第五章数控机床的伺服系统机床伺服系统是指以机械位置或角度作为被控参数的自动控制系统，有时也称为随动系统或伺服机构。在数控机床中，伺服系统接受来自插补器的进给脉冲，经变换放大后转化为机床工作台的位移。伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；开环伺服系统和闭环伺服系统。步进式伺服系统步进电机工作原理(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的步距角；(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；(3)步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；(4)步进电机的步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式K有关，可用下式表示：式中，三相三拍时K=1；三相六拍时K=2。如前图所示的步进电机，若转子齿数z＝40，以三相三拍通电时，步距角为若以三相六拍通电方式工作时，步距角为步进电机的类型及结构目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机，如图所示。这是一台典型的单定子径向分相的三相反应式步进电机的结构原理图多定子轴向分相式五相步进电机结构原理图步进电机的主要特性步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5o~3o度。通常，步进角越小，加工精度越高。启动频率步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率．当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。(3)连续运行的最高工作频率fmax步进电机连续运行时保证不丢步的极限频率fmax称为最高工作频率。(4)加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。步进系统原理框图1．工作台位移量的控制进给脉冲数N→定子绕组通电状态变化次数N→步进电机转子的转角→工作台位移量L2．工作台进给速度的控制进给脉冲的频率f→定子绕组通电状态的变化频率f→步进电机转子的转速→工作台进给速度v3．工作台运动方向的控制步进电机定子绕组的通电顺序→步进电机正转或反转→工作台的进给方向步进电机的驱动控制线路1．脉冲混合电路无论是数控装置送来的插补进给信号、齿补信号，还是手动进给、手动回原点信号等等，这些信号的目的无非是要使工作台正向进给和反向进给，因此首先应将这些信号混合为使工作台正向运行的“正向进给”信号或使之反向运行的“反向进给”信号。这就是脉冲混合电路的作用。2．加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路的作用，是将正反向进给脉冲，根据步进电机的原转向和可逆计数器的存数状态，决定脉冲进入可逆计数器时，应作加法计数还是减法计数。若步进电机正转，输入正向进给脉冲：步进电机反转，输入反向进给脉冲，此时不管可逆计数器是否全为零，均作加法计数。而当可逆计数器非全零时，步进电机正转，输入反向进给脉冲；步进电机反转，输入正向进给脉冲，均作减法计数。3．加减速电路(自动升降速电路)步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲电流的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速电路缓冲后，再进入步进电机绕组，使步进电机工作正常可靠。这就是加减速电路的作用。4．环形分配器环形分配器的作用是把来自加减速的一串进给脉冲按一定规律分成若干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使其正向运转或反相运转。5.功率放大器从环形分配器来的脉冲电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因此需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功率驱动两部分组成。前置放大器是为了放大环形分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱动部分而设置的，一般可根据要求选择一个适当的集成元件；大功率驱动部分进一步将前置放大器送来的脉冲电流信号放大，得到步进电机各相绕组所需的脉冲电流。它既要控制步进电机各相绕组的通断电，又要起功率放大的作用，因而它是步进电机驱动线路中很重要的一部分。通常采用大功率晶体管、快速可控硅或可关断可控硅。提高步进系统精度的措施1．细分线路所谓细分线路，就是把步进电机的一步再分得细一些，来减小步距角。2．齿距误差和反向间隙补偿3．混合伺服系统两种控制线路刀具轨迹比较混合伺服系统鉴相式伺服系统组成1．基准信号发生器2．脉冲调相器3．测量元件及信号处理线路4．鉴相器5．直流放大器6．执行元件鉴相式伺服系统框架1．脉冲调相器脉冲调相器是将脉冲数量