第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
4.1 概述
4.2 进给驱动
4.3 主轴驱动
4.4 检测元件
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?4,1概述
?4.1.1伺服系统的基本概念
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?在数控机床中，伺服系统是以机床的
移动部件（如工作台）的位置和速度
作为控制量的自动控制系统。它又称
为随动系统或伺服机构。 CNC控制
器经过插补运算生成的进给脉冲或进
给位移量指令输入到伺服系统，由伺
服系统驱动机械执行部件，带动机床
工作台的位移和主轴的运动。伺服系
统作为数控机床的重要组成部分，其
本身的性能直接影响了整个数控机床
的精度和速度等技术指标。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?数控机床的伺服系统主要有两种：
进给伺服系统和主轴伺服系统，
进给伺服系统是一种高精度的位
置跟踪与定位系统。它的性能决
定了数控机床的最大进给速度，
定位精度等。主轴伺服系统控制
机床主轴的旋转运动，随着高速
加工技术的发展，对主轴伺服系
统的要求也越来越高。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?4.1.2对伺服系统的基本要求
?随着数控技术的不断发展，数控机床
对伺服系统提出了很高的要求。一般
对伺服系统有如下要求：
?（ 1）精度高、伺服系统要具有较好
的定位精度和轮廓加工精度，定位精
度一般为 0.01— 0.001mm，甚至
0.1um.。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?（ 2）快速响应，为了提高生产率和
保证加工精度，要求伺服系统跟踪
指令信号的响应要快。这一方面要
求过渡过程时间短，一般在 200ms
以内，甚至小于几十毫秒；另一方
面要求超调小，否则将形成过切，
影响加工质量。同时，要求系统的
相对稳定性好，当系统受到干扰时，
振荡小，恢复时间快。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?（ 3）调速范围宽，
?在数控机床中，要求进给伺服系统的速
度达到 1-24000mm/min的范围，要求速
度均匀、稳定、无爬行、速降小。在零
速时，要求电机有电磁转矩，以维持定
位精度。对主轴伺服系统一般要求
1:100—— 1000范围内的恒转矩调速和 1：
10以上的恒功率调速，且有足够大的输
出功率。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?随着高速加工技术的发展，要求
主轴具有更高的转速，如当前国
内外生产的电主轴，最高转速从
10000r /min到 150000r/min.
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?4.1.3伺服控制系统的分类
?1．按控制方式分类
?按控制方式分类，位置控制系统
可分为开环、半闭环和闭环三种。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?开环数控系统结构示意图
第
四
章
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控
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床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
闭环和半闭环
数控系统结构示意图
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?4.2进给驱动
4.2.1步进电动机驱动控制系统
步进电动机的驱动伺服系统前已述
及，加到步进电动机的定子绕组上
的电脉冲信号，是由步进电动机的
驱动控制器给出的，驱动控制器由
环形分配器和功率放大器两部分组
成。在许多 CNC系统中，环形分配
器的功能由软件产生，在这种情况
下，驱动器就不包括环形分配器。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
三相硬件环形分配器的驱动控制示
意图
第
四
章
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床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
4.2.2直流速度控制单元
第
四
章
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运
动
控
制
与
位
置
检
测
4.2.3交流电动机速度控制单元
第
四
章
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机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?4.3 主轴驱动
?4.3.1对主轴驱动的要求
?随着数控技术的不断发展，传统的主轴
驱动已不能满足数控技术的需要。现代
数控机床对主轴传动系统提出了更高的
要求，具体要求为：
?（ 1）对功率的要求：要求主轴电动机有
2.2～ 250kw的功率范围，即要能输出大
的功率，又要求主轴结构简单。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?（ 2）宽调速范围：数控机床主轴驱动系
统要求在 1,100～ 1000范围内进行恒转
矩和 1,10的恒功率调速，而且要求主轴
在正、反向转动时，均可进行加减速控
制，即要求具有四象限驱动能力。
?（ 3）定位准停功能,为了使数控车床具
有螺纹切削功能，要求主轴能与进给驱
