主轴驱动系统和主轴电机发展趋势分解
数控发展趋势
数控发展趋势一数控技术简介数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围覆盖很多领域：1机械制造技术；2信息处理、加工、传输技术：3自动控制技术；4伺服驱动技术；5传感器技术：6软件技术等;计算机对传统机械制造产业的渗透,完全改变了制造业;制造业不但成为工业化的象征,而且由于信息技术的渗透,使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地;数控技术的应用不但给传统制造业带来了性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势;从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面;数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围覆盖很多领域：1机械制造技术；2信息处理、加工、传输技术：3自动控制技术；4伺服驱动技术；5传感器技术：6软件技术等;计算机对传统机械制造产业的渗透,完全改变了制造业;制造业不但成为工业化的象征,而且由于信息技术的渗透,使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地;二数控技术国内外现状1 开放结构的发展数控技术从发明到现在,已有近50年的历史;按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控,晶体管数控,中小规模IC数控,小型计算机数控,微处理器数控；从体系结构的发展,可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的CNC数控系统,后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统;数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率;人类发明了机器,延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后,制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑,具有一定的智能,能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统,同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等;首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台,通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路;这就产生了开放结构的数控系统;机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统;目前,开放系统有两种基本结构：1CNC+PC主板：把一块PC主板插入传统的CNC机器中,PC板主要运行实时控制,CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制;2PC+运动控制板：把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用,而PC机主要作非实时控制;开放结构在90年代初形成；对于许多熟悉计算机应用的系统厂家,往往采用第2方案;但目前主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠性,象PC机存在的死机现象是不允许的;而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工;加上这些厂家长期已经生产大量的数控系统：体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响;因此不把开放结构作为主要的产品,仍然大量生产原结构的数控系统;为了增加开放性,主流数控系统生产厂家往往采用1方案,即在不变化原系统基本结构的基础上增加一块PC板,提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起,大大提高了人机界面的功能比较典型的如FANUC的150/160/180/210系统;有些厂家也把这种装置称为融合系统fusionsystem;由于它工作可靠,界面开放,越来越受到机床制造商的欢迎;2 软件伺服驱动技术伺服技术是数控系统的重要组成部分;广义上说,采用计算机控制,控制算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服”;它有以下优点：1无温漂,稳定性好;2基于数值计算,精度高;3通过参数对设定,调整减少;4容易做成ASIC电路;70年代,美国GATTYS公司发明了直流力矩伺服电机,从此开始大量采用直流电机驱动;开环的系统逐渐由闭环的系统取代;但直流电机存在以下缺点：1电动机容量、最高转速、环境条件受到限制；2换向器、电刷维护不方便;交流异步电机虽然价格便宜、结构简单,但早期由於控制性能差,所以很长时间没有在数控系统上得到应用;随着电力电子技术的发展,1971年,德国西门子的发明了交流异步机的矢量控制法；1980年,德国人Leonhard为首的研究小组在应用微理器的矢量控制的研究中取得进展,使矢量控制实用化;从70年代末,数控机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机;如果把直流电机进行“里翻外”的处理,即把电驱绕组装在定子,转子为永磁部分,由转子轴上的编码器测出磁极位置,这就构成了永磁无刷电机;这种电机具有良好的伺服性能;从80年代开始,逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上;为了实现更高的加工精度和速度,90年代,许多公司又研制了直线电机;它由两个非接触元件组成,即磁板和线卷滑座：电磁力直接作用于移动的元件而无需机械连接,没有机械滞后或螺距周期误差,精度完全依赖于直线反馈系统和分级的支承,由全数字伺服驱动,刚性高,频响好,因而可获得高速度;但由于它的推力还不够大,发热,漏磁及造价也影响了它的广泛应用;对现代数控系统,伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制;这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统,应用在数控机床的伺服进给和主轴装置;由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展,软件运算及处理能力的提高,特别是DSP的应用,使系统的计算速度大大提高,采样时间大大减少;这些技术的突破,使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强;大大推动了高精高速加工技术的发展;3 