数控机床伺服进给系统的基本形式

5.1.1　数控机床伺服进给系统的基本形式

数控机床所采用的伺服进给系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制以及混合控制四种。

无位置反馈装置的伺服进给系统称为开环控制系统。使用步进电动机（包括电液脉冲马达）作为伺服执行元件是其最明显的特点。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制了步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置（或直接连接）带动了丝杠旋转，通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。图5-1a为开环控制伺服驱动系统的结构原理图。

图5-1　伺服驱动结构示意图

采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本较低，但是，由于系统对移动部件的实际位移量不进行检测，因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正。另外，步进电动机的步距角误差、齿轮与丝杠等部件的传动误差，最终都将影响被加工零件的精度：特别是在负载转矩超过电动机输出转矩时，将导致步进电动机的“失步”，使加工无法进行。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床。

半闭环控制数控机床的特点是：机床的传动丝杠或伺服电动机上装有角位移检测装置（如：光电编码器等），通过它可以检测电动机或丝杠的转角，从而间接地检测移动部件的位移。角位移信号被反馈到数控装置或伺服驱动中，实现了从位置给定到电动机输出转角间的闭环自动调节。同样，由于伺服电动机和丝杠相连，通过丝杠可以将旋转运动转换为移动部件的直线位移，因此，间接地控制了移动部件的移动速度与位移量。这种结构只对电动机或丝杠的角位移进行了闭环控制，没有实现对最终输出的直线位移的闭环控制，故称为“半闭环”控制系统。

采用半闭环控制系统的数控机床，电气控制与机械传动间有明显的分界，因此调试、维修与故障诊断较方便，且机械部分的间隙、摩擦死区、刚度等非线性环节都在闭环以外，因此系统的稳定性较好。伺服电动机和光电编码器通常做成一体，电动机和丝杠间可以直接连接或通过减速装置连接；位置检测单位和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数（通常被称为“电子齿轮比”）进行设置。它具有传动系统简单、结构紧凑、制造成本低、性能价格比高等特点，从而在数控机床上得到了广泛应用。

图5-1（b）、（c）为半闭环控制数控机床伺服驱动部分的结构原理图。图5-1（b）为伺服电动机内装编码器的情况，图5-1（c）为编码器安装于丝杠上的情况。

闭环控制数控机床的特点是：机床移动部件上直接安装有直线位移检测装置，检测装置检测最终位移输出量。实际位移值被反馈到数控装置或伺服驱动中，它可以直接与输入的指令位移值进行比较，用误差进行控制，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上说，对于这样的闭环系统，其运动精度仅取决于检测装置的检测精度，它与机械传动的误差无关，显然，其精度将高于半闭环系统。而且它可以对传动系统的间隙、磨损能自动补偿，其精度保持性要比半闭环系统好得多。图5-1（d）为闭环控制数控机床伺服驱动部分的结构原理图。

由于闭环控制系统的工作特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡。

解决以上问题的最佳途径是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现了所谓的“零传动”。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度，快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。

从原理上来说，数控机床的伺服系统应包括从位置指令脉冲给定到实际位置输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电动机、检测元器件等部分。但在很多系统中，为了制造方便，通常将伺服系统的位置控制部分与CNC装置制成一体，所以，人们平时习惯上所说的机床伺服进给系统，一般是指伺服进给系统的速度控制单元、伺服电动机、检测元器件部分，而不包括位置控制部分。

按伺服进给系统使用的伺服电动机类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分直流伺服驱动和交流伺服驱动两大类。在20世纪70年代至80年代的数控机床上，一般均采用直流伺服驱动；从80年代中、后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。

直流伺服驱动系统一般按其主回路采用的功率放大元器件类型，又分“晶闸管调速方式”（简称为SCR速度控制系统）和“晶体管脉宽调制调速方式”（简称PWM速度控制系统）两类。在控制上可以采用模拟量控制或数字量控制，因此，在某些场合还可以分为模拟式与数字式两种类型。

交流伺服系统一般均采用PWM调制信号控制功率晶体管进行驱动放大的主回路，并按其指令信号与控制型式，分为模拟式伺服与数字式伺服两类。初期的交流伺服系统一般是模拟式伺服系统，而目前使用的交流伺服通常都是采用数字量控制的全数字式交流伺服系统。