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1、第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统概概 述述 数控机床作为一种现代化数控加工设备，具有加工数控机床作为一种现代化数控加工设备，具有加工精度高、柔性制造能力强、易于实现集成化加工等优点，精度高、柔性制造能力强、易于实现集成化加工等优点，广泛应用于现代加工行业，是构成现代机械加工和精密广泛应用于现代加工行业，是构成现代机械加工和精密加工的主流加工机床。数控机床的高技术核心是高精密加工的主流加工机床。数控机床的高技术核心是高精密伺服系统和智能数控单元。伺服系统和智能数控单元。 数控机床的伺服机构要求控制精度高、响应速度快、数控机床的伺服机构要求控制精度高、响应速度快、动态精
2、度高等特点。数控单元要求其运算速度快、计算动态精度高等特点。数控单元要求其运算速度快、计算精度高、操作简单、运行稳定等。对数控单元的要求还精度高、操作简单、运行稳定等。对数控单元的要求还有接口的通用性和易扩展性，作为通用数控单元，现在有接口的通用性和易扩展性，作为通用数控单元，现在已经形成一个相对独立的行业。已经形成一个相对独立的行业。司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述 数控机床的基本结构包括：数控机床的基本结构包括：机床床体、数控单元、伺服系机床床体、数控单元、伺服系统、检测元件、照明和油路系统、检测元件、照明和油路系统等。普通
3、机床的各轴运动是统等。普通机床的各轴运动是分别独立调整和进给操作，作分别独立调整和进给操作，作为数控机床，各轴的进给与控为数控机床，各轴的进给与控制一般都是逻辑联动的，且实制一般都是逻辑联动的，且实现加工过程全自动化。现加工过程全自动化。数控机床的基本构成：数控机床的基本构成：司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述机床主要构件：机床主要构件：机床床体机床床体：床体具有和普通机：床体具有和普通机床差不多的构建，包括：床身、床差不多的构建，包括：床身、立柱、电机与主轴箱、加工台、立柱、电机与主轴箱、加工台、刀架系统、电气总成等。刀架系统、
4、电气总成等。主轴：主轴：是机床工作的主要部分是机床工作的主要部分之一。是机床刀具旋转驱动轴，之一。是机床刀具旋转驱动轴，有些机床是刀具不旋转而是工有些机床是刀具不旋转而是工件旋转，那么这种机床的主轴件旋转，那么这种机床的主轴就是工件旋转轴。就是工件旋转轴。进给：进给：是机床加工进程驱动。是机床加工进程驱动。如刀具吃进工件的深浅、工件如刀具吃进工件的深浅、工件移动等。一般相对独立于移动等。一般相对独立于主轴主轴驱动。驱动。司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统机床床身坐标系示意机床床身坐标系示意司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动
5、控制系统数控机床的分类：数控机床的分类：（1 1）按工艺特征分：）按工艺特征分： 通用机床通用机床，如数控车床、数控钻床、数控铣床、，如数控车床、数控钻床、数控铣床、数控切割机、数控滚齿机等单功能数控机床；数控切割机、数控滚齿机等单功能数控机床； 数控加工中心数控加工中心：在一台机床上完成车、削、钻、：在一台机床上完成车、削、钻、铣、磨等加工功能。数控机床往往配有齐备的道具库铣、磨等加工功能。数控机床往往配有齐备的道具库和自动换刀装置。和自动换刀装置。 多轴数控机床多轴数控机床：一般在：一般在5 5轴以上，结构复杂。轴以上，结构复杂。数控机床概述数控机床概述司服技术及系统第第4章章 数控交流伺
6、服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床的分类：数控机床的分类：（2 2）按数控装置功能分：）按数控装置功能分： 点位控制数控机床点位控制数控机床，机床移动部件获得，如数，机床移动部件获得，如数控鏜床、数控钻床、数控冲床等。控鏜床、数控钻床、数控冲床等。 点位直线控制数控加工中心点位直线控制数控加工中心：在点位控制基础：在点位控制基础上增加直线控制，移动中可以加工，如车床。上增加直线控制，移动中可以加工，如车床。 轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床：实现连续轨迹控制，即控：实现连续轨迹控制，即控制加工过程。制加工过程。数控机床概述数控机床概述司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系
7、统数控交流伺服运动控制系统数控机床对伺服系统的要求：数控机床对伺服系统的要求：（1 1）调速范围宽广）调速范围宽广 （2 2）调速精度高）调速精度高（3 3）响应快）响应快 （4 4）低速的扭矩大）低速的扭矩大数控机床概述数控机床概述数控机床伺服系统的功能：数控机床伺服系统的功能：（1 1）主轴伺服系统）主轴伺服系统 （2 2）进给伺服系统）进给伺服系统司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述机床主轴伺服系统机床主轴伺服系统主轴电机：主轴电机：2.22.2250kW250kW的功率，交流电机和直流电机，的功率，交流电机和直流电机，变频调