CNC系统的连网数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主要任务是进行通信,共享信息;这种通信通常分三级：1工厂管理级;一般由以太网组成;2车间单元控制级;一般由DNC功能进行控制;通过DNC功能形成网络可以实现对零件程序的上传或下传：读、写CNC的数据：PLC数据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等;更高档次的DNC还可以对CAD/CAM/CAPP以及CNC的程序进行传送和分级管理;CNC与通信网络联系在一起还可以传递维修数据,使用户与NC生产厂直接通信：进而,把制造厂家联系一起,构成虚拟制造网络;3现场设备级;现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及I/0控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能,保证现场设备高质量完成生产任务,并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层,向工厂级提供数据;同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之;因此,现场级与车间级是实现工厂自动化及CIMS系统的基础;传统的现场级大多是基于PLC的分布式系统;其主要特点是现场层设备与控制器之间的连接是一对一,即一个I/0点对设备的一个测控点;所谓I/0接线方式为传递4-20ma模拟量信息或24VDC开关信息;这种系统的缺点是：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、可维护性不高;现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点,用总线相连接,实现相互交换信息,共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统;因此,现场总线是面向：工厂底层自动化及信息集成的数字网络技术;现场总线技术的主要特点为：它是数控系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代4-20ma模拟信号、应用现场总线技术,要求现场设备智能化可编程或可参数化：它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体：由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性,因此是实现数控系统设备层信息集成的关键技术;它对提高生产效率、降低生产成本非常重要;目前在工业上采用的现场总线有PROFIBUS-DP,SERCOS,JPCN-1,Deviconet,CAN,hterbus—S,Marco等;有的公司还有自己的总线,比如FANUC的FSSB,I/OLINK相当于JPCN—1,YASKAWA的MOTIONLINK等;目前比较活跃的是Prof主bus-DP,为了允许更快的数据传送速度,它由0SI的七层结构省去3-7层构成;西门子最新推出802D的伺服控制就是由PROFIBOUS-DP控制的;4功能不断发展和扩大WIDTH=200 align=right BBCOLOR=e5ebba BORDERCOLIRIGHT=006600BORDER=1>快速移动速度m/min分辨率μm2401100101NC技术经过50年的发展,已经成为制造技术发展的基础;这里以FANUC最先进的CNC控制系统15i/150i为例说明系统功能的发展;这是一台具有开放性,4通道、最多控制轴数为24轴、最多联动轴数为24轴、最多可控制4个主轴的CNC系统;其快速移动速度与分辨率关系如右表;它的技术特点反映了现代NC发展的特点：开放性：系统可通过光纤与PC机连接,采用Window兼容软件和开发环境;功能以高速、超精为核心,并具有智能控制;特别适合于加工航空机械零件,汽车及家电的高精零件,各种模具和复杂的需5轴加工的零件;15i/150主具有高精纳米插补功能；即使系统的设定编程单位为1μm,通过纳米插补也可提供数字伺服以1nm为单位的指令,平滑了机床的移动量,提高了加工表面光洁度,大大减少加工表面的误差;当分辨率为时,快速可达240m/min速度；系统还具有高速高精加工的智能控制功能：1预计算出多程序段刀具轨迹,并进行预处理;2智能控制,计及机床的机械性能,可按最佳的进率和最大的允许加速度工作,使机床的功能得到最大的发挥;以便降低加工时间,提高效率,同时提高加工精度;3系统可在分辨率为1nm时工作,适用于控制超精机械;高级复杂的功能：15i/150i可进行各种数学的插补,如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线、样条等插补;也可以进行NURBS非均匀有理B样条插补;采用NURBS插补可以人人减少NC程序的数据输入量,减少加工时间,特别适用模具加工;NURBS插补不需任何硬件;强力的联网通信功能;适应工厂自动化需要,支持标准FA网络及DNC的连接;1工厂干线或控制层通信网络：由PC机通过以太网控制多台15i/150i组成的加工单元,可以传送数据、参数等;2设备层通信网络：15i/150i采用I/0LINK与日本标准JPCN-1相对应的一种现场总线;3通过RS-485接口传送I/0信号：或且也可采用PRELLBUS—DP符合欧洲1标准EN50170以12Mbps进行高速通信;具有高速度内装的PMC有的厂商称为PLC,以减少加工的循环的时间：1梯形图和顺序程序由专用的PMC处理器控制,这种结构可进行快速大规模顺序控制;2基本PMC指令执行时间为：；最大步数：32,000步;3可以用C语言编程；32位的C语言处理器可作为实时多任务运行；它与梯形图计算的PMC处理器并行工作;4可在PC机上进行程序开发;先进的操作：性和维修性;(1)具有触摸面板,容易操作;2可采用存储卡来改变输入输出三数控发展趋势1、高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体;高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力;为