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1、第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.1伺服驱动系统的组成数控机床伺服驱动系统的基本组成如图4-1所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.1伺服驱动系统的组成图4-1伺服驱动系统的基本组成第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.
2、1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.1伺服驱动系统的组成n开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电机。执行元件对系统的特性具有重要影响。n闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台运动。n在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由执行元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元和
3、机床组成。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理n1.数控机床伺服进给系统n数控机床所采用的伺服进给系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制以及混合控制四种。n（1）开环控制系统n无位置反馈装置的伺服进给系统称为开环控制系统。使用步进电动机(包括电液脉冲马达)作为伺服执行元件，是其最明显的特点。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制了步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置(或直接连接)带动了丝杠旋转，通过
4、丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。如图4-2所示开环控制伺服驱动系统的结构原理图。n采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本较低，但是由于系统对移动部件的实际位移量不进行检测，因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正。另外，步进电动机的步距角误差、齿轮与丝杠等部件的传动误差，最终都将影响被加工零件的精度；特别是在负载转矩超过电动机输出转矩时，将导致步进电动机的“失步”，使加工无法进行。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床上。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4
5、.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理图4-2开环控制伺服驱动系统的结构原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理n（2）半闭环控制系统n半闭环控制数控机床的特点是：机床的传动丝杠或伺服电动机上装有角位移检测装置(如：光电编码器等)，通过它可以检测电动机或丝杠的转角，从而间接地检测了移动部件的位移。角位移信号被反馈到数控装置或伺服驱动中，实现了从位置给定到电动机输出转角间的闭环自动调节。同样，由于伺服电动机和丝杠相连，通过丝杠可以将旋转运动转换为移动部件的直线位移，因此间接地控制了移动部件的移动速度
6、与位移量。这种结构只对电动机或丝杠的角位移进行了闭环控制，没有实现对最终输出的直线位移的闭环控制，故称为“半闭环”控制系统，如图4-3所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理图4-3半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理采用半闭环控制系统的数控机床，电气控制与机械传动间有明显的分界，因此调试、维修与故障诊断较方便；且机械部分的间隙、摩擦死区、刚度等非线性环节都在闭环以外，因此系统的稳定性较好。伺服电动机和光电编码器通常
7、做成一体，电动机和丝杠间可以直接联接或通过减速装置联接；位置检测单位和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数(通常被称为“电子齿轮比”)进行设置。它具有传动系统简单、结构紧凑、制造成本低、性能价格比高等特点，从而在数控机床上得到了广泛应用。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理图4-4半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理n如图4-3和如图4-4所示均为半闭环控制数控机床伺服驱动部分的结构原理图。如图4-3所示伺
8、服电动机内装编码器的情况，如图4-4所示编码器安装于丝杠上的情况。n（3）闭环控制系统n由于闭环控制系统的工作特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡。解决以上问题的最佳途径是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现了所谓的“零传动”。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。n从原理上说，数控机床的伺服系统应包括从
9、位置指令脉冲给定到实际位置输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电动机、检测元器件等部分。但在很多系统中，为了制造方便，通常将伺服系统的位置控制部分与CNC装置制成一体，所以，习惯上所说的机床伺服进给系统，一般是指伺服进给系统的速度控制单元、伺服电动机、检测元器件部分，而不包括位置控制部分。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理n按伺服进给系统使用的伺服电动机类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分直流伺服驱动和交流伺服驱动两大类。在20世纪70年代至80年代生产的数控机床上，一般均采用直流伺服驱动。从80
