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1、YCF（中职）数控系统选用与维护第四章教学课件第第4章数控机床伺服系统章数控机床伺服系统 4.1 数控机床驱动系统的概念数控机床驱动系统的概念 4.2 数控机床的进给驱动系统数控机床的进给驱动系统 4.3 数控机床的主轴驱动系统数控机床的主轴驱动系统 4.4 典型驱动器类型及选用典型驱动器类型及选用 4.5 思考与练习思考与练习 4.1数控机床驱动系统的概念4.1.1 伺服系统的概念伺服系统的概念数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。数控机床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，它控制机床坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是
2、主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。CNC装置是数控机床发布命令的“大脑”，而伺服驱动则为数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。驱动装置由驱动部件和速度控制单元组成。驱动部件由交流或直流电机、位置检测元件（例如旋转变压器、感应同步器、光栅等）及相关的机械传动和运动部件（滚珠丝杠副、齿轮副及工作台等）组成。4.1数控机床驱动系统的概念4.1.2 对伺服驱动系统的要求对伺服驱动系统的要求1调速范围要宽2定位精度要高 3动态响应快，无超调 4低速大转矩，过载能力强 5可靠性高 4.1数控机床驱动系统的概念4.1.3伺服驱动系统的组伺服驱动系
3、统的组成成 1驱动装置 2执行元件 3传动机构（包括减速装置和滚珠丝杠，如图4-1所示，等。若采用直线电机作为执行元件，则传动机构与执行元件为一体，如图4-2所示。）4检测元件及反馈电路 图4-1 滚珠丝杠 图4-2 直线电机 4.1数控机床驱动系统的概念4.1.4伺服驱动系统的分类伺服驱动系统的分类按驱动方式分类可分为液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统。按执行元件的类别分类可分为直流电机伺服系统、交流电机伺服驱动系统和步进电机伺服系统。按有无检测元件和反馈环节分类可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。按输出被控制量的性质分类可分为位置伺服系统、速度伺服系统。4.1数控机床驱
4、动系统的概念4.1.5 伺服驱动系统的工作原理伺服驱动系统的工作原理 1开环控制进给驱动系统开环控制进给驱动系统 图4-3开环控制的进给驱动系统 4.1数控机床驱动系统的概念 2闭环控制进给驱动系统闭环控制进给驱动系统 半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电机的轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移，如果滚珠丝杠的精度足够高，间隙小，精度要求一般可以得到满足。如图4-4所示为半闭环控制。图4-4半闭环控制的进给驱动系统4.1数控机床驱动系统的概念如图4-5所示为全闭环控制。它由伺服电机、检测反馈单元、驱动线路、比较环节等部分组成。检测反馈单
5、元安装在机床工作台上，直接将测量的工作台位移量转换成电信号，反馈给比较环节，与指令信号比较，并将其差值经伺服放大，控制伺服电机带动工作台移动，直至二者差值为零为止。图4-5全闭环控制的进给驱动系统4.1数控机床驱动系统的概念如图4-6所示为混合闭环控制。混合闭环方式采用半闭环与全闭环结合的方式。它利用半闭环所能达到的高位置增益，从而获得了较高的速度与良好的动态特性。它又利用全闭环补偿半闭环无法修正的传动误差，从而提高了系统的精度。混合闭环方式适用于重型、超重型数控机床，因为这些机床的移动部件很重，设计时提高刚性较困难。图4-6半闭环控制的进给驱动系统4.1数控机床驱动系统的概念4.1.6 伺服