动实行同步控制；在加工中心上，为了
自动换刀，还要求主轴具有高精度的准
停功能。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
4.3.2直流主轴驱动系统
第
四
章
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控
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床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
4.3.3交流主轴驱动系统
?交流主轴电动机与交流进给用伺服
电动机不同，交流主轴电动机一般
采用交流感应电动机，交流感应电
动机从结构上分有带换向器和不带
换向器两种，通常采用不带换向器
的三相感应电动机（也称笼型电动
机或异步电动机）。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?一般交流主轴电动机是专门设计的，
为了增加输出功率，缩小电动机的
体积，都采用定子铁心在空气中直
接冷却的方法，没有机壳，而且在
定子铁心上作有轴向孔以利通风等。
这类电机轴的尾部都同轴安装有测
速发电机或脉冲编码器等检测元件。
第
四
章
数
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床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
变频调速有下面三种控制方式：
第
四
章
数
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床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
4.4 检测元件
?4.4.1位置检测元件的要求及分类
?检测元件是数控机床闭环伺服系统的重
要组成部分，它的作用是检测位移、角
位移和速度的实际值，把反馈信号传送
回数控装置或伺服装置，构成闭环控制。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?闭环数控系统的加工精度主要由
检测环节的精度决定，而检测环
节的精度是通过检测传感器的分
辨率来体现的。分辨率不仅取决
于检测传感器本身，也取决于测
量转换电路。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?数控机床对检测元件的主要要求有：
?（ 1）工作可靠，抗干扰性强；
?（ 2）满足测量精度，检测速度和测
量范围的要求；
?（ 3）易于实现高速的动态测量和处
理，易于实现自动化；
?（ 4）使用维护方便，适合机床的工
作环境，成本低。
第
四
章
数
控
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运
动
控
制
与
位
置
检
测
?常用的检测元件
?旋转变压器、
?脉冲编码器、绝对式编码器、
?直线光栅、圆光栅、
?直线感应同步器、
?磁尺，
?激光干涉仪等。
第
四
章
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运
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控
制
与
位
置
检
测
?4.4.2脉冲编码器
?脉冲编码器是一种旋转式测量元件，
通常装在被检测轴上，随被测轴一
起转动，可将被测轴的角位移转换
成增量脉冲或绝对式的数字代码。
在数控机床上它通常与驱动电动机
同轴联接，属间接式测量元件。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?脉冲编码器根据内部结构和检测
方式分类，可分为接触式、光电
式和电磁式三种。
?按照编码方式可分为绝对式编码
和增量式编码两种。
?在数控机床上大多采用光电式增
量脉冲编码器。下面分别介绍绝
对式编码和增量式编码的编码器
结构及工作原理。
第
四
章
数
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机
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运
动
控
制
与
位
置
检
测
?1,绝对式编码器
?绝对值编码器是一种直接编码的检测元
件，它通过读取码盘上的图案来表示轴
的绝对位置，没有累积误差，电源切除
后，信息位置不丢失。从编码器使用的
计数制分，有二进制码、二进制循环码
（格雷码）、二 -十进制码等。绝对式
编码器按结构原理分，也有接触式、光
电式和电磁式三类。在这里以接触式为
例进行介绍
第
四
章
数
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控
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与
位
置
检
测
第
四
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床
运
动
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制
与
位
置
检
测
?码道的圈数就是二进制数的位数，
若是 n位二进制码盘，就有 n圈码道，
且周围均分为 2n等分，即共有 2n个数
据分别表示码盘所转动到的不同位
置。
?二进制码盘的分辨角 = 360° /2n
?分辨率 =1/2n
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?显然，位数 n越大，所能分辨的角度越小，
测量精度就越高。若要求位数更高，则
采用组合码盘，一个粗计数码盘，一个
精计数码盘，精计数码盘转一圈，粗计
数码盘依次转一格。如果一个组合码盘
是由两个 8位二进制码盘组合而成的，那