10、年代中、后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。n直流伺服驱动系统一般按其主回路采用的功率放大元器件类型，又分“晶闸管调速方式”(简称为SCR速度控制系统)和“晶体管脉宽调制调速方式”(简称PWM速度控制系统)两类。在控制上可以采用模拟量控制或数字量控制，因此，在某些场合还可以分为模拟式与数字式两种类型。n交流伺服系统一般均采用PWM调制信号控制功率晶体管进行驱动放大的主回路，并按其指令信号与控制型式，分为模拟式伺服与数字式伺服两类。初期的交流伺服系统一般是模拟式伺些系统，而目前使用的交流伺服通常都是采用数字量控制的全数字式交流伺服系统。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱
11、动系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理闭环伺服系统如图4-5所示，这种系统由比较环节、驱动线路（位置控制和速度控制）、伺服电机、检测反馈单元等组成。安装在工作台的位置检测装置，将工作台的实际位移量测出并转换成电信号，经反馈线路与指令信号进行比较，并将其差值经伺服放大，控制伺服电机带动工作台移动，直至差值消除时才停止修正动作。该系统精度理论上仅取决于测量装置的精度，消除了放大和传动部分的误差，间隙误差等的直接影响。但系统较复杂，调试和维修较困难，对检测元件要求较高，且有一定的保护措施、成本高。适用于大型或比较精密的数控设备。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动
12、系统伺服驱动系统4.1.2伺服驱动系统的工作原理图4-5闭环控制伺服驱动系统的结构原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n1进给驱动用的伺服电机n（1）改进型直流电机n改进型直流电机与传统电机结构类似，其区别主要是改进型直流电机设汁成转动惯量较小、过载能力较强，且具有较好的换向性能。它的动态特性比普通直流电机好，如图4-6所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-6改进型直流电第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱
13、动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（2）小惯量直流电机n小惯量直流电机分为无槽圆柱体电枢结构和带印制绕组的盘形结构。因为小惯量直流电机最大限度地减少电枢的转动惯量，所以获得较好的快速性。小惯量直流电机以其体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域，随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。为此，建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，可以有效的节省控制系统设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出；同时可以充分利用计算机仿真的优越性，人
14、为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同结构和不同工况下的动、静态特性，如图4-7所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型(a)(b)图4-7小惯量直流电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（3）步进电机n步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来
15、控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，如图4-8所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-8步进电机第第4章章 数控伺
16、服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（4）永磁直流伺服电机n永磁直流伺服电机转动惯量小、启动电压低、空载电流小；其接触式换向系统，大大提高电机转速，最高转速高达100000rpm；无刷伺服电机在执行伺服控制时，无须编码器也可实现速度、位置、扭矩等的控制；不存在电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无电磁干扰等特点。其特点是体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽；低速力矩大，波动小，运行平稳；低噪音，高效率；后端编码器反馈（选配）构成直流伺服等优点；直流伺服电机可应用在是数控机床、火花机、机械手、精确的机器等。可同时配置25
17、00P/R高分析度的标准编码器及测速器，更能加配减速箱、令机械设备带来可靠的准确性及高扭力。调速性好，单位重量和体积下，输出功率最高，大于交流电机，更远远超过步进电机。多级结构的力矩波动小，如图4-9所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-9永磁直流伺服电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（5）无刷直流电机n无刷直流电机具有高效节能、运行平稳、低振低噪、过载能力强、免维护性好等特点，是各种应用领域的理想驱动、控制元件。它使有槽电机无槽化，从而
18、将电机的效率、过载能力以及功率体积比提高到一个令人惊喜的程度，同时它以机电一体化的创新结构，把使用无刷电机中的烦琐操作大大简化，使其和普通电机一样简单，又具有免维护等各种优点，如图4-10所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-10无刷直流电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n（6）交流调速电机n调速电机是一种可靠的调速装置。能在规定的范围内均匀地、连续地无级调速并能输出额定转距，速度变化低于3%。结构简单、使用方便、控制功率小、启动性能好、启
19、动转距大、启动平滑、调速范围广等特点，如图4-11所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-11交流调速电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型n2主轴驱动电机n由于消费者多样化的需求和生产者降低成本的需要，各种具有高生产率和高灵活性的生产体系逐渐建立起来，其中自动换刀数控机床承担着核心任务，近来，对提高机床加工效率有了更进一步的高速、高精度、高效的要求，人们不断地对主轴、进给、刀具交换等各个系统进行技术开发，因此，相应地出现了如电主轴驱动单元、滚珠
