1、数控机床的主要功能部件数控机床的主要功能部件数控机床的驱动装置数控机床的驱动装置 ( (伺服单元伺服单元 略略) ) 数控机床的驱动装置是数控装置与机床联系的纽带，它接受数控数控机床的驱动装置是数控装置与机床联系的纽带，它接受数控装置发出的脉冲信号，经过转换和功率放大后，驱动电机旋转装置发出的脉冲信号，经过转换和功率放大后，驱动电机旋转, ,使机床使机床工作台或主轴头实现进给运动。它在很大程度上决定了数控机床的成本、工作台或主轴头实现进给运动。它在很大程度上决定了数控机床的成本、加工精度及可靠性。加工精度及可靠性。对进给驱动装置的要求主要有：对进给驱动装置的要求主要有：a a、定位精度高，指令
2、位移与实际位移之差要小；、定位精度高，指令位移与实际位移之差要小；b b、调速范围宽，为了加工不同尺寸和材料的零件的需要；、调速范围宽，为了加工不同尺寸和材料的零件的需要；c c、电机负载特性要硬，当负载变化时，电机输出的速度基本不变；、电机负载特性要硬，当负载变化时，电机输出的速度基本不变；d d、动态响应快。、动态响应快。一、步进电机一、步进电机1 1、步进电机的结构原理、步进电机的结构原理 步进电机是一种能将数控装置输入的进给脉冲转化成角位移的特殊电机，它每接受步进电机是一种能将数控装置输入的进给脉冲转化成角位移的特殊电机，它每接受一个进给脉冲步进电机就走一步，转过一定的角度。这个角度称
3、为步距角，用一个进给脉冲步进电机就走一步，转过一定的角度。这个角度称为步距角，用表示。表示。 只要控制输入脉冲的数量，便可控制步进电机位移量大小。而控制输入脉冲的频率，只要控制输入脉冲的数量，便可控制步进电机位移量大小。而控制输入脉冲的频率，便可控制步进电机的速度。便可控制步进电机的速度。 下面以反应式功率步进电机为例讲解其动作原理下面以反应式功率步进电机为例讲解其动作原理 所谓反应式就是电机转子上无绕组，步进运行靠定子绕组通入激磁所谓反应式就是电机转子上无绕组，步进运行靠定子绕组通入激磁 电流产生反应力矩而实现的。电流产生反应力矩而实现的。 在电机的定子上有三相绕组，故称三相步进电机。在电机
4、的定子上有三相绕组，故称三相步进电机。 当定子当定子A A相绕组通以直流电时，相绕组通以直流电时，A A相产生磁场，吸引在相产生磁场，吸引在A A相附近的相附近的1 1、3 3齿，转齿，转子子1 1、3 3齿与齿与A A相对齐，电机转子逆时针旋转相对齐，电机转子逆时针旋转3030后停止。然后后停止。然后A A相断电，相断电，B B相通电。相通电。则定子则定子A A相磁场消失，而相磁场消失，而B B相产生磁场，此时，在相产生磁场，此时，在B B相磁场的作用下又吸引了最靠相磁场的作用下又吸引了最靠近近B B相的相的2 2、4 4齿。齿。2 2、4 4齿与定子齿与定子B B相对齐，转子又逆时针方向旋
5、转相对齐，转子又逆时针方向旋转3030后停止。后停止。 按按ABCABABCAB 的顺序连续通电，则步进电机一步一步地沿逆时针方的顺序连续通电，则步进电机一步一步地沿逆时针方向不停地旋转。这种通电方式称为三拍控制。即三相三拍反应式步进电机。若向不停地旋转。这种通电方式称为三拍控制。即三相三拍反应式步进电机。若步进电机按步进电机按ACBACBAACBACBA的顺序通电，的顺序通电， 则电机反向旋转。则电机反向旋转。 此种通电方式在此种通电方式在A A相断电相断电B B相尚未接通时，转子齿不受磁场控制，转子转动不平相尚未接通时，转子齿不受磁场控制，转子转动不平稳。稳。如果把通电方式改为如果把通电方
