第6章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

第6章

數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1主要內(nèi)容

6.1概述

6.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

6.3直流伺服電機(jī)及其速度控制

6.4交流伺服電機(jī)及其速度控制系統(tǒng)

6.5主軸驅(qū)動(dòng)26.1概述

6.1.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成定義：伺服系統(tǒng)是以機(jī)械位置或角度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元，是實(shí)現(xiàn)切削刀具與工件間運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。作用：伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計(jì)算機(jī))和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。功能：接收來(lái)自CNC裝置（插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件）的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)過(guò)信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)，使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。36.1.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說(shuō)C裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來(lái)的運(yùn)動(dòng)命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位移量。46.1.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成由比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)控制裝置、檢測(cè)反饋裝置和執(zhí)行元件四部分組成

5伺服系統(tǒng)（ServoSystem)CNC系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)檢測(cè)裝置控制信號(hào)反饋信號(hào)光柵尺伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)678比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制器通常是計(jì)算機(jī)CNC或PLC控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。9伺服驅(qū)動(dòng)元件又稱為執(zhí)行電機(jī)，在輸入電信號(hào)之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；電信號(hào)到來(lái)之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速隨電信號(hào)的方向和大小而改變，同時(shí)帶動(dòng)一定的負(fù)載運(yùn)動(dòng)；電信號(hào)一旦消失，轉(zhuǎn)子立即自行停轉(zhuǎn)。10驅(qū)動(dòng)電機(jī)：是進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力部件，它提供執(zhí)行部分運(yùn)動(dòng)所需的動(dòng)力，在數(shù)控機(jī)床上常用的電機(jī)有：步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)直線電機(jī)。

檢測(cè)裝置：在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測(cè)位移和速度，并發(fā)出反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制,對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制。常用的檢測(cè)裝置有：感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、脈沖編碼器等。11進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用途和功能主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件的類型直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制原理半閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)6.1.2伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類方法很多，常見(jiàn)的分類方法有以下三種。

步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)12主要內(nèi)容開(kāi)環(huán)控制(Open-LoopServo-Drive)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大按控制原理分類采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件；無(wú)位置反饋，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試維修方便，工作穩(wěn)定、設(shè)備投資低，一般用于精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。13步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)14半閉環(huán)控制(Half-Closed-LoopServo-Drive)速度控制電路工作臺(tái)伺服電機(jī)位置比較電路指令脈沖速度反饋位置反饋檢測(cè)元件半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。按控制原理分類15半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開(kāi)環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。16交流伺服電機(jī)17主要內(nèi)容閉環(huán)控制(Closed-LoopServo-Drive)位置采樣點(diǎn)直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。位置反饋速度控制電路工作臺(tái)伺服電機(jī)位置比較電路指令脈沖速度反饋按控制原理分類18從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。閉環(huán)控制(Closed-LoopServo-Drive)19光柵尺光柵尺20（1）步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)將進(jìn)給指令信號(hào)變換為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械角位移，通過(guò)齒輪和絲杠螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。特點(diǎn)：在大負(fù)載和速度較高的情況下容易失步、能耗大、速度低、精度較差。應(yīng)用：故主要用于速度和精度要求不太高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊機(jī)床改造。按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分：21（2）直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特點(diǎn)：有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)。在上世紀(jì)70年代和80年代初，數(shù)控機(jī)床多采用直流電機(jī)伺服系統(tǒng)。但直流伺服電機(jī)由于具有電刷和機(jī)械換向器，使結(jié)構(gòu)與體積受限制，現(xiàn)已基本被交流伺服電機(jī)取代。按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分：22（3）交流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。常永磁同步伺服電機(jī)。特點(diǎn)：相對(duì)于直流伺服電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、慣量小、響應(yīng)速度快、效率高等特點(diǎn)。采用變頻調(diào)速。應(yīng)用：它更適應(yīng)大容量、高速加工的要求。交流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)中已逐漸取代了直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分：23（4）直線電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，取消了電機(jī)和工作臺(tái)之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，形成了所謂的“直接驅(qū)動(dòng)”或“零傳動(dòng)”。特點(diǎn)：克服了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式中傳動(dòng)環(huán)節(jié)帶來(lái)的缺點(diǎn)，顯著提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)靈敏度、加工精度和可靠性。按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分：直線電機(jī)24精度要高數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的精度是指機(jī)床工作的實(shí)際位置復(fù)現(xiàn)插補(bǔ)器指令信號(hào)的精確程度。

靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)定位誤差要小。高檔數(shù)控機(jī)床微米級(jí)，超精密機(jī)床亞微米級(jí)。（以保證尺寸精度）動(dòng)態(tài)：跟隨精度，這是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，用跟隨誤差表示。

（以保證輪廓精度）靈敏度要高：有足夠高的分辯率。6.1.3數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