20、丝杠、直线导轨等功能部件。机床主轴驱动可采用直流电机，也可采用交流电机。与进给驱动不同的是，主轴电机的功率要求更大，对转速要求更高，但对调速性能的要求却远不如进给驱动那样高。目前均使用交流电机，如图4-12所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.3伺服驱动系统电机类型图4-12主轴驱动电机第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.1 伺服驱动系统伺服驱动系统4.1.4数控机床对伺服驱动系统的要求n数控机床以其高效率、高精度和高柔性而占据大部分市场，数控机床的进给伺服系统是数控机床技术水平的标志，因此进给伺服系统的速度控制、位置控制、伺服电
21、机控制都必须具有很高的质量控制要求，基于数控机床的各式加工任务，其对进给伺服系统的要求有一下几点。n1.随时可实现反转n实际加工工件的时候，要求机床执行部件要灵活地正反转运行，这些工作指令是随机的，而且是根据加工轨迹要求来完成的。n2.精度相对较高n数控机床的定位精度和进给跟踪精度是保证数控机床加工精度的重要内容，也是保证精度的关键。n3.传动刚性高且速度稳定性好n数控机床的伺服系统在负载发生变化或者切削条件产生波动时应保证进给速度恒定，这样就能使负载力矩变化对进给速度不影响或者影响很小。n4.可实现低转速大转矩n在低速大进给量加工零件时要求伺服系统进给驱动输出较大的转矩。第第4章章 数控伺服
22、驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n步进电机及其驱动系统主要用于开环控制系统。它由步进电机驱动电源（又称步进电机驱动器）和步进电机组成。n步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环驱动元件。步进电机所用的电源与一般交、直流电机的电源也有区别，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电机或电脉冲电机。在非超载的情况下，电机的转速、角位移只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在
23、速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单、维修也较方便，而且为全数字化控制。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n1.步进电机分类n步进电机的分类有多种方法。n（1）按输出扭矩的大小分n可分为快速步进电机与功率步进电机两种。n（2）按励磁相数n可分为三相、四相、五相甚至八相。n（3）按其运动方式分n可分为旋转式、直线式、平面运动式和滚切运动式四种。n（4）按结构分n可分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）和印刷绕组式三种。n（5）按工作原理分n可分为反应式、电磁式、永磁式、永磁感应子式（混合式）步进电机，其中反
24、应式和混合式步进电机比较常用。不同类型的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全相同。n对给定的电机体积，混合式步进电机产生的转矩比反应式的大，加上混合式步进电机的步距角常做得很小，因此在工作空间受到限制而需要小步距角和大转矩的情况下，常选用混合式步进电机。反应式步进电机转子上没有永久磁钢，所以转子的机械惯量比混合式步进电机的转子惯量低，因此可以更快地加、减速。混合式步进电机转子有永久磁钢，所以在绕组未通电时，转子永久磁钢产生的磁通能产生自定位转矩，虽然这比绕组通电时产生的转矩小得多，但它确实是一种很有用的特性：使其在断电时，仍能保持转子的原来位置。反应式步进电机在断电时靠干摩擦负载转矩或靠专门
25、的磁定位或机械定位装置来实现定位。在实际应用中为提高加工精度，多采用小步距角的步进电机。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n实际应用中，主要控制步进电机的角位移、转速和方向。步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角脉冲的频率决定着电机的转速，改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变。n2.步进电动机的工作原理n由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面以三相反应式步进电机为例说明步进电机的工作原理。n（1）结构n电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻
26、，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开，如图4-13所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统图4-13步进电动机结构第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n3.术语n（1）相数n定子磁极对数，常用m表示。n（2）拍数n完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB
27、-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.n（3）步距角n对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统n（4）失步n电机运转时运转的步数不等于理论上的步数，称之为失步。n（5）失调角n转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调
28、角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。n（6）最大空载起动频率n电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。n（7）最大空载的运行频率n电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。n（8）运行矩频特性n电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据，如图4-14所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统图4-14矩频特性图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2
