进给伺服系统

进给伺服系统，是数控机床的重要组成部分。它由伺服驱动电路、伺服驱动装置（电机）、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等部分组成。它的作用是：接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（直流或交流伺服电机、直线电机、功率步进电机、电液伺服阀─液马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件进行工作进给和快速进给。
数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质上的差异，它能根据指令信号自动精确地控制执行部件运动的位移、方向和速度，以及数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。
伺服电机及调速
一、概述
伺服驱动电动机又称为执行电动机，它具有根据控制信号的要求而动作的功能。 由数控系统送出的进给脉冲指令经变换和功率放大后，作为伺服电机的输入量，控制它在指定方向上作一定速度的角位移或直线位移（直线电机）， 从而驱动机床的执行部件实现给定的速度和方向上的位移。伺服驱动电机的性能在很大程度上影响进给伺服系统的性能。它应满足伺服系统的所要求的调速范围宽，精度高，稳定性好，动态响应快，反向死区小，能频繁启、停和正反运动等特性。
在开环进给系统中采用的伺服驱动装置有电液脉冲马达，功率步进电机。在闭环进给系统中，早期多用电液伺服阀-液压马达与小慣量电机，20世纪70年中期以后多用宽调速直流伺服电机。以后交流伺服电机的研究不断取得显著进展，使交流伺服电机取得广泛应用，占据了绝对的优势。
二、步进电机
步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。每当输入一个电脉冲，电动机就转动一定角度前进一步。脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地转动。又因为它输入的既不是正弦交流电，又不是恒定的直流电，而是电脉冲，又称为脉冲电动机。
步进电机由转子和定子两部分组成。转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。当某相定子绕组通以直流电压激磁后，便吸引转子，使转子上的齿与该相定子的对齐，令转子转动一定的角度，依次向定子绕组轮流激磁，会使转子连续旋转。
步进电动机种类繁多，有旋转运动的，直线运动的和平面运动的。从结构看，它分为反应式与激磁式，激磁式又可分为供电激磁式和永磁式两种；按定子数目，可分为单段定子式与多段定子式；按相数，可分为单相，两相，三相和多相。各相绕组可在定子上径向排列，也可在定子的轴向上分段排列。激磁式步进电动机与反应式步进电动机相比，只是转子多了激磁绕组，工作原理与反应式相似。
图8-1所示为单定子径向分相式反应步进电机的断面图。转子上有均匀分布的40个齿，没有绕组。A、B、C三相定子每相两极，每极上有5个齿，与转子一样齿间夹角均为9°。如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在B相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定子齿中心线沿反时针方向滞后1/3齿距，即3°。C相下，转子齿超前6°。因此，当通电状态由A相变为B相时，转子顺时针方向转过3°，C相通电再转3º。步距角为α=360º/（3×40×1）=3°。双拍通电激磁，即按A-AB-B-BC-C-CA-A……的顺序通电激磁，则步距角α=360º/（3×40×2）=1.5°。一般而言
α=360/mzk                                
式中：m——绕组相数；
z——转子齿数，单拍通电k=1，双拍通电k=2。
上图为径向分相式反应步进电机。
如果按上述相反的方向通电，则步进电机将反时针方向旋转。可见，当转子齿数不变，齿距角不变时，若拍数增加一倍，步距角则减少一半。图中，当三相三拍运行时，步距角为3°，三相六拍运行时步距角为1.5°。由式8-1可知，转子齿数与系统对步进电动机要求的步距角有关，也与相数、拍数有关，其值不能任意选取。只要在错开的条件下增加转子齿数z和电源的相数m及运行拍数，就可满足小步距角的要求，如1.2°/0.6°或1.5°/0.75°等。

五相五定子轴向分相反映式步进电机，如图所示。定子和转子都分为5段，呈轴向布置。其上均有16个齿，故齿距为22.5°，各相定子彼此径向错开1/5个齿的齿距（也可以由五段转子彼此径向错开1/5齿距）。如果按A-B-C-D-E-A-……的五相五拍通电，步距角为α=t/5=22.50/5=4.50 ，如果按AB-ABC-BC- BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB-……的十拍通电，则步距角为2.25°。

一、概述
进给伺服系统的任务是控制机床执行部件运动的位移，方向和速度。它由机械传动机构，执行部件以及电气自动控制两大部分组成。前者包括工作台（或刀架），导轨副，滚珠丝杠和传动齿轮等。后者包括伺服电动机，驱动控制，功率放大，检测反馈装置和控制调节器等。按照有无位置检测和反馈环节以及位置检测元件的安装位置来分类，可以将伺服系统分为开环，半闭环和闭环三种类型。在半闭环和闭环系统中，随着科学技术的不断发展，在电路组成与控制方法上又展现出了多种不同的基本方案，如全硬件型系统、软件硬件混合型系统以及全数字（软件）型系统等。下面就对几种典型的进给伺服系统作一介绍。
二、开环进给伺服系统
使用电液脉冲马达或功率步进电机作为伺服驱动装置的开环进给系统，曾在硬线数控上得到广泛的应用。现在国内一些普通机床的数控化改造，仍使用功率步进的开环进给系统。
（一）步进电机开环进给系统的传动计算
图所示为直线进给系统，系统的当量脉冲δ(mm)，取决于步进电机的步距角αº、齿轮传动比i和滚珠丝杠的导程t(mm)，其关系为
                                                   
