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1、述数控机床主轴驱动系统述伺服系统的组成数控机床对伺服系统的基本要求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。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。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。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
2、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，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。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，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。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
3、程（电机从静止到额定转速）的时间要短，一般在200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。速范围宽调速范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0240m/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024m/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
4、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。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）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）按被控对象分类进给伺服系统）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轴驱动装置及工作特性（1）主轴电动机及驱动装置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
5、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（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（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。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，要求主轴电动机在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率，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
6、，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。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/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，而电动机的定子被拼入在主轴内。内装式主轴电动机由空心轴转子、带绕组的定子和检测器三部分组成。由于电动机与主轴合二为一，既简化了结构，也消除了振动，降低了噪声，非常有利于高速运行。）轴分段无极变速及控制（1）分段无级变速原理数控机床采用无级调速主轴机构，可以大大简化主轴箱。但低速
7、段输出转矩常无法满足强切削转矩的要求。如单纯追求无级调速，必然增大主轴电动机功率，主轴电动机与驱动装置的体积、质量及成本都会大大增加，电动机的运行效率会大大降低。因此数控机床常采用14 挡齿轮变速与无级调速相结合的方案，即分段无级变速。用齿轮减速虽然可增大低速时的输出转矩，但同时降低了最高主轴转速。因此须采用齿轮自动换挡，达到既满足低速转矩，又满足最高主轴转速的要求。数控系统一般均提供4挡自动变速功能，而数控机床通常使用两挡即可满足要求。在数控系统参数区设置44四挡对应的最高主轴转速后，即可用44指令控制齿轮自动换挡。控制过程中，数控系统将根据当前动判断挡位，向44指令，由控装置同时输出相应的
8、模拟电压或数字信号设定对应的速度。）自动换挡控制轴蠕动换挡完成）变挡机构液压拨叉变挡机构：液压拨叉是用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。最简单的二位液压缸实现双联齿轮变速。三联或三联以上的齿轮换挡则需使用差动液压缸（具体结构和工作原理可参阅相关书籍）。液压拨叉变挡机构较为复杂，不但需要附加一套液压装置，还需将电信号转换为电磁阀动作，控制压力油分至相应的液压缸。磁离合器变挡机构：电磁离合器可以通过控制线圈的通断，来控制传动链接续和切断，便于实现电气自动控制。其缺点是体积较大，产生的磁通易使机械零件磁化。在数控机床主轴传动中，使用电磁离合器可简化变速机构，通过安装在各传动轴上离合器的吸合与分
9、离，形成不同的运动组合传动链，实现主轴变速。数控机床常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递转矩，允许不停车变速。但如果速度过高，会产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离合器将摩擦面加工成一定的齿形，可提高传递转矩，缩小离合器的径向和轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑，减少摩擦势，但牙嵌式电磁离合器必须在低速时才能变速。轴准停控制主轴准停功能指控制主轴准确停在固定位置的功能，又称为主轴定位功能，是数控加工过程中自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗、铣加工中心上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键传递的，因此，要求主轴具有准确的定位于圆周特定角度的功能（当加工阶梯孔或精镗
10、孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工过的孔表面，必须先让刀，再退刀。即使让刀，刀具也必须能够准确定位。轴准停功能分为机械准停和电气准停。机械准停：控系统准停注意问题：数控系统须具有主轴位置闭环控制功能。当采用主轴电动机轴端编码器检测位置信号，主轴传动链的精度可能对准停控制精度产生影响。用电气准停控制有如下优点： 简化机械结构 缩短准停时间 可靠性增大 轴与进给轴关联控制主轴与进给轴关联控制一般通过脉冲编码器来实现。（1）脉冲编码器 增量式脉冲编码器：脉冲发生器每次测量的角位移，都是相对上一次角度位置的增量。这种编码器结构简单，应用最广泛。为提高其分辨率，通常采用电子线路进行倍频细分。增量式脉冲编码器输出两个相位差90的A、中A、可利用它们相位超前或滞后的关系辨别旋转方向。绝对式脉冲编码器：码盘每一转角位置都刻有表示该位置的惟一代码，通过读取码盘之值即可直接获得主轴的角度坐标。单个码盘组成的绝对式脉冲编码器，只能测量0360范围内的角位移，测量大于360的角位移，必须使用有多个码盘的绝对式脉冲编码器。绝对式脉冲编码器码盘常用的码制有二进制、循环码、十进制码等几种。
