按伺服系统的控制方式分类

1.3.2　按伺服系统的控制方式分类

1．开环控制数控系统

这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置将零件程序处理后，输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动，其控制系统的工作原理如图1-5所示。

这类数控机床的伺服驱动系统一般与脉冲增量插补算法相配合，目前均选用功率型步进电动机作为驱动组件。步进电动机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，并且电动机本身就有自锁能力。

图1-5　开环控制数控系统的工作原理图

数控装置输出的进给指令脉冲信号通过环行分配器来控制驱动电路，通过改换脉冲的个数来控制坐标位移量，改换脉冲的频率来控制位移速度，改变脉冲的分配顺序来控制位移的方向。因此这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜。数控装置发出的指令信号流向是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但是，由于机械驱动的误差不经过反馈校正，位移精度不高。早期的数控机床均采用这种控制方式，但故障率比较高，随着驱动电路的改进，它仍有较多的应用，尤其是在我国，一般经济型数控系统和旧设备的数控改造多采用这种控制方式。

2．闭环控制数控系统

这类数控机床的进给伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驱动电动机可采用直流或交流两种伺服电机，并需要配置位置反馈和速度反馈装置，在加工中随时检测移动部件的实际位移量，并及时反馈给数控系统中的比较器，将它与插补运算所得到的指令信号进行比较，其差值又作为伺服驱动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差，直到差值为零时，进给轴停止运动。

按位置反馈检测组件的安装部位和所使用的反馈装置的不同，这种控制方式又分为全闭环控制和半闭环控制。

（1）全闭环控制

如图1-6所示，其位置反馈装置采用直线位移检测组件（目前一般采用光栅尺），安装在机床的床鞍部位，即直接检测机床坐标的直线位移量，通过反馈可以消除从电动机到机床工作台的整个机械传动链中的传动误差，得到很高的机床静态定位精度。但是，由于在整个控制环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙等的影响均为非线性，并且整个机械传动链的动态响应时间与电气响应时间相比又非常大，这给整个闭环系统的稳定性校正带来很大困难，系统的设计和调整也都相当复杂。因此，这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标镗床、数控精密磨床等。

图1-6　全闭环控制方式数控系统的工作原理图

（2）半闭环控制

如图1-7所示，这种系统是闭环系统的一种派生。它与闭环系统的不同之处仅在将检测组件装在传动链的旋转部位，它所检测得到的不是工作台的实际位移量，而是与位移量有关的旋转轴的转角量（即角位移）。因此，其精度比闭环系统稍差，但是这种系统结构简单，便于调整，检测组件价格也较低，因而，也是广泛使用的一种数控系统。

图1-7　半闭环控制方式数控系统的工作原理图

3．混合控制数控机床

将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床。