么便可以得到相当于 16位的二进制码盘，
这就使测量精度大大提高，但结构相当
复杂。
第
四
章
数
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机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?2．增量式编码器
?增量式编码器俗称脉冲编码器，它能把
被测轴的机械转角变成脉冲信号，是数
控机床上使用很广泛的位置检测元件。
同时也作为速度检测元件用于转速检测。
增量式脉冲编码器同样也分为接触式，
光电式、电磁式三种，从精度和可靠性
方面来看，光电式优于其他两种，数控
机床上主要使用光电式脉冲编码器。
第
四
章
数
控
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床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
第
四
章
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动
控
制
与
位
置
检
测
?由于增量式光电码盘每转过一个狭缝就发
出一个脉冲信号，由此可得出如下结论：
?1）根据脉冲的数目可得出工作轴的回转
角度，然后由传动速此换算为直线位移距
离。
?2）根据脉冲的频率，可得工作轴的转速。
?3）根据光欄板上两条狭缝中信号的先后
顺序，可判断工作轴的正反转。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?常用的脉冲编码器的规格有：
2000P/r,2500 P/r,3000 P/r、
1024 P/r,2048 P/r等，也有高分辨
率的达到 20000 P/r,25000 P/r、
30000 P/r等。
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?此外，现在数控机床上使用的脉冲编
码器，大多带有零位标志，在码盘的
里圈还有一条透光狭缝，相应的光欄
板的里圈也有一条透光狭缝，并多加
一个光敏元件，每转一圈产生一个零
位脉冲信号。在进给电动机所用的脉
冲编码器上，零位脉冲用于精确确定
机床的参考点，而在主轴控制上则用
于螺纹加工及准停控制等。
四
章
数
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床
运
动
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制
与
位
置
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4.1 概述
4.2 进给驱动
4.3 主轴驱动
4.4 检测元件
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?4,1概述
?4.1.1伺服系统的基本概念
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测
?在数控机床中，伺服系统是以机床的
移动部件（如工作台）的位置和速度
作为控制量的自动控制系统。它又称
为随动系统或伺服机构。 CNC控制
器经过插补运算生成的进给脉冲或进
给位移量指令输入到伺服系统，由伺
服系统驱动机械执行部件，带动机床
工作台的位移和主轴的运动。伺服系
统作为数控机床的重要组成部分，其
本身的性能直接影响了整个数控机床
的精度和速度等技术指标。
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测
?数控机床的伺服系统主要有两种：
进给伺服系统和主轴伺服系统，
进给伺服系统是一种高精度的位
置跟踪与定位系统。它的性能决
定了数控机床的最大进给速度，
定位精度等。主轴伺服系统控制
机床主轴的旋转运动，随着高速
加工技术的发展，对主轴伺服系
统的要求也越来越高。
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测
?4.1.2对伺服系统的基本要求
?随着数控技术的不断发展，数控机床
对伺服系统提出了很高的要求。一般
对伺服系统有如下要求：
?（ 1）精度高、伺服系统要具有较好
的定位精度和轮廓加工精度，定位精
度一般为 0.01— 0.001mm，甚至
0.1um.。
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与
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检
测
?（ 2）快速响应，为了提高生产率和
保证加工精度，要求伺服系统跟踪
指令信号的响应要快。这一方面要
求过渡过程时间短，一般在 200ms
以内，甚至小于几十毫秒；另一方
面要求超调小，否则将形成过切，
影响加工质量。同时，要求系统的
相对稳定性好，当系统受到干扰时，
振荡小，恢复时间快。
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与
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测
?（ 3）调速范围宽，
?在数控机床中，要求进给伺服系统的速
度达到 1-24000mm/min的范围，要求速
度均匀、稳定、无爬行、速降小。在零
速时，要求电机有电磁转矩，以维持定
位精度。对主轴伺服系统一般要求
1:100—— 1000范围内的恒转矩调速和 1：
10以上的恒功率调速，且有足够大的输
出功率。
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四
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制
与
位
置
检
测
?随着高速加工技术的发展，要求
主轴具有更高的转速，如当前国
内外生产的电主轴，最高转速从
10000r /min到 150000r/min.