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一,国际生产工程学会CIRP将其确定为21世纪的中心研究方向之一;在轿车工业领域,年产30万辆的生产节拍是40秒/辆,而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域,其加工的零部件多为薄壁和薄筋,刚度很差,材料为铝或铝合金,只有在高切削速度和切削力很小的情况下,才能对这些筋、壁进行加工;近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联系方式拼装,使构件的强度、刚度和可靠性得到提高;这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求;从EMO2001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80m/min,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右;目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床;美国CINCINNATI公司的HYPERMACH机床速度最大达60m/min,快速为100m/min,加速度达2g,主轴转速已达60 000r/min;加工薄壁飞机零件,只用30min,而同样的零件在一般高速铣床加工需3h,在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12000r/mm和1g;在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3～5μm,提高到1～μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米级μm;在可靠性方面,国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上,伺服系统的MTBF值达到30000h 以上,表现出非常高的可靠性;为了实现高速、高精加工,与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大;2、轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高;一般认为,1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床,特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢件时,5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益;但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,其价格要比3轴联动数控机床高出很多,加之编程技术难度较大,制约了5轴联动机床的发展;当前由于电主轴的出现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头构造大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小;因此促进了复合主轴头类5轴联动机床和复合加工机床含5面加工机床的发展在EMO2001展会上,新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头,可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现,还可实现倾斜面和倒锥孔的加工;德国DMG公司展出DMUVOUTION系列加工中心,可5面加工和5轴联动加工,可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制;3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等;为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题;目前许多国家对开放式数控系统进行研究,如美国的NGCThe Next Generation Work-Station/Machine Control、欧共体的OSACAOpen System Architecture for Control within Automation Systems、日本的OSECOpen System Environment for Controller,中国的ONCOpen Numerical Control System等;数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路;所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象数控功能,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品;目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心;网络化数控装备是近两年国际着名机床博览会的一个新亮点;数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元;国内外一些着名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机,如在EMO2001展中,日本山骑马扎克MAZAK公司展出的“CYBERPRODUCTION Center”智能生产控制中心,简称CPC；日本大尉Okuma机床公司展出“IT plaza”信息技术广场,简称IT广场；德国西门子Siemens公司展出的Open Manufacturing