6、式改为A A相通电后，再相通电后，再ABAB两相同时通电两相同时通电. .则定子附近转子上的则定子附近转子上的1-41-4齿齿, , 同时受到同时受到A AB B两相磁极的吸引，两相磁极的吸引，1-41-4齿将位于齿将位于A AB B两相磁极之间。当以两相磁极之间。当以AABBBCCCAAAABBBCCCAA的顺序通电，步进电机每接受一个脉冲逆时针方向旋转的顺序通电，步进电机每接受一个脉冲逆时针方向旋转1515，这种通电方式称为六拍控制方式。当步进电机定转子齿数不变，这种通电方式称为六拍控制方式。当步进电机定转子齿数不变, , 控制方式控制方式改变时改变时, ,步距角可以减小一半。步距角可以减
7、小一半。 这种通电方式的特点是它在整个通电过程中这种通电方式的特点是它在整个通电过程中, , 始终有一相处于通电状态始终有一相处于通电状态, , 转转子齿始终有磁场吸引。子齿始终有磁场吸引。t(导程)Z 2Z 12、步进电机、步进电机进给系统传动比及脉冲当量的计算进给系统传动比及脉冲当量的计算( (已知条件如下已知条件如下) ) 、 步距角步距角 =0.9=0.9 t t、 丝杠导程丝杠导程( (或螺距或螺距) )一般纵向丝杠导程取一般纵向丝杠导程取(6(68 810)mm 10)mm ， 横向丝杠导程取横向丝杠导程取(4(45)mm5)mm Z Z1 1、传动齿轮、传动齿轮1 1 Z Z2
8、2、传动齿轮、传动齿轮2 2 i i、 传动比传动比 i=Z1/Z2 i=Z1/Z2 脉冲当量脉冲当量: :步进电机每接受一个进给脉冲步进电机每接受一个进给脉冲, ,工作台移动的距离工作台移动的距离. . 一般工作台纵向移动的脉冲当量在一般工作台纵向移动的脉冲当量在(0.005-0.01)(0.005-0.01)通常选通常选0.010.01便于计算；便于计算； 一般工作台横向移动的脉冲当量在一般工作台横向移动的脉冲当量在(0.002-0.01)(0.002-0.01)通常选通常选0.0050.005。举例举例 1):1):列出运动方程式列出运动方程式 设设 =0.9=0.9 t=6mm t=6
9、mm 代入数据代入数据 若若A=80mm (A=80mm (中心距中心距) m=2 A=m(Z) m=2 A=m(Z1 1+Z+Z2 2)/2 Z)/2 Z1 1+Z+Z2 2=80 Z=80 Z1 1/Z/Z2 2=4/6=4/6 联立求解得联立求解得 Z Z1 1=32 Z=32 Z2 2=48 Z=48 Z1 1/Z/Z2 2=32/48=32/48ti36001.001.036021tZZ6469.036001.0i01. 0360ti已知：已知： 步进电机步距角步进电机步距角 =0.9=0.90 0Z Zk k蜗杆头数蜗杆头数 Z Zk k=1=1Z Zw w蜗轮齿数蜗轮齿数 Z Z
10、w w=60=60Z Z1 1传动齿轮传动齿轮1 1 Z Z2 2传动齿轮传动齿轮2 2 转台脉冲当量，取转台脉冲当量，取0.010.010 0一般为（或一般为（或0.0020.0020 00.0050.0050 0）求求Z Z1 1=?=?，Z Z2 2=?=?步进电机Z 1 Z 2ZwZk 图图b b 步进电机数控转台步进电机数控转台21zzi 列出运动方程式：列出运动方程式：将已知条件带入：将已知条件带入：若若A=60mmA=60mm，m=2,m=2,则，则， 则则 z z1 1+z+z2 2=60=60联立：联立： z z2 2=36, z=36, z1 1=24=24结论：步进电机的