6、驱动系统电机类型伺服驱动系统电机类型1进给驱动用的伺服电机（1）改进型直流电机（2）小惯量直流电机（3）步进电机（4）永磁直流伺服的电机（5）无刷直流电机（6）交流调速电机 2主轴驱动电机 4.2 数控机床的进给驱动系统数控系统所发出的控制指令是通过进给驱动系统驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动。数控机床的进给驱动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。数控机床的进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，它包含机械、电子及电动机等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。数控机床进
7、给伺服系统的高性能在很大程度上决定了数控机床的高效率、高精度和高柔性，因此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制及伺服电动机等方面都有很高的要求。进给驱动系统的控制电机一般采用步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机三类电机作为动力装置。4.2 数控机床的进给驱动系统4.2.1 步进电机驱动的进给系统步进电机驱动的进给系统 1步进电机的分类步进电机的分类 按步进电机输出转矩的大小，可分为快速步进电机和功率步进电机。按转矩产生的工作原理步进电机分为可变磁阻式、永磁式和混合式三种基本类型。按励磁组数可分为两相、三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机。从电流的极性上可分为单极性和双极性步进电机。从运
8、动的型式上可分为旋转、直线、平面步进电机。4.2 数控机床的进给驱动系统2步进电机工作原理及特性1）步进电机组成和工作原理步进电机主要由转子和定子组成，其中转子上有绕组，根据绕组的数量分为2相、3相和5相等步进电机。各绕组按一定的顺序通以直流电，则电机按预定的方向旋转。转子和定上均布有齿，绕组中的电流每变化一个周期，转子和定子的相对位置变化一个齿。如图4-7所示为两相混合式步进电机结构原理图。图4-7两相混合式步进电机结构原理图 4.2 数控机床的进给驱动系统若以转子左段铁心作参考，当A1、A3极上的齿与转子齿对齐时，则有A2、A4极上的齿与转子槽相对，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子齿
9、1/4齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿3/4齿距；在转子右段铁心，则A1、A3极上的齿与转子槽相对，A2、A4极上的齿与转子齿对齐，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子3/4齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿1/4齿距，如图4-8所示。图4-8 磁极上的齿与左、右段转子齿的相对位置4.2 数控机床的进给驱动系统 若A、B两相电流按如图4-9所示，分成40等份的余弦函数和正弦函数采样点给定A相和B相电流，即一个电流周期的循环拍数将成为40，故步进电机的步距角为这种以改变步进电机电流波形，获得更小步距角的方法，称之为步距角细分。图4-9 混合式步进电机细分时的控制电流波
10、形4.2 数控机床的进给驱动系统2）步进电机的主要特性（1）步距角的步距误差（2）静态矩角特性（3）启动惯频特性（如图4-10）（4）连续运行频率（5）矩频特性（如图4-11）图4-10 启动惯频特性 图4-11连续运行距频特性 4.2 数控机床的进给驱动系统3步进电机驱动器的控制原理步进电机各励磁绕组是按一定节拍，依次轮流通电工作的，为此，需将CNC发出的控制脉冲按步进电机规定的通电顺序分配到定子各励磁绕组中。完成脉冲分配的功能元件称环形脉冲分配器。环形脉冲分配可由硬件实现，也可以用软件完成；环形脉冲分配器发出的脉冲功率很小，不能直接驱动步进电机。必须经驱动电路将信号电流放大到若干安培，才能