Environment开放制造环境,简称OME等,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势;4、重视新技术标准、规范的建立如前所述,开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划,并进行开放式体系结构数控系统规范OMAC、OSACA、OSEC的研究和制定,世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定,预示了数控技术的一个新的变革时期的来临;我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定;数控标准是制造业信息化发展的一种趋势;数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准,即采用G,M代码描述如何how加工,其本质特征是面向加工过程,显然,他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要;为此,国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649STEP－NC,其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制,能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型,从而实现整个制造过程,乃至各个工业领域产品信息的标准化;STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次,对于数控技术的发展乃至整个制造业,将产生深远的影响;首先,STEP-NC提出一种崭新的制造理念,传统的制造理念中,NC加工程序都集中在单个计算机上;而在新标准下,NC程序可以分散在互联网上,这正是数控技术开放式、网络化发展的方向;其次,STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸约75％、加工程序编制时间约35％和加工时间约50％;目前,欧美国家非常重视STEP-NC的研究,欧洲发起了STEP-NC的IMS计划;参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构;美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者,他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型Super Model,其目标是用统一的规范描述所有加工过程;目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证;。
电主轴
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5、我国数控机床用电主轴技术与国 际先进国家之间的差距
• • • • • （1）在电主轴的低速大扭矩方面，国外产品低速段的输出扭矩最大可以达到300Nm以 上，而我国目前紧限于100Nm以内。 （2）在高速方面，国外用于加工中心等数控机床用主轴的转速已经达到了75000r/min， 而我国则多在15000r/min以下。 （3）在电主轴的轴承润滑方面，国外已普遍采用油气润滑方法，而我国现在仍然普遍 采用油脂润滑。 （4）在其它与电主轴相关的配套技术方面，如主轴电机矢量控制和交流伺服控制技术、 精确定向（准停）技术、快速起动与停止技术、HSC刀柄制造与应用技术等，仍然不 够成熟，或不能满足实际需要。 （5）在产品品种、数量及制造规模方面，尽管已经有洛阳轴承研究所等数家专业研究、 制造电主轴的企业，但仍然以磨用电主轴为主，在数控机床用电主轴发面，则处于小 量开发试制阶段，还没有形成系列化、专业化和规模化生产，远远不能满足国内市场 日益增长的需要，还不具备与国外产品相抗衡的能力。 数控机床用高速精密电主轴是高速数控设备的首选功能部件，但目前仍处于研制与推 广应用阶段，成为影响数控机床向高性能、高水平、高速度、高精度方向发展的主要 制约因素，需要有关方面的共同努力及国家相关产业政策的有力支持，只有在各功能 部件高水平发展的基础上，我国数控机床的整体水平才能得以提高，才能在加入WTO 之后，我国的机床行业具备与国外相抗衡的能力。
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2、电主轴的优点
• 传统机床主轴是由电机通过中间的传动、变速装置（如皮带、齿轮、 联轴节等）带动主轴旋转而进行工作的，这样的主轴称为分离式主轴， 与此相比，电主轴具有如下优点： • 1）主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间 传动、变速机构或连接零件，具利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速， 以适应机床各种工况和负载变化的需要。 • 3）利用电机矢量控制、伺服控制等技术，不仅可以满足机床强力切 削时低速大扭矩的要求，还可以实现准确的C轴定位及传动的功能， 适应对C轴功能有较高要求的车削、镗铣等加工中心及其它数控机床 的需要。 • 4）与其它形式的主轴相比，电主轴更易于实现高速化，其动态精度 和动态稳定性更好。 • 5）由于没有中间传动环节的外力作用，主轴运行更加平衡，没有冲 击，使得主轴轴承的寿命相应得到了延长。
数控进给伺服系统与驱动电机的发展及趋势
盛发展 的时代 ，由于直流电动机具有优 良的调速性 能， 很多高性能驱动装置采用了直流 电动机 ， 伺服 系 统 的位置 控制 ， 由开环 系统 发 展为 闭环 系统 。 也 直 流伺 服 的工作 原 理 ，是 建立 在 电磁力 定 律 基 础 上 。与 电磁 转矩 相 关 的 ， 互 相独 立 的两个 变 量 主 是 磁通与 电枢电流 ，它们 分别控制励磁 电流与电枢 电 流， 可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制 角度看 ， 直流伺服的控制 ， 是一个单输入单输出的单 变量控制系统 ， 经典控制理论完全适用于这种系统。 因此 ， 直流伺服 系统控制简单 ， 调速性能优异 ， 在数 控机床的进给驱动中， 曾占据着主导地位 。 然而 ， 从实际运行考虑 ， 直流伺 服电动机引入了 机械换向装置。 其成本高 ， 障多 ， 故 维护 困难 ， 经常因 碳刷产生的火花而影响生产 ，并对其他设备产 生电 磁 干 扰 。同时机 械换 向器 的换 向能 力 ， 限制 了 电动机 的容量和速度。电动机的电枢在转子上 ， 使得电动机 效 率 低 ， 热 差 。为 了改 善 换 向能力 ， 小 电枢 的漏 散 减 感 ， 子 变得 短 粗 ， 响 了系统 的动 态性 能 。 转 影 ２３ 第 三 个发 展 阶段 ． ２ 世纪 ８ 年代至今 ， ０ ０ 属第三发展阶段 。 这一阶段是 以机电一体化时代为背景的 ，由于 伺服 电动机结构及其永磁材料和控制技术 的突破性 进展 ， 出现 了无刷直流伺服 电动机 （ 方波驱动 ）交流 ， 伺 服 电动机 （ 弦波 驱 动 ） 正 等种 种新 型 的 电动机 。 针对直流 电动机 的缺陷 ， 如果将其做 “ 翻外 ” 里 的处理 ， 即把 电 驱 绕组 装 在 定 子 、 子 为永 磁 部 分 ， 转 由转子轴上的编码器测 出磁极位置 ，就构成了永磁 无刷 电动机 ， 同时随着矢量控制方法 的实用化 ， 使交 流伺服系统具有 良好的伺服特性。其宽调速范围、 高 稳速精度 、快速动态响应及四象限运行等 良好的技