29、 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.1步进电机驱动系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n直流电机也可精确地控制旋转速度或转矩。直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动。n
30、无刷直流电机基本上是一个同步电机，转子采用永磁体，定子使用绕组。定子绕组排列成三相Y型连接，具有不规则四边形的转矩特性。通电后的定子绕组会产生电磁极性，吸引转子，产生转矩。当在定子相位上施加适宜顺序的电压时，就可以在定子上建立并维持一个旋转磁场。定子电流必须与转子磁场同步才能产生转矩。大多数无刷直流电机采用霍尔效应传感器来读取电机的旋转位置，使控制器以合适的顺序切换三个绕组相位的通断，从而产生旋转运动。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统图4-15导体ab处于N极下图4-16导体ab处于S极下第第4章章 数控伺服驱动系统
31、数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n直流电机工作过程：n如图4-15所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如图4-16所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理，如图4-17所示
32、。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。n直流电动机的工作原理是将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。这时电机内部有磁场存在，载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用（左手定则），所有导体将产生的电磁力作用于转子，使转子以转速n（r/min）旋转，以便拖动机械负载。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统图4-17工作过程第第4章章 数
33、控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n当直流电动机电枢绕组接至电源上时，根据电磁力定律，载流导体在磁场中受电磁力的作用，产生了一个转矩，在转矩的作用下，电枢便按逆时针方向旋转起来。n交流电机驱动系统n长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且
34、转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量比直流电动机的大，可达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后
35、的励磁电流，因而使电网功率因数降低。这种鼠笼式转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。n同步型交流伺服电动机虽比感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都是在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分为电磁式和非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式的优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动机的外
36、形尺寸约小1/2，质量减轻60，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。本节将以永磁同步式直流伺服电机为例介绍其工作原理。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱
37、动系统n无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。n电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接收电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接收位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接收速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。n由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载
38、突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定多的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。大的分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过，由于容易理解故讲原理时也用此类绕组；现代直流
39、电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。如图4-18所示的永磁直流无刷伺服电机工作原理图，它由永磁步进电机、功率逻辑开关单元和转子位置传感器组成。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统图4-18 三相永磁直流无刷伺服电机工作原理图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2
40、直流电机驱动系统图4-19 开关顺序及定子磁场旋转示图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统n4）位置传感器（含速度）n可分为旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等。n（5）电源及能耗制动电路n（6）键盘及显示电路n（7）接口电路n包括模拟电压、数字I/O及串口通信电路。n（8）故障检测、保护电路n伺服驱动的控制技术主要包括：矢量控制技术、电流反馈跟踪技术、实时PWM技术（一般采用滞环法、次谐波法和空间矢量法）。第第