252.工作穩(wěn)定性好工作穩(wěn)定性是指伺服系統(tǒng)在突變指令信號(hào)或外界干擾的作用下，能夠快速的達(dá)到新平衡狀態(tài)或恢復(fù)原有平衡狀態(tài)的能力。

工作穩(wěn)定性越好，機(jī)床運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性越高，工件的加工質(zhì)量就越好。

速度穩(wěn)定性：指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要較強(qiáng)的抗干擾能力是獲得均勻進(jìn)給速度的重要保證。6.1.3數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

26加工過(guò)程中，進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的速度要快，過(guò)渡時(shí)間要短，且無(wú)超調(diào)，這樣跟隨誤差才小。否則對(duì)機(jī)械部件不利，有害于加工質(zhì)量。過(guò)渡過(guò)程一般應(yīng)在幾十毫秒以內(nèi)。tFtp6.1.3數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

3.響應(yīng)速度快，無(wú)超調(diào)

快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)對(duì)插補(bǔ)指令的跟蹤精度。274.調(diào)速范圍要寬

調(diào)速范圍是指電機(jī)在額定負(fù)載時(shí)所能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。為保證在任何切削條件下都能獲得最佳的切削速度，要求進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須提供較大的調(diào)速范圍，一般調(diào)速范圍應(yīng)達(dá)到1︰2000?，F(xiàn)有的高性能進(jìn)給伺服系統(tǒng)已具備無(wú)級(jí)調(diào)速，且調(diào)速范圍在1︰10000以上。

6.1.3數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

285.低速轉(zhuǎn)矩要大在切削加工中，粗加工一般要求低進(jìn)給速度、大切削量，為此，要求進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在低速進(jìn)給時(shí)輸出足夠大的轉(zhuǎn)矩，提供良好的切削能力。6.能可逆運(yùn)行和頻繁靈活啟停。7.可靠性高6.1.3數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

29對(duì)主軸伺服系統(tǒng)，還應(yīng)滿足如下要求：1．主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的同步控制為使數(shù)控機(jī)床具有螺紋和螺旋槽加工的能力，要求主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步控制。2．準(zhǔn)?？刂圃诩庸ぶ行纳?，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，要求主軸能進(jìn)行高精確位置的停止。3．角度分度控制有兩種類型：一是固定的等分角度控制；二是連續(xù)的任意角度控制。（稱為“C”軸控制）306.2步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動(dòng)機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)和一般電機(jī)不同，一般電機(jī)通電后連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步。每一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度叫做步距角。例：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)400步，即步距角為：若絲杠的導(dǎo)程為10mm，齒輪傳動(dòng)比是1，系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為：31步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入的電脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的電脈沖信號(hào)的頻率成正比步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與步進(jìn)電機(jī)的工作方式(通電順序)有關(guān)。只需要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電相序，便可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

在無(wú)脈沖輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。32優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠；缺點(diǎn)：

–容易失步（尤其在高速、大負(fù)載時(shí)），影響定位精度；

–

在低速時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)；

–細(xì)分技術(shù)的應(yīng)用，明顯提高了定位精度，降低了低速振動(dòng)。應(yīng)用：要求一般的開(kāi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。336.2.1步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)的步距角大小與那些因素有關(guān)？定子勵(lì)磁繞組相數(shù)、通電方式

和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。計(jì)算公式為：m——定子勵(lì)磁繞組相數(shù)Z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)K——通電方式，若連續(xù)兩次通電相數(shù)相同為1，若不同則為2。m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。步距角越小所達(dá)到的位置精度越高。實(shí)際使用的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多k=拍數(shù)p/相數(shù)m34例如：轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是3對(duì)磁極，三相六拍。問(wèn)步距角是多少？35步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算：式中，當(dāng)轉(zhuǎn)子的步距角一定時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比。式中：

n——轉(zhuǎn)速（r/min);f——脈沖頻率，即每秒輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)；

α——用度數(shù)表示的步距角。36結(jié)論：

步進(jìn)電機(jī)定子繞阻通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，即電機(jī)的步距角；改變步進(jìn)電機(jī)定子繞阻的通電順序，其轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；步進(jìn)電機(jī)定子繞阻通電狀態(tài)變化的頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；步距角與定子繞阻相數(shù)m、轉(zhuǎn)子齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)：37主要特性有：

步距角；

矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩.最大靜轉(zhuǎn)距啟動(dòng)頻率fq

；運(yùn)行矩頻特性；加減速特性；6.2.2步進(jìn)電機(jī)的主要特性386.2.3步進(jìn)電機(jī)的分類1．根據(jù)相數(shù)分類有三、四、五、六相等，相數(shù)越多，步距角越小。通電方式：采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍，

