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數控機床伺服進給系統的基本形式
日期：2010年10月25 來源：沈陽機床（集團） 關鍵字：數控機床
數控機床所采用的伺服進給系統按控制系統的結構可以分為開環控制、閉環控制、半閉環控制以及混合控制4種。
無位置反饋裝置的伺服進給系統稱為開環控制系統。使用步進電動機（包括電渡脈沖馬達）作為伺服執行元件，是其最明顯的特點。在開環控制系統中，數控裝置輸出的脈沖'經過步進驅動器的環形分配器或脈沖分配軟件的處理，在驅動電路中進行功率放大后控制步進電動機，最終控制了步進電動機的角位移。步進電動機再經過減速裝置（或直接連接）帶動了絲杠旋轉，通過絲杠將角位移轉換為移動部件的直線位移。因-' la制步進電動機的轉角與轉速，就可以間接控制移動部件的移動速度與位移量。5一la為開環控制伺服驅動系統的結構原理圖。
采用開環控制系統的鼓控機床結構簡單，制造成本較低，但是由于系統對移動部件的實際位移量不進行檢測，因此無法通過反饋自動進行誤差檢測和校正。另外，步迸電動機的步距角誤差、齒輪與絲杠等部件的傳動誤差，最終都將影響被加工零件的精度；特別是在負載轉矩超過電動機輸出轉矩時，將導致步進電動機的“失步”，使加工無法進行。因此'開環控制僅適用于加I精度要求不高，負載較輕且變化不大的簡易、經濟型數控機床上。
半閉環控制數控機床的特點是：機床的傳動絲杠或伺服電動機上裝有角位移檢測裝置（如：光電編碼器等），通過它可以檢測電動機或絲杠的轉角，從而間接地檢測了移動部件的位移。角位移信號被反饋到數控裝置或伺服驅動中，實現了從位置給定到電動機輸出轉角間的閉環自動訶節。同樣，由于伺服電動機和絲杠相連，通過絲杠可以將旋轉運動轉換為移動部件的直線位移，因此間接地控制了移動部件的移動速度與位移量。這種結構只對電動機或絲杠的角位移進行了閉環控制，沒有實現對最終輸出的直線位移的閉環控制，故稱為“半閉環”控制系統。
采用半閉環控制系統的數控機床，電氣控制與機械傳動間有明顯的分界，因此調試、維修與故障診斷較方便；且機械部分的間隙、摩擦死區、剮度等非線性環節都在閉環咀外，因此系統的穩定性較好。伺服電動機和光電編碼器通常做成一體，電動機和絲杠間可以直接聯接或通過減速裝置聯接；位置檢測單位和實際最小移動單位間的匹配，可以通過數控系統的參數（通常被稱為“電子齒輪比”）進行設置。它具有傳動系統簡單、結構緊湊、制造成本低、陛能價格比高等特點，從而在數控機床上得到了廣泛應用。
圖5-lh、c為半閉環控制數控機床伺服驅動部分的結構原理圖。圖5 - lb為伺服
電動機內裝編碼器的情況，圖5 -1c為編碼器安裝于絲杠上的情況。
閉環控制數控機床的特點是：機床移動部件上直接安裝有直線位移檢測裝置，檢測裝置檢測最終位移輸出量。實際位移值被反饋到數控裝置或伺服驅動中，它可以直接與輸入的指令位移值進行比較，用誤差進行控制，最終實現移動部件的精確運動和定位。從理論上說，對于這樣的閉環系統，其運動精度僅取決于檢測裝置的檢測精魔，它與機械傳動的誤差無關，顯然，其精度將高于半閉環系統。而且它可以對傳動系統的間隙、磨損能自動補償，其精度保持性要比半閉環系統好得多。圖5 - Id為閉環控制數控機床伺服驅動部分的結構原理圖。
由于閉環控制系統的工作特點，它對機械結構以及傳動系統的要求比半閉環更高，傳動系統的剮度、間隙、導軌的爬行等各種非線性因素將直接影響系統的穩定性，嚴重 時甚至產生振蕩。
解決以上問題的最佳途徑是采用直線電動機作為驅動系統的執行器件。采用直線電動機驅動，可以完全取消傳動系統中將旋轉運動變為直線運動的環節，大大簡化機械傳動系統的結構，實現了所謂的“零傳動”。它從根本上消除了傳動環節對精度、剛度、快速性、穩定性的影響，故可以獲得比傳統進給驅動系統更高的定位精度、快進速度和加速度。
從原理上說，數控機床的伺服系統應包括從位置指令脈沖給定到實際位置輸出的全部環節，即包括位置控制、速度控制、驅動電動機。檢測元器件等部分。但在很多系統中，為了制造方便，通常將伺服系統的位置控制部分與CNC裝置制成一體，所以，人們平時習慣上所說的機床伺服進給系統，一般是指伺服進給系統的速度控制單元、伺服電動機、檢測元器件部分，而不包括位置控制部分。
按伺服進給系統使用的伺服電動機類型，半閉環、閉環數控機床常用的伺服進給系統可以分直流伺服驅動和交流伺服驅動兩大類。在20世紀70年代至80年代的數控機床上，一般均采用直流伺服驅動：從80年代中、后期起，數控機床上多采用交流伺服驅動。
直流伺服驅動系統一般按其主回路采用的功率放大元器件類型，又分“晶閘管調速方式”（簡稱為SCR速度拉制系統）和“晶體管脈寬調制調速方式”（簡稱PWM速度控制系統）兩類。在控制上可以采用模擬量控制或數字量控制，因此，在某些場合還可以分為模擬式與數字式兩種類型。
交流伺服系統一般均采用PWM調制信號控制功率晶體管進行驅動放大的主回路，并按其指令信號與控制型式，分為模擬式伺服與數字式伺服兩類。初期的交流伺服系統一般是模擬式伺服系統，而目前使用的交流伺服通常都是采用數字量控制的全數字式交流伺服系統。
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