数控机床+伺服驱动系统

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1、第5章数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统概述数控机床主轴驱动系统数控机床进给驱动系统5.1概述伺服系统的组成数控机床对伺服系统的基本要求伺服系统的分类一、伺服系统的组成数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图5.1所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。伺服系统的组成位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成；速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置（如测速发电机、光

2、电脉冲编码器等）组成；电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。二、数控机床对伺服系统的基本要求1）精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般允许的偏差为0.01~0.001mm，甚至0.1。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求较高的调速精度，具有比较强的抗负载扰动能力，对静态、动态精度要求都比较高。数控机床对伺服系统的基本要求2）稳定性好稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后

3、，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。数控机床对伺服系统的基本要求3）快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。一方面要求过渡过程（电机从静止到额定转速）的时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。这二方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一定措施，按工艺加工要求做出一定的选择。数控机床对伺服系统的基本要求4）调速范围宽调速范

4、围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。通常表示为：在数控机床中，由于加工用刀具，被加工材质及零件加工要求的不同，进给伺服系统需要具有足够宽的调速范围。目前较先进的水平是，在分辨率为1的情况下，进给速度范围为0~240m/min，且无级连续可调。但对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统在0~24m/min进给速度范围内都能工作就足够了。数控机床对伺服系统的基本要求5）低速大转矩机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为

5、恒转矩控制，能提供较大转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。三、伺服系统的分类（1）按调节理论分类开环伺服系统闭环伺服系统半闭环系统伺服系统的分类（2）按使用的执行元件分类电液伺服系统电气伺服系统（步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统）伺服系统的分类（3）按被控对象分类进给伺服系统主轴伺服系统伺服系统的分类（4）按反馈比较控制方式分类脉冲、数字比较伺服系统相位比较伺服系统幅值比较伺服系统全数字伺服系统5.2数控机床主轴驱动系统主轴驱动装置及工作特性主轴分段无极变速及控制主轴准停控制主轴与进给轴关联控制一、主轴驱动装置及工作特性（1）主轴电动机及驱动装置

6、数控机床的主轴驱动系统由主轴驱动装置和主轴电动机两部分构成，有直流电动机及相应的驱动装置和交流电动机及相应的驱动装置两种。直流电动机及驱动装置数控机床进给轴采用永磁式伺服电动机和脉宽调制（PWM）调速装置，其特点是惯性小、调速性能优越，便于位置控制应用。但永磁式伺服电动机和脉宽调制（PWM）调速装置都不能适应主轴电动机输出功率的要求，数控机床的主轴电动机一般只能采用它励式直流电动机和三相全控晶闸管调速装置。为缩小电动机体积并改善冷却效果，常采用轴向强迫风冷或热管冷却方式。主轴电动机及驱动装置交流电动机及驱动装置输出转换型交流主轴电动机：为满足机床切削的需要，要求主轴电

7、动机在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率，FANUC公司开发出一种称为输出转换型交流主轴电动机。其输出切换方法很多，包括三角形—星形切换和绕组数切换，或二者组合切换。尤其是绕组数切换方法比较方便，而且，每套绕组都能分别设计成最佳的功率特性，能得到非常宽的恒功率范围。交流电动机及驱动装置液体冷却主轴电动机：其结构特点是在电动机外壳和前端盖中间有一个独特的油路通道，用强迫循环的润滑油经此来冷却绕组和轴承，使电动机可在20000r/min高速下连续运行。这类电动机的恒功率范围也很宽。内装式主轴电动机（电主轴）：将主轴与电动机合为一体。电动机轴就是主轴本身