11、进给系统使用齿轮传动，一是为了求得所需要的脉冲结论：步进电机的进给系统使用齿轮传动，一是为了求得所需要的脉冲 当量，二是可以起增大转矩的作用。当量，二是可以起增大转矩的作用。wkzzzz2101. 06019 . 0i32609 . 001. 0i2212)(zzzzmA60322121zzzz轴承精度级轴承精度级 B B级级( (超精级超精级) C) C级级( (特精级特精级) D) D级级( (精密级精密级) ) E E级级( (高级高级) )普通精度机床前轴承常用普通精度机床前轴承常用C C、D D级级, , 后轴承常用后轴承常用D D、E E级级a )b )c )d )3 3、主轴轴承
12、的预紧、主轴轴承的预紧 采用予紧方法采用予紧方法, ,合理选择予紧量可以提高主轴部件的合理选择予紧量可以提高主轴部件的刚刚度和抗振性。度和抗振性。 对滚动轴承间隙的调整对滚动轴承间隙的调整, ,通常是使轴承内通常是使轴承内, ,外圈作相对外圈作相对的轴向位移实现的的轴向位移实现的 常用的方法有常用的方法有: : a a、轴承内圈移动法；、轴承内圈移动法； 结构简单结构简单, ,予紧量不易控制予紧量不易控制带锁紧的园螺母带锁紧的园螺母, ,右端的园螺母限制了轴承右端的园螺母限制了轴承内圈的移动；内圈的移动；b b、修后座圈或隔套。、修后座圈或隔套。二、主传动二、主传动( (变速变速) )系统系统
13、 数控机床的主传动变速系统可以是有级的，也可以是无级的。通常数控机床的主传动变速系统可以是有级的，也可以是无级的。通常的主轴电机的恒功率的最高转速与额定转速之比为的主轴电机的恒功率的最高转速与额定转速之比为1 13 3或或1 14 4，为了机，为了机床切削的需要床切削的需要, ,在主轴与电机之间还要串联一个变速箱其作用一是扩大在主轴与电机之间还要串联一个变速箱其作用一是扩大调速比，二是提升恒扭矩段的力矩。变速箱内齿轮换挡，采用液压拔叉调速比，二是提升恒扭矩段的力矩。变速箱内齿轮换挡，采用液压拔叉或电磁离合器来实现自动化。或电磁离合器来实现自动化。 近年来为了减化机械结构，逐渐趋向采用大功率的交
14、流主轴伺服电机近年来为了减化机械结构，逐渐趋向采用大功率的交流主轴伺服电机来提高低速时的恒扭矩来满足切削的要求。近年来由于技术的进步也有来提高低速时的恒扭矩来满足切削的要求。近年来由于技术的进步也有一些恒功率范围很宽的主轴伺服电机问世，特别是内装式电主轴的出现一些恒功率范围很宽的主轴伺服电机问世，特别是内装式电主轴的出现更加强化了这种趋势。更加强化了这种趋势。 1) 1) 交流主轴伺服电机的结构交流主轴伺服电机的结构 交流伺服电动机的结构有鼠笼式感应电动机和永磁式同步电动机二种，交流伺服电动机的结构有鼠笼式感应电动机和永磁式同步电动机二种，而通常主轴电机采用鼠笼式感应电动机的结构，进给伺服电动
15、机而通常主轴电机采用鼠笼式感应电动机的结构，进给伺服电动机, ,常用常用永磁式同步电机的结构形式。永磁式同步电机的结构形式。 交流主轴伺服电机与普通三相异步电动机的结构有很多地方都很相似。交流主轴伺服电机与普通三相异步电动机的结构有很多地方都很相似。交流主轴伺服电机的定子虽然也是三相绕组，但是它的磁路设计与普通交流主轴伺服电机的定子虽然也是三相绕组，但是它的磁路设计与普通异步电动机有很大的不一样。因为交流主轴伺服电机要求在不同转速下异步电动机有很大的不一样。因为交流主轴伺服电机要求在不同转速下工作工作, ,各转速的磁损都要尽可能小。另外为了方便定子在空气中散热，定各转速的磁损都要尽可能小。另外