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测
?4.1.3伺服控制系统的分类
?1．按控制方式分类
?按控制方式分类，位置控制系统
可分为开环、半闭环和闭环三种。
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测
?开环数控系统结构示意图
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测
闭环和半闭环
数控系统结构示意图
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检
测
?4.2进给驱动
4.2.1步进电动机驱动控制系统
步进电动机的驱动伺服系统前已述
及，加到步进电动机的定子绕组上
的电脉冲信号，是由步进电动机的
驱动控制器给出的，驱动控制器由
环形分配器和功率放大器两部分组
成。在许多 CNC系统中，环形分配
器的功能由软件产生，在这种情况
下，驱动器就不包括环形分配器。
第
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检
测
三相硬件环形分配器的驱动控制示
意图
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测
4.2.2直流速度控制单元
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4.2.3交流电动机速度控制单元
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测
?4.3 主轴驱动
?4.3.1对主轴驱动的要求
?随着数控技术的不断发展，传统的主轴
驱动已不能满足数控技术的需要。现代
数控机床对主轴传动系统提出了更高的
要求，具体要求为：
?（ 1）对功率的要求：要求主轴电动机有
2.2～ 250kw的功率范围，即要能输出大
的功率，又要求主轴结构简单。
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数
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运
动
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制
与
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测
?（ 2）宽调速范围：数控机床主轴驱动系
统要求在 1,100～ 1000范围内进行恒转
矩和 1,10的恒功率调速，而且要求主轴
在正、反向转动时，均可进行加减速控
制，即要求具有四象限驱动能力。
?（ 3）定位准停功能,为了使数控车床具
有螺纹切削功能，要求主轴能与进给驱
动实行同步控制；在加工中心上，为了
自动换刀，还要求主轴具有高精度的准
停功能。
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与
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测
4.3.2直流主轴驱动系统
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测
4.3.3交流主轴驱动系统
?交流主轴电动机与交流进给用伺服
电动机不同，交流主轴电动机一般
采用交流感应电动机，交流感应电
动机从结构上分有带换向器和不带
换向器两种，通常采用不带换向器
的三相感应电动机（也称笼型电动
机或异步电动机）。
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运
动
控
制
与
位
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检
测
?一般交流主轴电动机是专门设计的，
为了增加输出功率，缩小电动机的
体积，都采用定子铁心在空气中直
接冷却的方法，没有机壳，而且在
定子铁心上作有轴向孔以利通风等。
这类电机轴的尾部都同轴安装有测
速发电机或脉冲编码器等检测元件。
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与
位
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检
测
变频调速有下面三种控制方式：
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与
位
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检
测
4.4 检测元件
?4.4.1位置检测元件的要求及分类
?检测元件是数控机床闭环伺服系统的重
要组成部分，它的作用是检测位移、角
位移和速度的实际值，把反馈信号传送
回数控装置或伺服装置，构成闭环控制。
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四
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数
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动
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制
与
位
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检
测
?闭环数控系统的加工精度主要由
检测环节的精度决定，而检测环
节的精度是通过检测传感器的分
辨率来体现的。分辨率不仅取决
于检测传感器本身，也取决于测
量转换电路。
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章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?数控机床对检测元件的主要要求有：
