的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速，即机床进给的速度。

由于其自身的特点，步进电动机一般不能承受大力矩的作用，即步进电动机的功率相对较小，其主要适用于载荷较小的场合，而在使用过程中，步进电动机的工作频率直接影响机床的进给速度，所以步进电动机的起动频率较低，连续工作频率相对较高，但反映到进给速度，步进电动机控制的数控机床G00的速度也就在每分钟几米这样的范围。

（2）伺服电动机 直流伺服电动机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。但由于直流伺服电动机需定期清理维修电刷和换向器，所以使用不便。

现在市场上档次较高的数控机床，一般使用交流伺服电动机，它克服了直流伺服电动机在结构上存在的缺点，且坚固耐用，经济可靠。

伺服电动机一般直接配备测速发电机和脉冲编码器，检测信号反馈后即可构成半闭环系统。