数控机床伺服系统类型分类之研究

摘要：数控机床的种类很多，其分类方法也很多。其中以伺服系统类型的分类对数控机床的内在结构分析最为详细。伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电动机）组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个做进给运动的执行部件都配有一套伺服驱动系统。

关键词：数控机床 分类 伺服系统 电动机 脉冲 开环 闭环 半闭环 检测元件

伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电动机）组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个做进给运动的执行部件都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统有开环、半闭环和闭环之分。在半闭环和闭环伺服驱动系统中，使用位置检测装置间接或直接测量执行部件的实际进给位移，然后与指令位移进行比较，最后按闭环原理将其差值转换放大后控制执行部件的进给运动。

一.开环数控机床

开环数控机床采用开环进给伺服系统。开环控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机，如图1所示。数控系统每发出一个进给指令脉冲，经驱动电路功率放大后，驱动步进电动机旋转一个角度，再经传动机构带动工作台移动。这类系统信息流是单向的，即进给脉冲发出去以后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制。

开环控制系统的优点是结构较简单、成本较低、技术容易掌握。但是，由于受步进电动机的步距精度和传动机构的传动精度的影响，难以实现高精度的位置控制，进给速度也受步进电动机工作频率的限制。因此开环数控机床一般适用于中、小型控制系统的经济型数控机床，特别适用于旧机床改造的简易数控机床。

二.闭环数控机床

闭环数控机床的进给伺服系统是按闭环原理工作的。闭环控制系统如图2所示。这类控制系统带有直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移量进行检测。伺服驱动部件通常采用直流伺服电动机和交流伺服电动机。图中的A为速度测量元件，C为位置测量元件。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值进行比较，用比较后得出的差值进行位置控制，直到差值为零时为止。这类控制系统，因为把机床工作台纳入了控制环节，所以称为闭环控制系统。该系统的优点是可以消除包括工作台传动链在内的传动误差，因而定位精度高。其缺点是由于工作台惯性大，对机床结构的刚性、传动部件的间隙及导轨副的灵敏性等都提出了严格的要求，否则对系统稳定性会带来不利的影响。同时，调试和维修都较困难，系统复杂，成本高，一般适用于精度要求高的数控机床，如数控精密镗铣床。

三.半闭环数控机床

半闭环控制系统如图3所示。这类控制系统与闭环控制系统的区别在于它采用了角位移检测元件，检测反馈信号不是来自工作台，而是来自与电动机相联系的角位移检测元件B。通过测速发电机A和光电编码盘（或旋转变压器）B间接检测出伺服电动机的转角，推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用其差值来实现控制。从图3中可以看出，由于工作台没有包括在控制回路中，因而称之为半闭环控制。这类控制系统的伺服驱动部件通常采用宽调速直流伺服电动机，目前已将角位移检测元件与电动机设计成一个整体，使系统结构简单、调试方便。半闭环控制系统的性能介于开环与闭环之间，其精度没有闭环控制系统高，调试却比闭环控制系统方便，因而得到广泛应用。

四.研究结论

1 开环控制系统的优点是结构较简单、成本较低、技术容易掌握。

开环数控机床一般适用于中、小型控制系统的经济型数控机床，特别适用于旧机床改造的简易数控机床。

2 闭环数控机床可以消除包括工作台传动链在内的传动误差，因而定位精度高。其缺点是由于工作台惯性大，对机床结构的刚性要求高。同时，调试和维修都较困难，系统复杂，成本高，一般适用于精度要求高的数控机床，如数控精密镗铣床。

3半闭环控制系统的性能介于开环与闭环之间，其精度没有闭环控制系统高，调试却比闭环控制系统方便，因而得到广泛应用。■

参考文献

[1] 魏杰《数控机床编程与操作》电子工业出版社2012-07

[2] 杨琳《数控车床加工工艺与编程》中国劳动社会保障出版社2009-06

[3]《数控机床编程与操作》北京理工大学出版社2010-11