数控技术历史发展趋势及新技术论文3000字
数控技术历史发展趋势及新技术论文数控技术，简称数控（Numerical Control ）即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。
它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。
数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。
发展历史1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。
由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。
1949年，该公司与美国麻省理工学院(MIT)开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。
1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心( MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。
1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。
60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称 DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称 CNC)，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。
1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称 MNC)，这是第五代数控系统。
20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。
20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。
现在，数控技术也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。
数控技术的发展趋势
数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。
下面，店铺就为大家讲讲数控技术的发展趋势，一起来了解一下吧!数控技术的发展趋势数控技术不仅给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。
尽管十多年前就出现了高精度、高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，正在向着精度和速度的极限发展。
从世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下几个方面：1.机床的高速化、精密化、智能化、微型化发展随着汽车、航空航天等工业轻合金材料的广泛应用，高速加工已成为制造技术的重要发展趋势。
高速加工具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点，在模具制造等领域的应用也日益广泛。
机床的高速化需要新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。
高速加工不仅是设备本身，而且是机床、刀具、刀柄、夹具和数控编程技术，以及人员素质的集成。
高速化的最终目的是高效化，机床仅是实现高效的关键之一，绝非全部，生产效率和效益在“刀尖”上。
2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展采用五轴联动对三维曲面零件进行加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。
一般认为，1台五轴联动机床的效率可以等于2台三轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益。
但过去因五轴联动数控系统主机结构复杂等原因，其价格要比三轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了五轴联动机床的发展。
当前数控技术的发展，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。
电机控制技术发展前景
电机控制技术发展前景（一）伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化。
80年代以来，数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。
交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。
目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。
在当代数控系统中，交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。
由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。
随着微处理器和全数字化交流 伺服系统的发展，数控系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。
硬件伺服控制变为软件伺服控制后，大大地提高了伺服系统的性能。
例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网，它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置，网络连接，进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。
这些技术的发展，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。
另外，先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。