?（ 1）工作可靠，抗干扰性强；
?（ 2）满足测量精度，检测速度和测
量范围的要求；
?（ 3）易于实现高速的动态测量和处
理，易于实现自动化；
?（ 4）使用维护方便，适合机床的工
作环境，成本低。
第
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数
控
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运
动
控
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与
位
置
检
测
?常用的检测元件
?旋转变压器、
?脉冲编码器、绝对式编码器、
?直线光栅、圆光栅、
?直线感应同步器、
?磁尺，
?激光干涉仪等。
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运
动
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与
位
置
检
测
?4.4.2脉冲编码器
?脉冲编码器是一种旋转式测量元件，
通常装在被检测轴上，随被测轴一
起转动，可将被测轴的角位移转换
成增量脉冲或绝对式的数字代码。
在数控机床上它通常与驱动电动机
同轴联接，属间接式测量元件。
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数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?脉冲编码器根据内部结构和检测
方式分类，可分为接触式、光电
式和电磁式三种。
?按照编码方式可分为绝对式编码
和增量式编码两种。
?在数控机床上大多采用光电式增
量脉冲编码器。下面分别介绍绝
对式编码和增量式编码的编码器
结构及工作原理。
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四
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控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
?1,绝对式编码器
?绝对值编码器是一种直接编码的检测元
件，它通过读取码盘上的图案来表示轴
的绝对位置，没有累积误差，电源切除
后，信息位置不丢失。从编码器使用的
计数制分，有二进制码、二进制循环码
（格雷码）、二 -十进制码等。绝对式
编码器按结构原理分，也有接触式、光
电式和电磁式三类。在这里以接触式为
例进行介绍
第
四
章
数
控
机
床
运
动
控
制
与
位
置
检
测
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动
控
制
与
位
置
检
测
?码道的圈数就是二进制数的位数，
若是 n位二进制码盘，就有 n圈码道，
且周围均分为 2n等分，即共有 2n个数
据分别表示码盘所转动到的不同位
置。
?二进制码盘的分辨角 = 360° /2n
?分辨率 =1/2n
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动
控
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与
位
置
检
测
?显然，位数 n越大，所能分辨的角度越小，
测量精度就越高。若要求位数更高，则
采用组合码盘，一个粗计数码盘，一个
精计数码盘，精计数码盘转一圈，粗计
数码盘依次转一格。如果一个组合码盘
是由两个 8位二进制码盘组合而成的，那
么便可以得到相当于 16位的二进制码盘，
这就使测量精度大大提高，但结构相当
复杂。
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与
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检
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?2．增量式编码器
?增量式编码器俗称脉冲编码器，它能把
被测轴的机械转角变成脉冲信号，是数
控机床上使用很广泛的位置检测元件。
同时也作为速度检测元件用于转速检测。
增量式脉冲编码器同样也分为接触式，
光电式、电磁式三种，从精度和可靠性
方面来看，光电式优于其他两种，数控
机床上主要使用光电式脉冲编码器。
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控
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检
测
?由于增量式光电码盘每转过一个狭缝就发
出一个脉冲信号，由此可得出如下结论：
?1）根据脉冲的数目可得出工作轴的回转
角度，然后由传动速此换算为直线位移距
离。
?2）根据脉冲的频率，可得工作轴的转速。
?3）根据光欄板上两条狭缝中信号的先后
顺序，可判断工作轴的正反转。
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测
?常用的脉冲编码器的规格有：
2000P/r,2500 P/r,3000 P/r、
1024 P/r,2048 P/r等，也有高分辨
率的达到 20000 P/r,25000 P/r、
30000 P/r等。
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?此外，现在数控机床上使用的脉冲编
码器，大多带有零位标志，在码盘的
里圈还有一条透光狭缝，相应的光欄
板的里圈也有一条透光狭缝，并多加
一个光敏元件，每转一圈产生一个零
位脉冲信号。在进给电动机所用的脉
冲编码器上，零位脉冲用于精确确定
机床的参考点，而在主轴控制上则用
于螺纹加工及准停控制等。