16、为了方便定子在空气中散热，定子的外面一般都没有机壳，另外，为了加强冷却效果子的外面一般都没有机壳，另外，为了加强冷却效果, ,定子在轴向也设计定子在轴向也设计了通风口。定子的外形一般都设计成四方形或六方形。便于电机在机床了通风口。定子的外形一般都设计成四方形或六方形。便于电机在机床中的安装。在电机的尾端装有检测用的与转子轴同轴的脉冲编码器。交中的安装。在电机的尾端装有检测用的与转子轴同轴的脉冲编码器。交流主轴伺服电机有三种线，一种是电源线，一种是指令线，一种是码盘流主轴伺服电机有三种线，一种是电源线，一种是指令线，一种是码盘线，电源线向电机供应交流电，指令线控制电机的转速和位移量，码盘线，电源
17、线向电机供应交流电，指令线控制电机的转速和位移量，码盘线将电机的实际运行状态参数反馈到数控装置。线将电机的实际运行状态参数反馈到数控装置。交流主轴电机定子矽钢片轴向通风口2 2、交流主轴电机的的控制方法（脉宽调制控制法）、交流主轴电机的的控制方法（脉宽调制控制法） 三相交流电通过整流器后三相交流电通过整流器后, ,获得一个恒压的直流电输获得一个恒压的直流电输入逆变器入逆变器, ,通过脉宽调制输出不同频率，电压的交流电通通过脉宽调制输出不同频率，电压的交流电通到电动机到电动机, ,实现电机调速。实现电机调速。整流器PWM逆变器3 3、交流主轴电机的转矩，转速，功率特性、交流主轴电机的转矩，转速，
18、功率特性 电机性电机性能能 交流主轴电机的交流主轴电机的( (转速，力矩转速，力矩) )，( (转速，功率转速，功率) )特性曲线特性曲线反映它的性能，其特性曲线如图所示；反映它的性能，其特性曲线如图所示； 切削机床要求电机在计算转速以下的恒扭矩工作区具有粗切削机床要求电机在计算转速以下的恒扭矩工作区具有粗加工的能力。加工的能力。 N(kw)Tn(Nm)功率 力矩恒功率工作区恒扭矩工作区转速N（功率转速曲线）Tn（力矩转速曲线）nmaxn计nmin4 4、主传动参数的确定、主传动参数的确定a)a)主传动的功率主传动的功率 主传动的功率根据切削功率主传动的功率根据切削功率N N切切和主传动运动链
19、的机械效率按下式确定和主传动运动链的机械效率按下式确定: : 其中其中 : P: PZ Z切削力的切向分力（切削力的切向分力（N ,N ,牛顿）牛顿） V V切切切削速度切削速度 （m/min m/min 米米/ /分）分） M M切切切削扭矩切削扭矩 （N Ncm cm 牛顿厘米）牛顿厘米） n n主主主轴转速主轴转速 （r/min r/min 转转/ /分）分） N N机械机械机械效率机械效率 一般取一般取0.70.70.850.85 主传动中的零件尺寸是根据主传动中的零件尺寸是根据N N主主（功率）确定的，如果主传动功（功率）确定的，如果主传动功 率定得过大，则主传动的零件，尺寸粗大造成
20、强度富裕和浪费，而定率定得过大，则主传动的零件，尺寸粗大造成强度富裕和浪费，而定得过小，则达不到规定的生产效率，甚至造成零件的损坏。由于影响得过小，则达不到规定的生产效率，甚至造成零件的损坏。由于影响切削加工的因素非常多。目前仅依靠理论计算确定功率还很困难。所切削加工的因素非常多。目前仅依靠理论计算确定功率还很困难。所以常用的方法是类比法、实验（测）法和理论计算法几种方法相结合以常用的方法是类比法、实验（测）法和理论计算法几种方法相结合的方法来确定。的方法来确定。机械切主NNkwnMVPNz9550006000主切切切b b）主传动调速范围）主传动调速范围 对于主传动为旋转运动的车床为例，主轴
