【正文】 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng) ， 而在數(shù)控機床中 ， 伺服系統(tǒng)主要指各坐標軸進給驅(qū)動的位置控制系統(tǒng) ， 它由執(zhí)行組件 （ 如步進電機 、 交直流電動機等 ） 和相應(yīng)的控制電路組成 ， 包括主驅(qū)動和進給驅(qū)動 。 伺服系統(tǒng)接收來自 CNC裝置的進給脈沖 ， 經(jīng)變換和放大 ， 再驅(qū)動各加工坐標軸按指令脈沖運動 。 這些軸有的帶動工作臺 ， 有的帶動刀架 ， 通過幾個坐標軸的綜合聯(lián)動 ， 使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機械運動 ， 加工出所要求的復(fù)雜形狀工件 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的性能 由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務(wù)不同 ， 它們對進給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同 ， 但通?？筛爬橐韵聨追矫?。 調(diào)速范圍寬 要求伺服電動機有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)良的調(diào)速特性 ， 不僅要滿足低速切削的要求 ，如 5mm／ min， 還要能滿足高速進給的要求 ， 如1000mm／ min， 甚至更大的范圍 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 快速響應(yīng)并無超調(diào) 位置伺服系統(tǒng)要有良好的快速響應(yīng)特性 ， 即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快 。 這就對伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能提出兩方面的要求 。 一般要求電機速度由零到最大 ， 或從最大減少到零 ， 時間應(yīng)控制在 200ms以下 ， 甚至少于幾十 ms， 且速度變化時不應(yīng)有超調(diào) 。 另一方面當負載突變時 ， 過渡過程前沿要陡 ， 恢復(fù)時間要短 ， 且無震蕩 ， 這樣才能得到光滑的加工表面 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 高精度 為了滿足數(shù)控加工精度的要求 ， 關(guān)鍵是保證數(shù)控機床的定位精度和進給跟蹤精度 。 位置伺服系統(tǒng)的定位精度一般要求能達到 ～ ， 高的可達到 。 相應(yīng)地 ， 對伺服系統(tǒng)的分辨率也提出了要求 。 當伺服系統(tǒng)接受 CNC送來的一個脈沖時 ，工作臺相應(yīng)移動的單位距離叫分辨率 。 目前的閉環(huán)伺服系統(tǒng)都能達到 1μm的分辨率 。 高精度數(shù)控機床也可達到 ， 甚至更小 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 低速大轉(zhuǎn)矩 機床在低速切削時 ， 切深和進給都較大 。 現(xiàn)代數(shù)控機床通常是伺服電動機與絲杠直連 ， 沒有降速齒輪 ， 這就要求主軸電動機輸出較大轉(zhuǎn)矩 ， 即在低速時進給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出 。 較高的工作穩(wěn)定性 伺服系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性要好 ， 并具有較強的抗干擾的能力 ， 保證進給速度均勻 、 平穩(wěn) ， 才能加工出高表面質(zhì)量的零件 。 較強的過載能力 由于電動機加減速時要求有很快的響應(yīng)速度 ， 而使電動機可能在過載條件下工作 。 這就要求電動機有較強的抗過載能力 。 通常要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載 4～ 6倍而不損壞 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行組件 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行組件主要有功率步進電動機 、直流伺服電動機和交流伺服電動機等 。 其作用是將電控信號的變化 ， 轉(zhuǎn)換成電動機輸出軸的角速度和角位移的變化 ， 從而帶動機床的機械部件作相應(yīng)的進給運動 。 伺服系統(tǒng)對執(zhí)行組件的基本要求是： （ 1） 控制簡單 ， 并具有較寬的調(diào)速范圍； （ 2） 動作迅速 ， 時間常數(shù)??； Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) （ 3） 具有穩(wěn)定的機械特性； （ 4） 工作可靠 ， 無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象 （ 當輸入信號為零時 ， 伺服電動機應(yīng)立即停止轉(zhuǎn)動 ） 。 步進電動機 普通電動機是連續(xù)運轉(zhuǎn)的 。 步進電動機是在外加電脈沖信號的作用下一步一步的運轉(zhuǎn) ， 正因為它的運動形式是步進式的 ， 故稱為步進電動機 。 步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁裝置 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 由于步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比 ， 在時間上與輸入脈沖同步 ， 因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量 、 頻率及電機繞組的通電順序 ， 便可獲得所需的轉(zhuǎn)角 、 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向 。 