41、4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.2 伺服电机驱动系统伺服电机驱动系统4.2.2直流电机驱动系统图4-20交流伺服系统组成第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n近几年国产数控系统在引进消化国外数控技术的基础上有了很大的发展，已经生产出具有自主版权的数控系统和数控机床。西方禁锢中国多年的三轴以上联动技术也自行研制成功，从而一举打破国外的技术封锁和经济垄断，为振兴民族数控产业，加速工业现代化奠定了坚实的技术基础。目前，国产数控机床广泛应用的国产数控系统有华中、蓝天、航天、四开、凯恩帝、开通等品牌，主要以华中
42、数控为例介绍。n1.基于PC的数控系统硬件n华中数控系统采用了先进的技术路线，具有可靠的质量保证，现已成为既具有国际先进水平又有我国技术特色的数控产品。具体为：n（1）以通用工控计算机为基础的开放式和模块化体系结构。n（2）以WINDOWS操作系统为基础，体系结构开放。n（3）具有特点的数控软件技术和独创的曲面实时插补算法。n（4）具有友好的用户界面，便于用户学习和使用。n（5）搭载网络、通讯和集成功能。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n2.开放体系结构数控装置的优点n（1）向未来技术开放n由于软硬件接口都遵
43、循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期。n（2）标准化的人机界面、标准化的编程语言n方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。n（3）向用户特殊要求开放n更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合，以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户能方便地融入自身的技术诀窍，创造自己的名牌产品。n（4）高可靠性和低成本n可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应
44、能力和竞争能力。由于工业用CNC系统没有使用标准PC键盘，所以键盘画在虚线框外。n华中数控系统的位置单元接口根据使用伺服单元的不同而有不同的具体实现方法。当用步进电机作为驱动元件时，位置单元接口则用多功能NC接口板。当伺服单元为数字式交流伺服单元时，位置单元接口可采用标准RS232串口；当伺服单元为模拟式交流伺服单元时，位置单元接口则用位置环板。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n数控装置与数控系统各个功能模块和机床之间的联系信息和控制信息，通过I/0接口电路连接起来，接口电路的主要任务有以下两个内容：n进行电
45、平转换和功率放大。因为一般数控装置的信号是TTL逻辑电路产生的电平，而控制机床的信号则不一定是TTL电平，且负载较大，因此，要进行必要的信号电平转换和功率放大。n提高数控装置的抗干扰性能，防止外界的电磁干扰噪声而引起误动作。接口采用了光耦合器件或继电器，避免信号的直接连接，如图4-21所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统图4-21华中数控系统体系结构第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n3.硬件平台体系结构n华中数控系统的硬件
46、平台体系结构如图4-21所示。虚线框内为标准PC机配置，其中微处理器采用80486或80586，系统控制部件包括DMA控制器(外部设备如软盘等与内存进行高速数据传送)、中断控制器(作系统中断用)、定时器(作系统定时用)等，外存包括硬盘和软盘或者电子盘。由于工业用CNC系统没有使用标准PC键盘，故键盘画在虚线框外。系统连接如图4-22所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统图4-22系统连接示意图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统
47、n4.华中世纪星HNC-21数控系统的连接n华中“世纪星HNC-21”数控系统，该系统采用了9.4寸真彩TFT液晶显示器（分辨率为640480，色彩256K色），具有高亮度、高对比度，色彩丰富，视角范围宽广等优点。适用于各种车、铣床加工中心等机床的控制，采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，结构牢靠，造型美观，体积小巧，具有极高的性能价格比。目前已广泛用于车、铣、磨、锻、齿轮、仿形、激光加工、纺织、医疗等设备。最大联动轴数为4轴。可选配各种类型的脉冲式（HSV-16系列全数字交流伺服驱动单元），模拟式交流伺服驱动单元或步进电机驱动单元以及HSV-11系列串行接口伺
48、服驱动单元。除标准机床控制面板外，配置40路开关量输入和32路开关量输出接口、手持单元接口、主轴控制与编码器接口。还可扩展远程128路输入/128路输出端子板。（1）世纪星HNC-21的数控设备的结构n世纪星HNC-21的数控设备的结构框图，如图4-23所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统图4-23结构框图采用HNC-21的数控设备的接线示意图，如图4-24所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统图4-24HNC-21的数控
49、设备的接线示意图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统n2）华中世纪星HNC-21数控装置的接口nHNC-21数控装置的所有接口如图4-25所示图4-25HNC-21数控装置的所有接口电源接口:XS1，其管脚如图4-26所示，引脚分配如表4-1所示第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服
50、驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4