21、转速对于主传动为旋转运动的车床为例，主轴转速n n (r/min) (r/min) ，由切削速度，由切削速度V (m/min) V (m/min) ，工件加工直径，工件加工直径d(mm) d(mm) 来确定。来确定。而而 调速范围调速范围一般情况下调速范围也沿用类比法和计算法相结合的方法一般情况下调速范围也沿用类比法和计算法相结合的方法确定。确定。minmaxmax1000dvnmin/1000rdvnminmaxnnRnC C）交流主轴电机）交流主轴电机( (作主传动电机作主传动电机) )主传动方案分析主传动方案分析举例：已知条件举例：已知条件 n n主主maxmax=1600 r/min=
22、1600 r/min n n主主minmin=11.5 r/min=11.5 r/min M M主主maxmax=705.6 N.m (=705.6 N.m (主轴输出最大转矩主轴输出最大转矩) ) N Nmaxmax =5 KW (=5 KW (主轴输出最大功率）主轴输出最大功率）一、粗选电机一、粗选电机 额定功率额定功率 N Nmaxmax=7.5 KW =7.5 KW 额定转速额定转速 n nn n=1500r/min n=1500r/min nmaxmax=2400r/min=2400r/min二二 、确定计算转速、确定计算转速n n计计 . .确定机电调速范围确定机电调速范围 n n
23、计计传递满功率时的主轴最低转速传递满功率时的主轴最低转速 n n计计= 9552 N= 9552 Nmaxmax / M/ Mmaxmax 将已知条件代入将已知条件代入 n n计计=9552=95527.5/705.6 102 r/min7.5/705.6 102 r/min 就是说主轴在就是说主轴在102 r/min102 r/min1600 r/min1600 r/min之间都可以传递满功率。之间都可以传递满功率。 R R主主 恒功率恒功率 = 15.7= 15.7 1021600主轴在主轴在11.5 r/min11.5 r/min102 r/min102 r/min之间是恒扭矩输出之间是
24、恒扭矩输出 电动机的恒功率转速段为电动机的恒功率转速段为1500r/min1500r/min2400r/min2400r/min 电动机的转速小于电动机的转速小于1500r/min1500r/min以下时，为恒扭矩段。以下时，为恒扭矩段。主轴主轴102 r/min102 r/min时，对应的电机转速为时，对应的电机转速为1500r/min1500r/min电动机传递恒扭矩时的最低转速为：电动机传递恒扭矩时的最低转速为： 电机恒功率段电机恒功率段 2400/1500=1.62400/1500=1.6电机恒扭矩段电机恒扭矩段 1500/1698.871500/1698.87电机总调速范围电机总调速
25、范围 R R电总电总=R=R电机恒功率电机恒功率R R电机恒扭矩电机恒扭矩=1.6=1.68.87=14.18.87=14.187.85.11102恒扭矩主轴Rmin/16987. 81500minrRnnN主恒扭矩电主轴要求的主轴要求的: : 也就是说主轴电机必须串联一个调速范围达到也就是说主轴电机必须串联一个调速范围达到9.99.9的变速箱才的变速箱才能满足已知条件的要求。能满足已知条件的要求。 主主 轴轴 转转 速：速：11.5r/min-102r/min-1600r/min11.5r/min-102r/min-1600r/min电机对应转速：电机对应转速：169r/min-1500r/min-2400r/min169r/min-1500r/min-2400r/min 1395.111600主R9 . 91 .14139电总主RRR R电总电总小小