交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器，其传感器具有小于1μs的响应时间。
伺服电动机本身也在向高速方向发展，与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。
为保证高速时电动机旋转更加平滑，改进了电动机的磁路设计，并配合高速数字伺服软件，可保证电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。
（二）交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟。
数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机＋精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动” 两种类型。
传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高，实现高速化的成本相对较低，所以目前应用广泛。
使用滚，珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。
但滚珠丝杠是机械传动，机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应会造成运动滞后和非线性误差，所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。
永磁同步电机控制系统发展现状及趋势
永磁同步电机控制系统发展现状及趋势摘要：永磁同步电机具有高功率密度、高效率和高可靠性等优点，在现代工业中应用广泛，相关控制理论得到了长远发展。
基于此，本文总结梳理了永磁同步电机控制系统的发展现状，然后论述了各控制系统的特点，最后展望了基于滑模控制的永磁同步电机控制系统的发展趋势，以期为未来永磁同步电机控制系统的进一步发展提供参考。
关键词：永磁同步电机；控制系统；发展现状；滑模控制；发展趋势引言：自永磁同步电机诞生以来，因其具有一系列优异特性，得到了广泛研究，同时伴随着永磁材料和半导体器件的发展，永磁同步电机获得了长足发展。
同时，随着相关控制理论的发展，永磁同步电机控制系统也随之进化，控制精度越来越高。
因而在现代工业中，永磁同步电机广泛应用于国民经济、航空航天等众多领域，发挥着重要作用。
相应的，随着技术产品的发展，对永磁同步电机的控制精度要求越来越高，故将各种先进控制方法应用的永磁同步电机的研究也不断涌现。
1永磁同步电机发展概况永磁同步电机与其他电动机最大不同之处在于励磁电流是依靠永磁体产生。
因此永磁同步电机具有以下优势[1]：（1）采用永磁材料，高速运行过程中发热少，避免了电机工作时转子发冷却难的问题，同时寿命也得到了提高；（2）永磁同步电机功率更高，可以达到97%左右；（3）永磁同步电机功率密度更高，在较小尺寸下即可实现较高的功率和转矩。
1.1永磁同步电机发展历史永磁同步电机的发展可总结为三个阶段[2]：（1）20世纪六七十年代，这个阶段由于稀土材料未得到充分开发，价格昂贵，导致永磁同步电机成本高昂，仅在航空航天等高要求行业得到应用；（2）20世纪八十年代，随着价格稍低的铅铁硼永磁材料的出现和电子控制技术的逐步成熟，永磁同步电机成本降低，同时控制相对容易实现，因而也逐步应用于民用领域；（3）自20世纪九十年代至今，伴随着永磁材料价格的降低、电力电子技术和微处理器技术的发展，永磁同步电机的驱动系统研发应用也得到了明显发展，应用领域进一步扩大，尤其是近十年，永磁同步电机已经成为国民经济中电机驱动系统的第一选择。
机床数控系统的组成
机床数控系统的组成机床数控系统是现代机床的核心技术之一，它由多个组成部分构成，共同实现对机床的自动化控制和加工操作。
本文将从硬件和软件两个方面介绍机床数控系统的组成。
一、硬件组成1.主轴驱动系统：主轴驱动系统是机床数控系统的核心部分，它负责控制主轴的转速和运动方向。
主轴驱动系统通常由伺服电机、减速器、编码器等组成，通过对电机的控制，实现对主轴的精确控制。
2.进给驱动系统：进给驱动系统用于控制工件在加工过程中的运动轴向，包括直线进给轴和旋转进给轴。
直线进给轴通常由伺服电机、滚珠丝杠等组成，用于控制工件的直线运动；旋转进给轴通常由伺服电机、齿轮传动等组成，用于控制工件的旋转运动。
3.运动控制卡：运动控制卡是机床数控系统的核心控制器，它负责接收数控指令，并将其转换为电信号，通过与主轴驱动系统和进给驱动系统的配合，实现对机床的精确控制。
运动控制卡通常具备高速数据处理能力和多个输入输出接口，以满足机床复杂加工过程的控制需求。
4.传感器：传感器是机床数控系统的重要组成部分，用于实时监测机床的运行状态和工件加工过程中的各种参数。
常见的传感器包括位置传感器、力传感器、温度传感器等，它们通过与运动控制卡的连接，将采集到的数据反馈给数控系统，以实现对机床的自动化调节和控制。
5.人机界面：人机界面是机床数控系统与操作人员之间的交互界面，用于输入加工参数、监视加工过程和显示加工结果等。
人机界面通常由触摸屏、键盘、显示器等组成，操作人员可以通过它们与数控系统进行交互，并实时了解机床的工作状态。
二、软件组成1.数控系统软件：数控系统软件是机床数控系统的核心程序，它负责解释和执行数控指令，控制机床的运动和加工过程。
数控系统软件通常由操作系统、驱动程序、插补算法等组成，它们共同实现对机床的高精度控制和加工操作。
2.加工程序：加工程序是机床数控系统的另一重要组成部分，它是由一系列数控指令组成的程序，用于描述工件的加工路径和加工过程。
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不同类型的主轴系统的特点和使 用范围
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普通笼型异步电动机配通用变频器 目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反 馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮 变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量 的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机 床比较常用的主轴驱动系统。
现代机床主轴电机发展趋势
