本部分是机器人和数控机床的共同理论基础，掌握这些对该类设备的理性维修将发挥巨大作用。

10.1 位置随动系统

所谓位置随动系统，是指对指定位置指令进行位置动态跟踪的系统。弄清其概念，对数控机床的整体理解是有益的。

一．给定与反馈

给定：是指一个控制系统的指定目标输入信号。对数控机床来讲，它由数控系统给出，由伺服驱动系统处理并执行。

反馈：把控制目标输出量的一部分或全部反送到给定输入端，与给定信号进行比较，形成误差信号e，对输出量进行控制，以消除控制误差。

图10-1：简单的给定与反馈系统图

二、反馈控制方式

按伺服系统的反馈控制方式可分为开环伺服控制系统、半闭环伺服控制系统与闭环伺服控制系统。

（一）开环伺服控制系统

开环伺服控制系统通常采用步进电动机作为工作台的驱动部件，其基本结构如图10-2所示。由图可见，其基本结构由数控装置、伺服放大、步进电动机、机械传动与工作台五大部分构成，其基本工作原理如下：

图10-2：开环伺服控制系统

数控装置输出的进给脉冲，经伺服放大后驱动步进电动机旋转，再经过机械传动装置带动工作台移动。数控装置每发出一个进给脉冲，步进电动机就旋转一个相应的角度（步距角），工作台也就移动一个相应的距离。

开环伺服控制系统没有反馈环节，故精度不高。但由于它的结构简单，造价较低，且调试容易，曾广泛的应用于对精度要求不高的经济型数控机床中。目前，简单的位置控制系统中也在应用，如总装车身刻标机。

（二）半闭环伺服控制系统

半闭环伺服控制系统通常采用伺服电动机作为工作台的驱动部件，其基本结构如图10-3所示。由图可见，其基本结构由数控装置、比较环节、伺服放大、伺服电动机、机械传动、工作台与反馈装置七大部分构成，其基本工作原理为：

图10-3：半闭环伺服控制系统

数控装置输出的进给指令，经比较环节与反馈信号比较后，得到偏差e送入伺服放大环节进行放大，驱动伺服电机旋转，再经过机械传动装置带动工作台移动。在偏差e=0后，伺服电机停止转动，工作台停止在给定的位置上。

半闭环伺服控制系统由于采用了反馈控制，故精度高于开环伺服控制系统，但由于其反馈量取自于伺服电动机的角位移，并不是工作台的实际位移，所以，系统的精度低于闭环伺服控制系统。由于它调试方便，稳定性好，且角位移测量元件简单价廉，也得到了广泛的应用。

（三）闭环伺服控制系统

闭环伺服控制系统与半闭环伺服控制系统在结构上的区别，只是反馈点选取的不同，它的反馈点取自于工作台，即反馈装置测量的是工作台的位移，通过反馈装置反馈到比较环节的量值是直线位移，而不是电动机的角位移。它的基本结构如图8-4所示，而其工作原理如下：

图10-4：闭环伺服控制系统

数控装置输出的进给指令，经比较环节与反馈信号比较后，得到偏差e送入伺服放大环节进行放大，驱动伺服电动机旋转，再经过机械传动装置带动工作台移动。直到偏差e=0，伺服电机停止转动，工作台停止在给定的位置上。

闭环伺服控制系统的反馈量是工作台的位置量，故精度取决于反馈装置中的检测元件，所以它的精度高于半闭环伺服控制系统。但闭环伺服控制系统的调试较麻烦，且易产生振荡，通常用于精度要求较高的数控机床之中。

实际设备很多在电机轴后和机床导轨侧设置两个编码器，这样做的作用是：轴后编码器可以做为速度跟踪控制，导轨侧编码器用于全闭环位置跟踪，同时两者也可以进行误差比较。

三、三环位置随动系统

典型的位置随动系统一般都有这样三套反馈系统：位置环、速度环、电流环。这三个反馈环路构成一个稳定的位置控制系统。

（一）三环系统的控制框图

下图给出了数控机床典型的三环系统框图。

图10-5：三环系统框图

图中，转换电路的作用是把速度信号转换为位移信号。

（二）三个环的各自作用

1.位置精度的实现——位置环

处于反馈环路的最外圈，由位置测量器件把测到的实际位置反馈到数控系统，与给定的位置指令进行比较，以实现精确位置跟踪控制。

2．速度波动的控制——速度环

处于三个环路的中间，其任务是测量电机的实际速度，与数控系统的速度给定进行比较，以实现对给定速度的跟踪并抑制波动，达到对速度的精确控制。

3.负荷变化的适应——电流环

电流环是三个环的内环，其作用是通过测量电机的电流变化来间接得到实际加工负载的波动状况，再与电流环给定量进行比较，从而通过调节控制抑制它给速度造成的可能扰动。

三个环中，对误差趋势响应最快的是电流环，其次是速度环，最后才是位置环。通过三环系统，实现位置随动的精准控制。