在m相m拍和m相2m拍通電方式中，可采用一/二相、二/三相轉(zhuǎn)換通電，如五相步進(jìn)電機(jī)，五相十拍的二／三相轉(zhuǎn)換方式：

AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB392．根據(jù)產(chǎn)生力矩的原理分類根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子間磁場(chǎng)建立方式，可分：反應(yīng)式、永磁式、混合式。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子有多相磁極，其上有勵(lì)磁繞組，而轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，用軟磁材料制成，由被勵(lì)磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。永磁反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式相似，但轉(zhuǎn)子用永磁材料制成或有勵(lì)磁繞組、由電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。這樣可提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，減少定子繞組的電流。403．根據(jù)輸出力矩的大小分類根據(jù)輸出力矩的大小可將步進(jìn)電機(jī)分為兩類：

伺服步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)。伺服步進(jìn)電機(jī)又稱為快速步進(jìn)電機(jī)，輸出力矩在幾十到數(shù)百mN·m，只能帶動(dòng)小負(fù)載，加上液壓扭矩放大器可驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)。功率步進(jìn)電機(jī)輸出力矩在5～50N·m以上，能直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)。414．根據(jù)結(jié)構(gòu)分類步進(jìn)電機(jī)可制成軸向分相式（多段式）、徑向分相式（單段式）426.3直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制一、直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)是指能夠精密地控制其位置的一種電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)是伺服電動(dòng)機(jī)的一種。1.直流伺服電動(dòng)機(jī)分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)槽轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)印刷繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)后三種直流伺服電動(dòng)機(jī)為小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)。43

直流伺服電動(dòng)機(jī)的組成電動(dòng)機(jī)本體:主要由機(jī)殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子組成。檢測(cè)部件:有高精度的測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器以及脈沖編碼器等。特點(diǎn)小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī):慣量小，響應(yīng)速度快，但過(guò)載能力低。永磁直流伺服電動(dòng)機(jī):轉(zhuǎn)矩大，慣量大，穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍寬。但有電刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）。446.4交流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制直流伺服電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但直流伺服電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)；由于換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花而使最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，成本高。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，以交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，有逐漸代替直流伺服電機(jī)的趨勢(shì)。45一、交流伺服電動(dòng)機(jī)二、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)三、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理四、同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速五、直線電機(jī)46一、交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)分類異步型同步型同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)又分為永磁式和勵(lì)磁式。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)。2.永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，效率較高調(diào)速方便由于它的轉(zhuǎn)速與所接電源頻率之間存在一種嚴(yán)格關(guān)系，所以可獲得與頻率成正比的可變速度，并且可以得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。缺點(diǎn)體積較大，起動(dòng)較困難47二、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

組成：定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件。

定子具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電動(dòng)機(jī)的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無(wú)外殼，利于散熱。轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵和沖片組成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。48三、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理定子三相繞組接上交流電源后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵磁極互相吸引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。使轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，將造成定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合，其夾角為θ。若負(fù)載發(fā)生變化，θ角也跟著變化，但只要不超過(guò)一定的限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為

n＝ns＝60f/p(r/min)式中f—電源的頻率

p—磁極對(duì)數(shù)49四、同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速1.調(diào)速原理分析根據(jù)永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速公式

n＝ns＝60f/p(r/min)

可以通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率f來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，能夠較好地滿足數(shù)控機(jī)床的要求。變頻調(diào)速的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)能為電動(dòng)機(jī)提供變頻電源的變頻器。2.變頻器交—交變頻器直接將固定頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。交—直—交變頻器先將電網(wǎng)交流電通過(guò)整流變?yōu)橹绷?，再?jīng)過(guò)電容或電感或電容、電感組合電路濾波后供給逆變器。逆變器輸出的是電壓和頻率可調(diào)的交流電。50五、直線電機(jī)1.直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)直線電機(jī)是指一種利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)裝置，是一種能實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。直線電機(jī)是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)化而來(lái)的。(1)直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為直線電機(jī)是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其軸向剖開(kāi)，然后將其定子和轉(zhuǎn)子展開(kāi)，變成如圖所示的由定子和動(dòng)子組成的直線電機(jī)。51直線電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開(kāi)，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動(dòng)裝置。與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。正由于這種傳動(dòng)方式，帶來(lái)了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用前景由于直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床中的應(yīng)用目前還處于初級(jí)階段，還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。隨著各相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展和直線電動(dòng)機(jī)制造工藝的完善，直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

2.直線電機(jī)的應(yīng)用526.5主軸驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)不同于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主軸的工作運(yùn)動(dòng)通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸驅(qū)動(dòng)的主要要求：輸出功率大2.2~250kw，結(jié)構(gòu)上不能采用永磁式寬的調(diào)速范圍1：100~1000恒轉(zhuǎn)矩，1：10恒功率調(diào)速主軸既能正轉(zhuǎn)、又能反轉(zhuǎn)，且能快速制動(dòng)特殊要求如：加工螺紋，要求主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；為了保證端面加工的光潔度，要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于自動(dòng)換刀的需要，要求主抽驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高精度的停位控制；有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有角度控制功能等。53分類

直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)早期的數(shù)控機(jī)床多采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

自20世紀(jì)70年代末80年代初，在數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)中開(kāi)始采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用交流