51、.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.1华中系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.2德国SIEMENS系统nSIEMENS公司的数控装置采用模块化结构设计，经济性好，在一种标准硬件上，配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足各种机床的需要，并成为系列产品。随着微电子技术的发展，越来越多地采用大规模集成电路（LSI），表面安装器件(SMC)及应用先进加工工艺，所以新的系统结构更为紧凑，性能更强，价格更低。采用SIMATICS系列可编程控制器或集成式可编程控制器，用SYEP编程语言，具有丰富的人机对话
52、功能，具有多种语言的显示。nSIEMENS公司CNC装置主要有SINUMERIK38810820850880805802840系列。n1.SINUMERIK840C系统nSINUMERIK840C系统是西门子公司19911993年才开发出的最新数控系统，适用于全功能车削中心、铣床和加工中心及FMS、CIMS的轨迹控制的模块微处理器CNC系统。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.2德国SIEMENS系统nSINUMERIK840C系统主要由中央控制器、中央控制组件、外围组件、输入输出组件、接口组件、手持操作器和14TFT彩色
53、显示器等组成。中央控制器配有功能强大的PLCl35WB2及电源、接口等。中央控制组件有NC-CPU386DX、MMC-CPU386SX、MMC-CPU386SX、附带387SX。采用分散的机床外设(DMP)，主要分三个区域，交互式图形车间编程（IGM）区，NC区和PLC区。nSINUMERIK840C系统的主要特点有4个轴同时独立运行，5轴联动，两个手轮同时独立运行，双溜板或双主轴结构。输入分辨率10m到0.001m，坐标轴0.01到0.00001。具有32位微处理机，并配有计算机辅助设计（CAD）功能，与IBMPCAT兼容，具有标准的多任务操作系统。PLC用户程序存储器32K字节（RAM）可
54、扩展到256M，用户数据存储器8K字节，可扩展到48K字节。CNC用户存储器512K字节，硬盘中央用户存储器可扩展到40M字节。3964R或LSV2接口共4个，及通用串行接口RS232C（V24），具有功能全面的文字管理方式。在加工时，可同时读入和输出程序及PLC报警。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.2德国SIEMENS系统n2.SINUMERIK840D系统nSINUMERIK840D系统适用于所有的数控场合，10个加工通道，从2轴到31轴控制。系统有三种基于不同计算机性能主板而分别适用于高级、中级和基本的应用范围。
55、840D系统控制器和相关的软件均按照模块化结构进行配备，可以实现从复杂的多轴运动控制直到高速切削所需要的数控系统基础平台和应用范围很广的应用操作知识库。零件的编程以易于操作使用为原则，可使用循环方式和轮廓方式直接进行编程，用通俗易懂的图形模拟方式验证切削路径和几何尺寸，可选定一个面、顶部或三维观察的方式，采用带刀尖轨迹或不带刀尖轨迹进行模拟显示。840D系统连接如图4-37所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.2德国SIEMENS系统图4-37840D系统连接图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机
56、床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.2德国SIEMENS系统n3.SINUMERIK802系统nSINUMERIK802系统包括802S/Se/Sbaseline、802C/Ce/Cbaseline、802D等型号，它是西门子公司20世纪90年代才开发的集CNC、PLC于一体的经济型控制系统。nSINUMERIK802系统的性能/价格比较高，比较适合于经济型与普及型车、铣、磨床的控制。SINUMERIK802系列数控系统的共同特点是结构简单、体积小、可靠性高，此外系统软件功能也比较完善。nSINUMERIK802S、802C系列是SIEMENS公司专为简易数控机床开发的经济型数控
57、系统，两种系统的区别是:802S/Se/Sbaseline系列采用步进电动机驱动，802C/Ce/Cbaseline系列采用数字式交流伺服驱动系统。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n1.FANUC数控系统特点与系列n（1）特点n日本FANUC公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统，主要体现在以下几个方面：n系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。n具有很强的抵
58、抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为045，相对湿度为75。n有较完善的保护措施。FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。nFANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。n提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。n具有很强的DNC功能。系统提供串行RS232C传输接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作。n提供丰富的维修报警和诊断功能。FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类
59、别进行分类。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n（2）主要系列n高可靠性的PowerMate0系列。用于控制2轴的小型车床，取代步进电机的伺服系统；可配画面清晰、操作方便，中文显示的CRTMDI，也可配性能价格比高的DPLMDI。n普及型CNC0D系列。0TD用于车床，0MD用于铣床及小型加工中心，0GCD用于圆柱磨床，0GSD用于平面磨床，0PD用于冲床。n全功能型的0C系列。0TC用于通用车床、自动车床，0MC用于铣床、钻床、加工中心，0GCC用于内、外圆磨床，0GSC用于平面磨床，0TTC用于双
60、刀架4轴车床。n高性能价格比的0i系列。整体软件功能包，高速、高精度加工，并具有网络功能。0iMBMA用于加工中心和铣床，4轴4联动；0iTBTA用于车床，4轴2联动，0imateMA用于铣床，3轴3联动；0imateTA用于车床，2轴2联动。n具有网络功能的超小型、超薄型CNC16i/18i21i系列。控制单元与LCD集成于一体，具有网络功能，超高速串行数据通讯。其中FSl6iMB的插补、位置检测和伺服控制以纳米为单位。16i最大可控8轴，6轴联动；18i最大可控6轴，4轴联动；21i最大可控4轴，4轴联动。n除此之外，还有实现机床个性化的CNC1618/160180系列。n2.FANUC数