11、驱动电机。因此，步进电机驱动器通常由环形脉冲分配器及功率放大器组成，加到环形脉冲分配器输入端的指令脉冲是CNC插补器输出的分配脉冲，经过加减速控制，使脉冲频率平滑上升或下降，以适应步进电机的驱动特性。环形脉冲分配器将脉冲信号按一定顺序分配，然后送到驱动电路中进行功率放大，驱动步进电机工作。4.2 数控机床的进给驱动系统4.2.2 直流伺服进给驱动直流伺服进给驱动由于数控机床对伺服驱动装置有较高的要求，而直流电机具有良好的调速特性，为一般交流电机所不及，因此，以数控机床半闭环、闭环控制伺服驱动均采用直流伺服电机。虽然当前交流伺服电机己逐渐取代直流伺服电机，但由于历史的原因，直流伺服电机仍被采用，
12、并且已用于数控机床的大量直流伺服驱动还需要维护，因此了解直流伺服驱动装置仍是很必要的。4.2 数控机床的进给驱动系统1直流电机的工作原理如图4-12所示为直流电机结构示意，图4-13所示为直流电机工作原理示意图，N极与S极为电机定子，其为永久磁铁或激励绕组所形成的磁极，在A、B两电刷间加直流电压时，电流便从B刷流入，从A刷流出。图4-12直流电机结构示意图 图4-13直流电机原理图 4.2 数控机床的进给驱动系统根据上式可得出直流电机的机械特性公式该机械特性公式对应的机械特性曲线如图4-14所示，可见当电机所加电压一定时，随着负载力矩M的增大，转速有一定降落，在伺服装置中，由于有转速反馈回路，
13、因此这一降落可以得到克服。图4-14 机械特性曲线4.2 数控机床的进给驱动系统2永磁直流伺服电机实际上大量采用的是永磁直流伺服电机，其定子磁极是一个永磁体，采用的是新型的稀土钴等永磁材料，具有极大的矫顽力和很高的磁能积，因此抗去磁能力大为提高，体积大为缩小。在电枢方面，可以分为小惯量与大惯量两大类。小惯量电机的主要特征是电机转子的惯量小，因此响应快，机电时间常数可以小于10ms，与普通直流电机相比，转矩与惯量之比要大出4050倍，且调速范围广，运转平稳，适用于频繁启动与制动，要求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但由于其过载能力低，并且其自身惯量比机床相应运动部件的惯量小，因此限
14、制了它的广泛使用。4.2 数控机床的进给驱动系统以一直流伺服电机为例，简要介绍特性曲线和相关参数。特性曲线主要有两种。转矩一速度特性曲线，又叫工作曲线，如图4-15所示，图中伺服电机的工作区域分为三个区域：I区域为连续工作区，在该区域里转速和转矩的任意组合，都可长期连续工作；区域为间断工作区，此时电机可根据负载周期曲线所决定的允许工作时间与断电时间作间歇工作；区域为加减速区，电机只能在加减速时工作于该区，即只能在该区域中工作极短的一段时间。负载周期曲线。其描述了电机过载运行的允许时间，如图4-16所示。图中给出了在满足负载所需转矩。而又确保电机不过热的情况下允许电机的工作时间。图4-15转矩速
15、度特性曲线 图4-16负载周期曲线 4.2 数控机床的进给驱动系统3永磁直流伺服电机的结构永磁直流电机可分为驱动用永磁直流电机和永磁直流伺服电机两大类。驱动用永磁直流电机通常指不带稳速装置，没有伺服要求的电机；而永磁直流伺服电机除具有驱动用永磁直流电机的性能外，还具有一定的伺服特性和快速响应能力，在结构上往往与反馈部件做成一体。当然，永磁直流伺服电机也可作为驱动用电机。因为永磁直流伺服电机允许有宽的调速围，所以也称宽调速直流电机，其结构如图4-17所示。电机本体由三部分组成：机壳、定子磁极和转子电枢。反馈用的检测部件有高精度的测速机、旋转变压器以及脉冲编码器等，安装在电机的尾部。图4-17 永
