【圖】數控伺服系統組成及原理介紹
(2023/6/6 11:00:00)
數控伺服系統組成及原理介紹
數控伺服系統組成及原理介紹
伺服系統是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統。它接受來自數控裝置的進給指令信號，經變換、調節和放大后驅動執行件，轉化為直線或旋轉運動。伺服系統是數控裝置(計算機)和機床的聯系環節，是數控機床的重要組成部分。
數控機床伺服系統又稱為位置隨動系統、驅動系統、伺服機構或伺服單元。
該系統包括了大量的電力電子器件，結構復雜，綜合性強。
進給伺服系統是數控系統主要的子系統。如果說C裝置是數控系統的“大腦”，是發布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統則是數控系統的“四肢”，是一種“執行機構”。它忠實地執行由CNC裝置發來的運動命令，精確控制執行部件的運動方向，進給速度與位移量。
一、伺服系統的組成
組成：伺服電機
驅動信號控制轉換電路
電子電力驅動放大模塊
位置調節單元
速度調節單元
電流調節單元
檢測裝置
一般閉環系統為三環結構：位置環、速度環、電流環。
位置、速度和電流環均由：調節控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅動裝置由驅動信號產生電路和功率放大器組成。
嚴格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。
二、對伺服系統的基本要求
1．精度高
伺服系統的精度是指輸出量能復現輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。
2．穩定性好
穩定是指系統在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態。直接影響數控加工的精度和表面粗糙度。
3．快速響應
快速響應是伺服系統動態品質的重要指標，它反映了系統的跟蹤精度。
4．調速范圍寬
調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。0～24m / min。
5．低速大轉矩
進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內都要保持這個轉矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，能提供較大轉矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。
對伺服電機的要求：
（1）調運范圍寬且有良好的穩定性，低速時的速度平穩性
（2）電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。
（3）反應速度快，電機必須具有較小的轉動慣量、較大的轉矩、盡可能小的機電時間常數和很大的加速度 (400rad / s2以上)。
（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉。
三、伺服系統的分類
1．按調節理論分類
（1）開環伺服系統
（2）閉環伺服系統
（3）半閉環伺服系統
開環數控系統
沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數控裝置→進給系統），故系統穩定性好。
無位置反饋，精度相對閉環系統來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統和機械傳動機構的性能和精度。
一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。
這類系統具有結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數控機床。
半閉環數控系統
半閉環數控系統的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。
半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可獲得穩定的控制性能，其系統的穩定性雖不如開環系統，但比閉環要好。
由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環差，較開環好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。
半閉環數控系統結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。
全閉環數控系統
全閉環數控系統的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。
從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。
由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統的不穩定，使閉環系統的設計、安裝和調試都相當困難。
該系統主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。
2．按使用的執行元件分類
（1）電液伺服系統電液脈沖馬達和電液伺服馬達。
優點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數小、反應快和速度平穩。
缺點：液壓系統需要供油系統，體積大。噪聲、漏油。
（2）電氣伺服系統伺服電機（步進電機、直流電機和交流電機）
優點：操作維護方便，可靠性高。
1）直流伺服系統進給運動系統采用大慣量寬調速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統采用他激直流伺服電機。優點：調速性能好。缺點：有電刷，速度不高。
2）交流伺服系統交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統）。優點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環境下工作。動態響 應好、轉速高和容量大。
3．按被控對象分類
（1）進給伺服系統指一般概念的位置伺服系統，包括速度控制環和位置控制環。
（2）主軸伺服系統只是一個速度控制系統。
4．按反饋比較控制方式分類
（1）脈沖、數字比較伺服系統
（2）相位比較伺服系統
（3）幅值比較伺服系統
數控伺服系統組成及原理介紹
伺服系統是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統。它接受來自數控裝置的進給指令信號，經變換、調節和放大后驅動執行件，轉化為直線或旋轉運動。伺服系統是數控裝置(計算機)和機床的聯系環節，是數控機床的重要組成部分。
數控機床伺服系統又稱為位置隨動系統、驅動系統、伺服機構或伺服單元。
該系統包括了大量的電力電子器件，結構復雜，綜合性強。
進給伺服系統是數控系統主要的子系統。如果說C裝置是數控系統的“大腦”，是發布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統則是數控系統的“四肢”，是一種“執行機構”。它忠實地執行由CNC裝置發來的運動命令，精確控制執行部件的運動方向，進給速度與位移量。
一、伺服系統的組成
組成：伺服電機
驅動信號控制轉換電路
電子電力驅動放大模塊
位置調節單元
速度調節單元
電流調節單元
檢測裝置
一般閉環系統為三環結構：位置環、速度環、電流環。
位置、速度和電流環均由：調節控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅動裝置由驅動信號產生電路和功率放大器組成。
嚴格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。
二、對伺服系統的基本要求
1．精度高
伺服系統的精度是指輸出量能復現輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。
2．穩定性好
穩定是指系統在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態。直接影響數控加工的精度和表面粗糙度。
3．快速響應
快速響應是伺服系統動態品質的重要指標，它反映了系統的跟蹤精度。
4．調速范圍寬
調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。0～24m / min。
5．低速大轉矩
進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內都要保持這個轉矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，能提供較大轉矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。
對伺服電機的要求：
（1）調運范圍寬且有良好的穩定性，低速時的速度平穩性
（2）電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。
（3）反應速度快，電機必須具有較小的轉動慣量、較大的轉矩、盡可能小的機電時間常數和很大的加速度 (400rad / s2以上)。
（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉。
三、伺服系統的分類
1．按調節理論分類
（1）開環伺服系統
（2）閉環伺服系統
（3）半閉環伺服系統
開環數控系統
沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數控裝置→進給系統），故系統穩定性好。
無位置反饋，精度相對閉環系統來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統和機械傳動機構的性能和精度。
一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。
這類系統具有結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數控機床。
半閉環數控系統
半閉環數控系統的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。
半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可獲得穩定的控制性能，其系統的穩定性雖不如開環系統，但比閉環要好。
由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環差，較開環好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。
半閉環數控系統結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。
全閉環數控系統
全閉環數控系統的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。
從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。
由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統的不穩定，使閉環系統的設計、安裝和調試都相當困難。
該系統主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。
2．按使用的執行元件分類
（1）電液伺服系統電液脈沖馬達和電液伺服馬達。
優點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數小、反應快和速度平穩。
缺點：液壓系統需要供油系統，體積大。噪聲、漏油。
（2）電氣伺服系統伺服電機（步進電機、直流電機和交流電機）
優點：操作維護方便，可靠性高。
1）直流伺服系統進給運動系統采用大慣量寬調速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統采用他激直流伺服電機。優點：調速性能好。缺點：有電刷，速度不高。
2）交流伺服系統交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統）。優點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環境下工作。動態響 應好、轉速高和容量大。
3．按被控對象分類
（1）進給伺服系統指一般概念的位置伺服系統，包括速度控制環和位置控制環。
（2）主軸伺服系統只是一個速度控制系統。
4．按反饋比較控制方式分類
（1）脈沖、數字比較伺服系統
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