圆周进给系统，如数控转台；设脉冲当量为δ°，蜗杆为ZK头，蜗轮为ZW齿，则有
                    （8-13）
步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取为0.01或 0.001º，脉冲当量小，进给位移的分辨率和精度就高，但是由于进给速度ν=60fδmm/min 或ω=60fδ/min，在同样的最高工作频率f时，δ越小，则最大进给速度之值也越小。
（二）提高开环进给系统位置精度的方法
开环进给系统中，步进电机的步距角精度，机械传动部件的精度，丝杠、支承的传动间隙及传动支承件的变形等，将直接影响进给精度，为提高系统的精度，应该适当提高系统组成环节的精度，此外，还可采取传动间隙补偿和螺距误差补偿等各种精度补偿措施。
三、脉冲比较进给伺服系统
脉冲比较伺服系统的结构如图8-19所示。整个系统按功能模块大致可分为三部分：采用光电脉冲编码器产生位置反馈脉冲Pƒ；实现指令脉冲Pc与反馈脉冲Pƒ的脉冲比较，以取得位置偏差信号e；以位置偏差e作为速度调节系统。
众所周知，光电编码器与伺服电极的转轴联接后，随着电机的转动产生脉冲序列输出，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。
现设指令脉冲Pc=0，且工作台原来处于静止状态。这时反馈脉冲Pƒ亦为0，经比较环节可知偏差e=Pc-Pƒ=0，则伺服电机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。
当有指令脉冲加入，Pc≠0，但在工作台尚没有移动之前反馈脉冲Pƒ仍为零，经比较判别后可知偏差e≠0。若设Pc>0，则e=Pc-Pƒ=0，应由调速系统驱动工作台向正向进给。随着电机运转，光电编码器将输出的反馈脉冲Pƒ进入比较环节。该脉冲比较环节可以看成是对两路脉冲序列的脉冲数进行比较。按负反馈原理，只有当指令脉冲Pc和反馈脉冲Pƒ的脉冲个数相等时，偏差e=0，工作台才能稳定在指令所规定的位置上。其实，偏差e仍是数字量，若后续调速系统是一个模拟调节系统，则e要经数—模转换后才能成为模拟给定电压。将此偏差电压值加到速度控制单元的输入端，由速度控制单元向伺服电机输送电压信号，驱动伺服电机和执行部件向着消除位置误差的方向运转，以完成某一方向上的一定速度和位移量的运动。
四、全数字进给伺服系统
随着高速数字信号处理器、单片机、大规模集成电路的出现，以及可用逻辑电平控制其通断的电力半导体器件——功率晶体管、功率场效应管的商品化，使得高精度，多功能的全数字进给伺服系统从设想变成现实，并将逐渐成为进给伺服系统的主流。
一种全数字进给伺服系统结构框图如图所示，由脉宽调制（PWM）调速的直流伺服电机驱动，系统同样有位置控制，速度控制和电流控制等控制环节。电流控制器向PWM功率放大器输送逻辑电平型脉冲调宽控制信号，脉冲编码器PG提供位置与速度反馈信号，电流检测器发送电流反馈信号、PWM功率放大器输出可调直流电压驱动直流伺服电机完成位置伺服控制任务。

位置控制、速度控制和电流控制环节的数字（软件）控制运算均由单片微机的CPU来完成，与CNC系统的计算机有双向通讯联系。在系统内部各个环节之间使用同一RAM实行高速通讯处理。各环节可以采用不同的控制调节策略，通过软件可以设定、改变其结构与参数。系统最后输出逻辑电平型的脉宽调制信号，直接送至PWM功率放大器模块，该功率模块上也可以有电机的电流检测和脉冲编码器的中继传送等电路。

在数控机床上两轴联动加工直线、圆弧轮廓工件或加工工件的拐角部位时，伺服进给速度的速度误差和加速度误差特性将引起加工误差。
一、速度误差对加工精度的影响
在数控机床的进给系统中，丝杠和螺母将电机的转速转换成执行部件的位移，这相当于一个积分环节。而系统的其余部分可简化为一个增益是Ks和比例环节。于是进给系统可简化为如图所示的结构。从控制工程的角度看，该系统的特点是它对阶跃位置指令输入的响应没有稳态误差；对阶跃速度，即斜坡位置指令输入，其响应的稳态位置误差为 。xe也称为速度误差，是为了建立速度F所必需的批令位置与实际位置之间的误差。在数控机床进给系统中，输入不是阶跃位置批令，而是斜坡位置指令，即为阶跃速度的位置指令，因此必然存在位置误差。

在同类问题上希望大家多提看法，共同进步！