16、磁直流伺服电机结构 4.2 数控机床的进给驱动系统4直流伺服驱动装置目前，直流伺服驱动装置均采用晶闸管（俗称可控硅SCR）调速系统或晶体管脉宽调制（即PWM）调速系统。不论上述哪种调速系统，其控制调节器的原理均是一样，如图4-18所示。图4-18控制调节器的原理图 4.2 数控机床的进给驱动系统4.2.3 交流伺服电机驱动的进给系统交流伺服电机驱动的进给系统交流伺服驱动因其无刷、响应快、过载能力强等优点，已全面替代了直流驱动。交流伺服电机可依据电机运行原理的不同，分为永磁同步式、永磁直流无刷式、感应（或称异步）式、磁阻同步式交流伺服电机。这些电机具有相同的三相绕组的定子结构。4.2 数控机床的
17、进给驱动系统三相永磁直流无刷伺服电机工作原理如图4-19所示，它是由一台三相永磁步进电机、功率逻辑开关单元和转子位置传感器组成。位置传感器采用一只光电器件VP1、VP2、VP3，均匀分布，相差120，电机轴上的旋转遮光板，使从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上。由于此时光电器件VP1被照射，从而使功率晶体管V1呈导通状态，电流流入A相绕组，该绕组电流产生定子磁势Fs与转子磁势Fm作用后产生的转矩使转子顺时针方向转动如图4-20（a）所示。当转子磁极转到图4-20（b）所示的位置时，转子轴上的旋转遮光板遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截止、晶体管V2导通，电流流入绕组B，使得转
18、子磁极继续顺时针方向转动。当转子磁极转至图4-20（c）所示的位置时，旋转遮光板遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管V2截止、晶体管V3导通，因而电流流人绕组C，于是驱动转子继续顺时针方向旋转，并重新回到图4-20（a），VP3被遮住，VP1被照射，导致晶体管V3截止，晶体管V1导通，开始新一轮的通电循环，转子便能顺时针地继续旋转。图4-19 三相永磁直流无刷电机工作原理 图4-20 开关顺序及定子磁场旋转示意图4.2 数控机床的进给驱动系统2永磁同步式交流伺服电机的工作原理交流伺服电机则以永磁同步电机更具响应快、控制简单而被广泛地应用。永磁同步式交流伺服电机的定子绕组对称Y接的三相绕组，
19、当通以对称三相电流时，定子的合成磁场Fs为一旋转磁场，其幅值不变，空间的相位角与电流某时刻的相位角有关。例如当A相电流达到正最大值时，Fs的相位角与A相绕组轴线重合，如图4-21所示。图4-21交流伺服电机的工作原理图 4.3数控机床的主轴驱动系统1对主轴驱动的要求随着数控机床的不断发展，传统的主轴驱动方式已不能满足要求，现代数控机床对主传动提出了更高的要求。数控机床主传动要有较宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对于具有多工序自动换刀的数控机床加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的要求，对主轴的调速范围要求更高。数控机床主轴的变速是
20、依指令自动进行的，要求能在较宽的转速范围内进行无级调速，并减少中间传递环节，简化主轴箱。要求主轴在整个速度范围内均能提供切削所需的功率，并尽可能在全速度范围内提供主轴电机的最大功率，即恒功率范围要宽。由于主轴电机在低速段均为恒转矩输出，为满足数控机床低速强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加减速控制，要求有4象限的驱动能力，并且加减速时间短。为满足加工中心自动换刀（ATC）以及某些加工工艺（例如精镗孔时退刀、刀具通过小孔镗大孔等）的需要，要求主轴具有高精度的准停控制。在车削中心上，还要求主轴能具有旋转进给轴（
21、C轴）的控制功能。4.3数控机床的主轴驱动系统2直流主轴电机（1）直流主轴电机结构特点为了满足上述数控机床对主轴驱动的要求，主轴电机必须具备下述性能。电机的输出功率要大。在大的调速范围内速度应该稳定。在断续负载下电机转速波动小。加速和减速时间短。电机温升低。振动、燥声小。电机可靠性高，寿命长，容易维修。体积小，重量轻，与机械连接容易。电机过载能力强。4.3数控机床的主轴驱动系统（2）直流主轴电机性能直流主轴电机的转矩速度特性曲线如图4-22所示。在基本速度以下时属于恒转矩范围，用改变电枢电压来调速；在基本速度以上时属于恒功率范围，采用控制激磁的调速方法调速。一般来说，恒转矩的速度范围与恒功率的
