数控机床的伺服系统性能探究 

    数控机床一般由 NC 控制系统、伺服驱动系统和反馈检测系统 3 部分组成。数控机床对
位置系统要求的伺服性能包括：定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精
度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、
动态特性。对闭环系统来说，总希望系统有较高的动态精度，即当系统有一个较小的位置
误差时，机床移动部件会迅速反应。下面就位置控制系统影响数控机床加工要求的几个方

 

面进行论述。

    1 

 

加工精度

    精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定
了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精
度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精
度的要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区
分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。可以说，数控机床
的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。
分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或
大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量，一
般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为
保证。例如，数控机床中常用的直线感应同步器的精度已可达±0.0001mm，即 0.1µm，灵
敏度为 0.05µm，重复精度 0.2µm；而圆型感应同步器的精度可达 0.5N，灵敏度 0.05N，
重复精度 0.1N  

。

    2 

 

开环放大倍数

    在典型的二阶系统中，阻尼系数 x=1/2（KT）-1/2，速度稳态误差 e

∞

（ ）＝1/K，其中

K 为开环放大倍数，工程上多称作开环增益。显然，系统的开环放大倍数是影响伺服系统

 

的静态、动态指标的重要参数之一。

    一般情况下，数控机床伺服机构的放大倍数取为 20～30（1/S）。通常把 K<20 范围的伺
服系统称为低放大倍数或软伺服系统，多用于点位控制。而把 K>20 的系统称为高放大倍

 

数或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。

    假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度，希望阶跃响应不产生振荡，即要求是
取值大一些，开环放大倍数 K 就小一些；若从系统的快速性出发，希望 x 选择小一些，
即希望开环放大倍数～增加些，同时 K 值的增大对系统的稳态精度也能有所提高。因此，
对 K 值的选取是必需综合考虑的问题。换句话说，并非系统的放大倍数愈高愈好。当输入
速度突变时，高放大倍数可能导致输出剧烈的变动，机械装置要受到较大的冲击，有的
还可能引起系统的稳定性问题。这是因为在高阶系统中系统稳定性对 K 值有取值范围的要
求。低放大倍数系统也有一定的优点，例如系统调整比较容易，结构简单，对扰动不敏感，

 

加工的表面粗糙度好。

    3 

 

提高可靠性