数控机床的伺服系统是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。试解释其机理

位置控制系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，称为位置伺服系统，简称为伺服系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动伺服刀架，通过几个坐标轴的联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。

进给伺服系统是数控装置和机床机械传部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。伺服系统其结构形式基本相同，以数控机床进给系统为例，伺服系统的一般结构如图所示。它是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等各部分组成。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等各部分组成。位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制，进给轴控制是要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合，才能保证加工效率、加工精度和表面粗糙度。伺服电机在伺服系统中作为执行元件。根据被控对象的不同，一般有三种基本控制方式，即位置、速度、力矩控制方式。通常位置和速度控制用得比较多。

1、伺服系统

伺服系统是数控机床的最后环节，其性能将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标，因此，对数控机床的伺服驱动装置，要求具有良好的快速反应性能，准确而灵敏地跟踪数控装置发出的数字指令信号，并能忠实地执行来自数控装置的指令，提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。

2、测量反馈系统

测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。

扩展资料

伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。

伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。

数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNC（Computer Numerical Control）形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称软件数控（Software NC）。

CNC系统是一种位置控制系统，它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件加工出所需要的零件。因此，数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。而所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理地组织，使整个系统协调地进行工作。

参考资料-数控机床

数控技术和数控机床是制造业现代化的基础，是一个国家综合国力的重要体现。近几年来，在引进消化国外数控技术的基础上，我国已生产出自主版权的数控系统和数控机床，但是中、高档以上的数控系统仍然是以进口产品为主。研究数控系统及技术的现状与未来发展方向，将对开发中高档的数控产品，扩大数控机床市场份额起到重要作用。

1 数控系统的硬件技术发展迅速

随着集成电路及计算机技术的迅猛发展，给数控硬件技术更新换代注入新的活力，现代数控系统普遍采用超大规模集成电路(VLSI)、专用芯片（ASIC）及数字信号处理(DSP)技术。在电气装联上广泛采用表面安装(SMT)、三维高密度（three dimensional high density）技术。极大的提高系统可靠性。高速高性能存储技术，比如闪烁存储(flash memory)，移动存储(PCMCIA card)等极大的方便用户。TFT LCD技术使显示装置趋于平板化，更便于机电一体化安装并改善人机界面。作为数控系统核心的处理器广泛采用64位以上的高速RISC CPU，保证高速、高精度的数控加工。

以日本FANUC 16i／18i和160i／180i为例，已形成超小、超薄型控制器，主控板仅名片一样大小，主处理采用Pentium芯片。CNC和伺服采用50M／S的高速串行总线。用光缆连结I／O模块，采用分散配置，便于机电一体化。在通讯方面采用PCMCIA存储卡和外部计算机，或采用调制解调器，用电话和个人机通讯。

2 体系结构向开放式发展

开放式数控的讨论已有好些年了，但是应该看到，对于“开放式结构”至今没有一致性的定义。某些用户认为开放式表示能够接受当地使用的通信协议；而另一些用户认为开放式意味着所有控制器操作界面完全一致；对机床应用工程师而言，开放式意味着对刀架移动，传感器和逻辑控制有标准的输入/输出接口；对大公司和大学的研究工程师来说，开放式意味着以上这些均来自随即拿来就用的积木块。由于来自最终用户和集成商(机床厂)的压力，开放式结构的开发工作正在向前发展并将持续下去。目前的一个积极成果即是基于PC的CAC，即PC—based。

世界上一些著名的数控制造商纷纷推出PC—based CAC系统，例FANUC公司的FANUC160／180，西门子公司的Siemens 840Di，FAGOR公司的FAGOR8070。由于采用了工业级PC机及桌面操作系统Windows，DOS等，其丰富的软、硬件资源给用户带来诸多的方便。

应看到，在数控加工这种强实时环境中，使用商用操作系统Win，DOS等，尚未得到业界的完全认可。在理论上没有证明比现有传统的CNC来得优越。

3 实时操作系统进入CNC

严格意义上说，数控控制软件中包含着实时操作系统的思想，例如任务调度、存储器管理、中断处理等。但这种技术是隐含的。是和数控应用程序比如插补，伺服、译码等混合的。每一个数控系统都是独特的，不透明的。这种情况对于最终用户和系统集成商而言带来诸多不便。在“开放式数控”呼声日益高涨的今天研究实时操作系统在CNC软件中的应用是顺理成章的事。特别是最近嵌入式实时操作系统的技术发展迅猛，这对于数控控制软件的开发将产生革命性的影响。选择一个合适的商用嵌入式实时操作系统，将插补、伺服、译码、数据处理等数控应用软件往上“挂”，最终移植到一个硬件环境中去，形成最终用户“中意”的数控系统，也就是“个性化的”CNC系统，这恐怕是“开放式”数控的主要方向。

4 现场总线技术开始广泛使用

现场总线(field bus)实质上是工控网络中的低档产品。因为底层设备通信有以下特点：

1．通信环境恶劣，可能受到温度、湿度变化、尘埃、电压波动、机械振动、电磁场干扰等因素影响；

2．信息传递主要是设备与设备之间，故对通信可靠性要求高；

3．通信内容和时间一般可以预先设定，随机、自发产生的信息相对较少，这可使通信协议大大简化；

4．由于有较多的监控信息，实时性要求高；

5．要求有一定有故障诊断和容错能力，以防止不必要的系统故障；

6．距离短，频度高。

基于上述特点，底层设备互连网络通常采用协议简单、响应迅速、可靠性高的主一从通信方式，使用工控网络中的低档产品例如现场总线。

西门子公司的profibus首先应用在802D中低档数控系统中。对802D而言，24V电源为心脏，PCU模块为大脑，profibus为神经。因为PCU和I／O以及伺服系统（I／O模块例PP1、PP2，伺服系统为611U）的连结构依靠profibus。PCU为主站，PP1、PP2，611U为从站，并均有节点地址。

FAGOR公司的SERCOS主要用于CNC和伺服系统的通讯且采用光缆。最高传输速率为4M baud。SERCOS将CNC（8055，8070）和主轴、座标轴驱动连结起来，每个节点亦有相应地址。FAGOR8070开始，CNC和I／O的连结采用CAN总线。

FANUC I／OLink是CNC连结扩展I／O的现场总线。

数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自CNC装置（插补装置或插补软件）的进给指令脉冲，经过一定的信号变换及电压、功率放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动，这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。