22、速度范围之比为1:2。直流主轴电机一般都有过载能力，且大都能过载150%（即为连续额定电流的1.5倍）。图4-22转矩速度特性曲线图 4.3数控机床的主轴驱动系统FANUC直流他激式主轴电机采用的是三相全控晶闸管无环流可逆调速系统，可实现基速以下的调压调速和基速以上的弱磁调速。调速范围35-3500r/min（1:100），输出电流33A-96A，其控制框图如图4-23所示。主轴转速的信号可由直流010V模拟电压直接给定，也可给定二位BCD码或十二位二进制码的数字量，由D/A转变为模拟量。图4-23 FANUC直流他激式主轴电机控制框图 4.3数控机床的主轴驱动系统4.3.2 交流主轴驱动1结
23、构特点前面提到，交流伺服电机的结构有笼型感应电机和永磁式同步电机两种结构，而且大都为后一种结构形式。而交流主轴电机与伺服电机不同。交流主轴电机采用感应电机形式。这是因为受永磁体的限制，当容量做得很大时电机成本太高，使数控机床无法使用。另外数控机床主轴驱动系统不必像伺服驱动系统那样，要求如此高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用感应电机进行矢量控制就完全能满足数控机床主轴的要求。4.3数控机床的主轴驱动系统2交流主轴电机性能交流主轴电机的特性曲线如图4-24所示。从图中曲线可以看出，交流主轴电机的特性曲线与直流主轴电机类似：在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电机，
24、如图中4-24所示，当电机速度超过某一定值之后，其功率速度曲线又会向下倾斜，不能保持恒功率，对于一般主轴电机，恒功率的速度范围只有1:3的速度比。另外，交流主轴电机也有一定的过载能力，一般为额定值的1.21.5倍，过载时间则从几分钟到半个小时不等。图4-24 交流主轴电机结构及特性曲线图4.3数控机床的主轴驱动系统3新型主轴电机结构从国外较有代表性的FANUC公司的研制情况来看，交流主轴电机结构有下述三方面的新发展。输出转换型交流主轴电机为了满足机床切削的需要，要求主轴电机在任何刀具切削速度下都是提供恒定的功率。液体冷却主轴电机在电机尺寸一定的条件下，为了得到大的输出功率，必然会大幅度增加电机
25、发热量。它的结构形式如图4-25所示。图4-25结构形式图 4.3数控机床的主轴驱动系统内装式主轴电机如果能将主轴与电机制成一体，那么就可省去齿轮机构，使主轴驱动机构简化。如图4-26所示的内装式主轴电机，就是将主轴与电机合为一体：电机轴就是主轴本身，而电机的定子被拼入在主轴头内。图4-26内装式主轴电机结构形式图 4.3数控机床的主轴驱动系统4交流主轴控制单元 矢量变换控制（Tranvektor control）是1971年由德国Felix Blaschke等人提出的，是对交流电机调速控制的理想方法，其基本思路是把交流电机模拟成与直流电机相似，能够像直流电机一样，通过对等效电枢绕组电流和励磁
26、绕组电流的控制以达到控制转矩和励磁磁通。感应电机的这种控制方法的数学模型与直流电机的数学模型极其相似。因此采用矢量变换控制的感应电机能得到与直流电机同样优越的调速性能。由于矢量变换理论比较复杂，在这里，不再叙述。4.4 典型驱动器类型及选用驱动单元包括驱动装置和电动机两部分，对驱动单元的选购主要在于驱动装置的选择，因为电动机是通用部件，性能差别只存在于不同厂家和型号。4.5 思考与练习1、对数控机床的伺服系统的要求是什么？2、对主轴伺服系统有什么特殊要求？3、步进电机有哪些类型？步进电机的工作原理是什么？4、直流伺服电机有哪几类？5、直流伺服电机的调速原理是什么？有哪些调速方法？6、交流伺服电机有哪几类？7、交流伺服电机的调速原理是什么？有哪些调速方法？8、变频调速有哪几种类型？9、什么是位置控制？位置控制的特点是什么？