数控机床的伺服系统应用

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)-½，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

数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，如果发生故障其损失就更大，所以提高数
控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一，其定义为：
产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对数控机床来说，它的规定条件
是指其环境条件、工作条件及工作方式等，例如温度、湿度、振动、电源、干扰强度和操作规

 

程等。这里的功能主要指数控机床的使用功能，例如数控机床的各种机能，伺服性能等。
  
平均故障(失效)间隔时间(MTBF)是指发生故障经修理或更换零件还能继续工作的可修复
设备或系统，从一次故障到下一次故障的平均时间，数控机床常用它作为可靠性的定量