61、控系统基本构成n（1）FANUC6系列nFANUC6系列属于早年的产品，现在已不再生产，但在十几年前生产的数控机床上仍然使用。FANUC6系列中的6MB结构框图如图4-38所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-38FANUC6系列中的6MB结构框图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n（2）FANUC0系列nFANUC0系统由数控单元本体，主轴和进给伺服单元以及相应的主轴电机和进给电机、CRT显示器、系
62、统操作面板、机床操作面板，附加的输入输出接口板(B2)、电池盒、手摇脉冲发生器等部件组成。nFANUC0系统的CNC单元为大板结构。基本配置有主印制电路板(PCB)、存储器板、图形显示板、可编程机床控制器板（PMCM）、伺服轴控制板、输入输出接口板、子CPU（中央处理器）板、扩展的轴控制板、数控单元电源和DNC控制板。各板插在主印制电路板上，与CPU的总线相连。如图4-39所示FANUC0系统数控单元的结构图，各部件的功能如下：第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统 图4-39FANUC0系统数控单元的结
63、构图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n主印制电路板(PCB)。连接各功能板、故障报警等。主CPU在该板上，用于系统主控。n数控单元电源。主要提供+5V、+15V、15V、+24V、24V直流电源，用于各板的供电。24V直流电源，用于单元内继电器控制。n图形显示板。提供图形显示功能，第2、3手摇脉冲发生器接口等。nPMC板(PMCM)。PMCM型可编程机床控制器，提供扩展的输入输出板的接口。n基本轴控制板（AXE）。提供X、Y、Z和第4轴的进给指令，接收从X、Y、Z和第4轴位置编码器反馈的位置信号。n
64、输入输出接口。通过插座M1，M18和M20提供输入点，通过插座M2，M19和M20提供输出点，为PMC提供输入输出信号。n存储器板。接收系统操作面板的键盘输入信号，提供串行数据传送接口，第1手摇脉冲发生器接口，主轴模拟量和位置编码器接口，存储系统参数、刀具参数和零件加工程序等。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n子CPU板。用于管理第5，6，7，8轴的数据分配，提供RS232C和RS422串行数据接口等。n扩展轴控制板(AXS)。提供第5，6轴的进给指令，接收从第5，6轴位置编码器反馈的位置信号。n扩
65、展轴控制板(AXA)。提供第7，8轴的进给指令，接收从第7，8轴位置编码器反馈的位置信号。n扩展的输入输出接口。通过插座M61，M78和M80提供输入点，通过插座M62，M79和M80提供输出点，为PMC提供输入输出信号。n通信板（DNC2）。提供数据通信接口。n（3）FANUC0i系列nFANUC0i系统由主板和IO两个模块构成。n主板模块包括主CPU、内存、PMC控制、IOLink控制、伺服控制、主轴控制、内存卡IF、LED显示等。IO模块包括电源、IO接口、通信接口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制和高速串行总线等。n各部分与机床、外部设备连接插槽或插座如图4-40所示。第第4章
66、章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-40连接图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n3.FANUC0系统的配置n（1）控制单元的连接n如图4-41所示FANUC0系统基本轴控制板（AXE）与伺服放大器、伺服电机和编码器连接图。M184M199为轴控制板上的插座编号，其中M184、M187、M194、M197为控制器指令输出端；M185、M188、M195、M198是内装型脉冲编码器输入端，在半闭环伺服系统中为速度/
67、位置反馈，在全闭环伺服系统中作为速度反馈；M186、M189、M196、M199只作为在全闭环伺服系统中的位置反馈，可以接分离型脉冲编码器或光栅尺。H20表示20针HONDA插头，M表示“针”，F表示“孔”。如果选用绝对编码器，CPA9端接相应电池盒。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-41FANUC0系统连接图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统存储器板存放工件程序、偏移量和系统参数，系统断电后由电池单元
68、供电保存。同时连接着显示器、MDI单元、第一手摇脉冲发生器、串行通信接口、主轴控制器和主轴位置编码器、电池等单元，如图4-42所示。在电源单元中，CP15为24VDC输出端，供显示单元使用，BN6F为6针棕色插头；CP1是单相AC220V输入端，BK3F为3针黑色插头；CP3接电源开关电路；CP2为AC220V输入端，可以接冷却风扇或其他需要AC220V设备。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-42各单元连接图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服
69、系统控制实例4.3.3日本FANUC系统如图4-43所示为内置I/O接口图，其中M1、M18为I/O输入插座，共计80个I/O输入点；M2、M19为I/O输出插座，共计56个I/O输出点；M20包括24个I/O输入点和16个I/O输出点。这些I/O点可以用于强电柜中的中间继电器控制，机床控制面板的按钮和指示灯、行程开关等开关量控制。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-43内置I/O接口图第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日
70、本FANUC系统n（2）伺服系统的基本配置n1S系列进给伺服系统的基本配置n常用的S系列交流伺服放大器分1轴型、2轴型和3轴型3种。其电源电压为200/230V，由专用的伺服变压器供给，AC100V制动电源由NC电源变压器供给。n如图4-44和图4-45所示为1轴型和2轴型伺服单元的基本配置和连接方法。图中电缆K1为NC到伺服单元的指令电缆，K2S为脉冲编码器的位置反馈电缆，K3为AC230/200V电源输入线，K4为伺服电机的动力线电缆，K5为伺服单元的ACl00V制动电源电缆，K6为伺服单元到放电单元的电缆，K7为伺服单元到放电单元和伺服变压器的温度接点电缆。QF和MCC分别为伺服单元的电