8、速变频调速调调 速：速：大调速范围且无极，如能在大调速范围且无极，如能在1 1：10010010001000范范围内进行恒转矩调速和围内进行恒转矩调速和1 1：1010的恒功率调速；的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；要求主传动有四象限的驱动能力；控制要求：控制要求：四象限控制；高精度定向停位控制；能与主四象限控制；高精度定向停位控制；能与主轴同步控制轴同步控制主轴传动的要求：主轴传动的要求：司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述机床主轴伺服系统机床主轴伺服系统交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动交流伺服电动机有永磁
9、式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电结构形式。而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，是因为，一方面受永动机均采用异步电动机的结构形式，是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性的主轴传动系统不必像进给
10、伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可满足数控机床主轴的要求。满足数控机床主轴的要求。司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述机床主轴伺服系统机床主轴伺服系统主轴伺服系统的基本组成：主轴伺服系统的基本组成： 交流主轴控制单元与进给系统一样，也有模拟式和数字式两种，现交流主轴控制单元与进给系统一样，也有模拟式和数字式两种，现在所见到的国外交流主轴控制单元大多都是数字式的。上图给出了交流主在所见到的国外交流主轴控制单元大多都是数字式的。上图给出了交流主轴
11、控制单元的框图。轴控制单元的框图。 司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述机床进给伺服系统机床进给伺服系统高精度：高精度：为了保证零件加工质量和提高效率，要保证数控机床为了保证零件加工质量和提高效率，要保证数控机床的定位精度和加工精度。因此，在位置控制中要求有高的定位精度和加工精度。因此，在位置控制中要求有高的定位精度，如的定位精度，如5m5m、1m1m等；而在速度控制中，要求有等；而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静态高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静态和动态速降尽可能小。和动态速降尽可能
12、小。快响应：快响应：为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，要求为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，要求系统有良好的快速响应特性。系统有良好的快速响应特性。宽调速范围宽调速范围 它是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与它是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速之比。对于一般的数控机床而言，要求进给伺最低转速之比。对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统能在服系统能在0 024m/min24m/min下都能正常工作。下都能正常工作。进给伺服系统要求：进给伺服系统要求：司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统机床进给伺服系统机床进给伺服系统进给伺
13、服系统基本组成：进给伺服系统基本组成：司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述机床数控系统机床数控系统（CNC）（1 1）根据加工工艺，规划加工）根据加工工艺，规划加工 轨迹，制定工作流程轨迹，制定工作流程（2 2）多轴联动控制与定位控制）多轴联动控制与定位控制（3 3）联网与网络通信）联网与网络通信（4 4）执行辅助功能指令和显示）执行辅助功能指令和显示（5 5）系统管理与自诊断）系统管理与自诊断现代数控系统的主要任务：现代数控系统的主要任务：司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机
14、床概述机床数控系统机床数控系统（CNC） 数控系统的硬件组成：数控系统的硬件组成： （1 1）单处理机）单处理机 （2 2）单处理机）单处理机+专用硬件专用硬件 （3 3）多处理机）多处理机司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述 单微处理控制机的数控系统单微处理控制机的数控系统司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述 单微处理机单微处理机+ +专用硬件的数控系统专用硬件的数控系统司服技术及系统第第4章章 数控交流伺服运动控制系统数控交流伺服运动控制系统数控机床概述数控机床概述 多单微处理机的数控系统多单微处理机的数控系统本章完司服技术及系统
