几种数控系统的分析与研究

摘要：数控系统作为数控机床的重要组成部分，决定了机床的性能和加工精度。本文针对
几种典型的数控系统进行了理论分析与研究，重点介绍了闭环和全闭环数控系统，该研究
结果为机床行业的发展提供了一些理论基础。

关键词：数控机床闭环数控系统全闭环加工精度

　　引言

任何国家、工业和国民经济的发展，最基本的是依靠人员素质、装备精良和资源充足三

者，而工业发展所不可缺少的装备就是机床。机床的优质先进、机床工业的实力强大，对一
国工业和国民经济的加速发展具有极其重大的战略意义。数控机床作为其先进代表，代表了
机床行业发展的方向和未来。所以对机床数控系统进行分析与研究相当重要，具有深远的意
义。

机床数控系统的检测装置和反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普

通机床的刻度和人的眼睛。它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数
控装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。

按有无检测装置，数控系统可以分为开环与闭环数控系统，而按检测装置的安装位置

又可以分为闭环与半闭环数控系统。下面对几种数控系统分别进行分析与研究：

1 开环数控系统

开环数控系统结构简单，没有检测和反馈装置，数控装置发出的指令信号是单向的，

所以不存在系统稳定性问题。因为无位置反馈装置，所以精度不高，其精度主要取决于伺服
系统的性能。开环数控系统具有工作稳定，反应迅速，调试方便，维修简单，价格低廉等优
点，在精度和速度要求不高，驱动力矩不大的场合得到广泛应用。但是长期运行或启动及结
束时易产生丢步和超步的现象，很难提高加工精度。在我国，经济型数控机床一般都采用开
环数控系统。

2 半闭环数控系统

半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置（常用伺服电机）或丝杠引出，通过采样

旋转角度而不是采样运动部件的实际位置进行检测。因此，由丝杠的螺距误差和齿轮间隙引
起的误差难以消除。半闭环数控系统闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可
以获得稳定的控制性能，而机械传动环节带来的误差可用误差补偿的方法消除，因此仍可
以获得比较满意的精度。这种系统结构简单，测试方便，精度也较高，因而在现代数控机床
中得到了广泛的应用。

3 闭环数控系统

　　由于机械传动装置的刚性、摩擦阻尼等非线性因素和传动间隙等都不包括在半闭环伺服
系统环内，因而其大部分传动间隙，

弹性变形，滚珠丝杠螺母的误差及滞后都对机床精度

产生影响。为了解决这些问题，闭环数控系统应运而生。闭环数控系统的位置采样点如图

所示，是从机床运动部件上直接引出，通过采样运动部件的实际位置进行检测，可以消除
整个放大和传动环节的误差、间隙和失动，因而具有很高的位置控制精度。但是由于位置环
内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，
使闭环数控系统的设计、安装和调试都相当困难。闭环数控系统主要应用于精度要求很高的
精镗床、超精车床、超精磨床等。

4 包含工件在内的全闭环数控系统

检测装置采样工作台的实际位置的闭环数控系统，无法在现场环境下根据外部干扰和

随机因素实时动态调整加工余量，从而影响加工精度，尺寸分散性大。包含工件在内的全闭