無脈沖輸入時 ，在繞組電源的激勵下 ， 氣隙磁場使轉(zhuǎn)子保持原有的位置處于定位狀態(tài) 。 步進電機具有獨特的優(yōu)點 ， 作為伺服電動機應(yīng)用于控制系統(tǒng)時 ， 可以使系統(tǒng)簡化 、 工作可靠 ， 而且可獲得較高的控制精度 。 因而在工業(yè)上大量用作狀態(tài)伺服組件 、 狀態(tài)指示組件 、 位置控制和速度控制組件 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) （ 1）步進電動機的分類 按工作原理 激磁式 定子和轉(zhuǎn)子均有繞組 ， 靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 反應(yīng)式 轉(zhuǎn)子無繞組 ， 定子繞組勵磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩 ， 使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 混合式 與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼 按輸出轉(zhuǎn)矩大小 快速步進電機 輸出扭矩一般為 ～ 4Nm 功率步進電機 輸出扭矩一般為 5～ 40Nm Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 按定子排列方式 多段式（軸向式）定子各相按軸向依次排列 單段式（徑向式）定子各相在圓周依次排列 按勵磁相數(shù)不同 分為三相 、 四相 、 五相 、 六相等 。 相數(shù)越多步距角越小 ， 但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜 。 （ 2） 步進電動機的工作原理 圖 418所示為數(shù)控機床中廣泛應(yīng)用的反應(yīng)式步進電動機工作原理示意圖 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 當 U、 V、 W三對磁極的繞組依次輪流通直流電 ，依次輪流產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 。 U相 ↓→轉(zhuǎn)子 3兩齒被磁極 U吸引 ， 如圖 （ a） 。 定子 六個磁極 激磁線圈 每兩個相對的磁極為一相 ，有 U、 V、 W三相 轉(zhuǎn)子 ——帶等距齒的鐵心 U相 ↑， V相 ↓→磁場吸引最近的 4齒 ， 轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)了 30176。 ， 如圖 （ b） 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) V相 ↑， W相 ↓→磁場吸引最近的 3齒 ， 轉(zhuǎn)子逆時針又轉(zhuǎn)了 30176。 ， 如圖 （ c） 。 這樣按 UVWUVW的次序通電 ， 步進電機就一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動 30176。 。 步進電機每步轉(zhuǎn)過的角度稱為 “ 步距角 ” 。 如 果 通 電相序改為 UWVUWV， 步進電動機將按順時針方向旋轉(zhuǎn) 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) （ 3） 三相步進電動機的通電方式及步距角 三相單三拍 其通電順序為 UVWU。 “三相 ” ——是指三相步進電機 “ 單 ” ——是指每次只有一相繞組通電 “ 三拍 ” ——是指三種通電狀態(tài)為一個循環(huán) 這種方式每次只有一相通電 ， 容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置上發(fā)生振蕩 ， 穩(wěn)定性不好 。 而且在轉(zhuǎn)換時 ，由于一相斷電時 ， 另一相剛開始通電 ， 容易 “ 失步 ”（ 指不能嚴格地對應(yīng)一個脈沖轉(zhuǎn)一步 ） ， 因而不常采用這種通電方式 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 三相雙三拍 其通電順序為 UVVWWUUV。 兩相同時通電 ， 轉(zhuǎn)子受到的感應(yīng)力矩大 ， 靜態(tài)誤差小 ， 定位精度高 ， 而且切換時始終有一相通電 ， 所以工作穩(wěn)定 ，不易失步 。 雙三拍通電方式運行時 ， 步距角與單三拍通電方式相同 。 三相六拍 其通電順序為 UUVVVWWWUU。單 、 雙相輪流通電的方式 ， 它具有雙三拍的特點 ， 由于通電狀態(tài)數(shù)增加一倍 ， 而使步距角減少一倍 。 且切換時始終有一相通電 ， 工作比較穩(wěn)定 。 這種控制方式增大了步進電動機的穩(wěn)定區(qū)域 ， 改善了步進電動機的性能 ， 故多采用這種控制方式 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 從上面的分析可以看出 ， 步進電動機轉(zhuǎn)動的角度取決于定子繞組的相數(shù) 、 轉(zhuǎn)子齒數(shù)及供電的邏輯狀態(tài) 。若以 θb表示步距角 ， 則有 m z Kb?360=θ （ 412） 式中 m—步進電動機相數(shù)； z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)； K— 由步進電動機控制方式確定的拍數(shù)和相數(shù)的比例系數(shù) ， 如三相三拍時 ， K＝１； 而三相六拍制時 ， K＝２ 。 為了提高加工精度 ， 一般要求步距角很小 ， 數(shù)控機床中常用的步進電動機步距角為 ～ 3ｏ Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 圖 418中的步進電動機模型 ， 轉(zhuǎn)子僅有４個齒 ，步距角較大 。 在實際應(yīng)由中要求步距角小得多 ， 為此可以增大轉(zhuǎn)子齒數(shù) 。 圖 419所示是目前廣泛應(yīng)用的一種三相六極步進 電動機結(jié)構(gòu)圖 。 每個定子磁極上有 5個齒 。 轉(zhuǎn)子上共有 40個齒和定子磁極上的齒寬相等 。 因此定轉(zhuǎn)子的齒距都為 360ｏ /40＝ 9ｏ 。在