71、源输入断路器和主接触器，用于控制伺服单元电源的通和断。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n伺服单元的接线端T24和T25之间有一个短路片，如果使用外接型放电单元，则应将它取下，并将伺服单元印刷电路板上的短路棒S2设置到H位置，反之则设置到L位置。n伺服单元的连接端T41和T42为放电单元和伺服变压器的温度接点串联后的输入点，上述两个接点断开时将产生过热报警。如果使用这对接点，应将伺服单元印刷电路板上的短路棒S1设置到L位置。n在2轴型伺服单元中，插座CN1L、CN1M、CN1N可分别用电缆K1和数控系
72、统的轴控制板上的指令信号插座相连，而伺服单元中的动力线端子T15L，6L，7L和T15M，6M，7M以及T15N，6N，7N则应分别接到相应的伺服电机，从伺服电机的脉冲编码器返回的电缆也应一一对应地接到数控系统的轴控制板上的反馈信号插座（即L，M，N分别表示同一个轴）。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-441轴型伺服单元基本配置和连接方法第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-452轴型伺服单元基本配置
73、和连接方法第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统如图4-46所示是FANUC的CNC与Alpha系列2轴交流驱动单元组成的伺服系统结构简图，伺服电机上的脉冲编码器作为位置检测元件也作为速度检测元件，它将检测信号反馈到CNC中，由CNC完成位置处理和速度处理。CNC将速度控制信号、速度反馈信号以及使能信号输出到伺服放大器的JVBl和JVB2端口。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-46伺服系统结构简图第第4章章
74、 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n2S系列主轴伺服系统的基本配置n如图4-47所示是S系列主轴伺服系统的连接方法，其中K1为从伺服变压器副边输出的AC220V三相电源电缆，应接到主轴伺服单元的U，V，W和C端，输出到主轴电机的动力线，应与接线盒盖内面的指示相符。K3为从主轴伺服单元的端子T1上的R0，S0和T0输出到主轴风扇电机的动力线，应使风扇向外排风。K4为主轴电机的编码器反馈电缆，其中PA，PB，RA和RB用做速度反馈信号，0H1和0H2为电机温度接点，SS为屏蔽线。K5为从NC和PMC输出到主轴伺服单
75、元的控制信号电缆，接到主轴伺服单元的50芯插座CN1。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-47S系列主轴伺服系统的连接方法第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n当电动机为A1pha系列电动机，伺服为半闭环系统时，不管使用何种串行位置编码器，电动机旋转时位置反馈的脉冲数取100000
76、0pr。n当不需要柔性齿轮比功能时，可以将该轴的nm值设定为0。n参数PRM37#3#0用于选择是否使用分离型的反馈系统，当设定为1时，伺服的位置反馈由分离型的接口输入。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-48柔性齿轮比参数第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n（2）伺服电动机代码和自动设定以及伺服的优化n在数字伺服的软件中，包括了所有电动机(非负载情况下)最佳的伺服控制参数，该参数在机床的调试时将被设定。
77、具体方法可以通过伺服设定画面，在该画面集中了各个控制轴主要参数，如图4-49所示。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统图4-49控制轴主要参数第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统n初始设定位（initialsetbits）。#1位为0时进行参数自动设定。设定完成后，该位恢复为1。n电动机代码（MotorIDNo）。电动机的代码（099）用于每种电动机。nAMR。当使用Alpha系列电动机时，该值为0。nCMR2。
78、指令倍乘比。n柔性齿轮比nm。根据上述介绍的公式设定。n方向设定DirectionSet。用于设定正确的电动机方向。n速度脉冲数VelocityPulse。使用A1pha系列电动机时为8192819。n位置脉冲数Positionpulse。当系统为半闭环，A1pha系列电动机为125001250；当系统使用全闭环时，取决于反馈脉冲数转。n参考计数器RefCounter。用于参考点回零的计数器。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统4.3 数控机床伺服系统控制实例数控机床伺服系统控制实例4.3.3日本FANUC系统在上述的参数设定完成以后，当初始设定位的#1位为0时，该轴的伺服参数会进行自
79、动参数设定，设定如果正常完成后，该位变为1，一般以上参数都是由机床厂家在机床调试时进行设定的。但是由于自动设定的参数是FANUC公司在系统设计时非负载情况下调试出来的最佳参数，实际上该参数不能够满足各种不同负载和机械条件下的最佳参数，所以一般要根据实际的机床情况进行参数的优化。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统n本章小结n本章主要介绍了伺服驱动系统中伺服驱动系统的组成、伺服驱动系统的工作原理以及伺服驱动系统的电机类型和数控机床对伺服驱动系统的要求；另外还介绍了伺服电机驱动系统，其中步进电机驱动系统、直流电机驱动系统和交流电机驱动系统为该章的重点部分，同时也是掌握的主要部分；本章最后，以数控机床伺服系统控制实例，介绍了国产的华中数控系统、德国的SIEMENS系统和日本的FANUC系统，主要围绕三种具有代表性产品的结构组成和关键部分来说明数控系统的基本情况。第第4章章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统n习题n1数控机床伺服驱动系统统的组成元件有哪些？n2简述德国SIEMENS伺服驱动系统的工作原理。n3说明日本FANUC伺服驱动系统的电机类型，以及各种类型电机的工作过程和工作原理。n4试述数控机床对伺服驱动系统的要求