1、现代机床主轴发展趋势是逐渐由传统机床主轴向电主轴 过渡。 • 传统机床主轴是通过传动装置带动主轴旋转而工作的，电 主轴的主要特点是将电机置于主轴内部，通过驱动电源直 接驱动主轴进行工作，实现了电机、主轴的一体化功能。 • 与传统机床主轴相比，电主轴具有十分明显的优势。由于 主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴节 等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪 声低、振动小和精度高等特点。而且利用交流变频技术， 电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床 工作时各种工况和负载变化的需要。
不同类型的主轴系统的特点和使 可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟 以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现 堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能 工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制， 主轴的转速范围受到较大的限制。这种方案适用于需要无级调速 但对低速和高速都不要求的场合，例如数控钻铣床。国内生产的 简易型变频器较多。
常用的主轴驱动系统介绍
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FANUC（法那科）公司主轴驱动系统 从80年代开始，该公司已使用了交流主轴驱动系统，直流驱 动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电 动机为：S系列电动机，额定输出功率范围1.5～37KW；H 系列电动机，额定输出功率范围1.5～22KW；P系列电动机， 额定输出功率范围3.7～37KW。该公司交流主轴驱动系统的 特点为：①采用为处理器控制技术，进行矢量计算，从而实 现最佳控制。②主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机 电流非常接近正弦波性。③具有主轴定向控制、数字和模拟 输入接口等功能。
常用的主轴驱动系统介绍
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HITACHI（日立）公司系列变频器 HITACHI公司的主轴变频器应用于数控机床上通常有： L100系列通用型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW， V/f 特性可选恒转矩/降转矩，可手动/自动提升转矩，载波频 率0.5HZ-16HZ连续可调。日立 SJ100系列变频器，是一种 矢量型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW，载波频 率在0.5HZ-16HZ内连续可调 ，加减速过程中可分段改变加 减速时间 ，可内部/外部启动直流制动；日立 SJ200/300系 列变频器，额定输出功率范围为0.75KW-132KW，具有2台 电机同时无速度传感器矢量控制运行且电机常数在/离线自整 定。
主轴驱动系统概述
主轴驱动系统也叫主传动系统，是在 系统中完成主运动的动力装置部分。主轴 驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安 装的刀具或工件的切削力矩和切削速度， 配合进给运动，加工出理想的零件。它是 零件加工的成型运动之一，它的精度对零 件的加工精度有较大的影响。
数控机床对主轴驱动系统的要求
1、调速范围宽并实现无极调速 2、恒功率范围要宽
3、具有4象限驱动能力
4、具有位置控制能力 5、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低 6、良好的抗振性和热稳定性
主轴驱动系统的发展趋势
主轴驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。 数控机床主轴的无级调速则是由主轴驱动 器完成。主轴驱动系统分为直流驱动系统 和交流驱动系统，目前数控机床的主轴驱 动多采用交流主轴驱动系统即交流主轴电 动机配备变频器或主轴伺服驱动器控制的 方式 。
不同类型的主轴系统的特点和使 用范围
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电主轴 电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴 伺服，也可以不要驱动器。电主轴由于电机和主轴合二为一，没有 传动机构，因此，大大简化了主轴的结构，并且提高了主轴的精度， 但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，一般在10KW以 下。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，一般在 10000r/min以上。目前安装电主轴的机床主要用于精加工和高速 加工 .
主轴驱动系统的发展趋势
70-80
80初
目前
直流驱动系统
良好的调速性能 输出力矩大 过载能力强 精度高 控制原理简单 易于调整
推出了交流驱 动系统，标志 着新一代驱动 系统的开始
性能超过直流 交流主轴驱动 系统正在逐步 取代直流系统
交流主轴驱动系统
Title
感应电机交流主轴驱动系统 （如笼型电动机或异步电动机）
主轴驱动系统和主轴电机发展 趋势
P11机电五班第三学习小组
主轴驱动系统和主轴电机的发展 趋势
1
主轴驱动系统概述 主轴驱动系统的发展趋势
2
3 4 5
不同类型的主轴系统的特点和使用范围
现代机床主轴发展趋势
常用的主轴驱动系统介绍
主轴驱动系统概述
Title
主轴驱动系统介绍
Title
数控机床对主轴驱动系统的 要求
日本发那科公司-Flv
常用的主轴驱动系统介绍
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SIEMENS（西门子）公司主轴驱动系统 SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和 1GH5四个系列，与这四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系 列驱动装置采用晶闸管控制。80年代初期，该公司又推出了 1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3～ 100KW。驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A （SIMODRIVE 611A）主轴驱动模块，主回路采用晶体管SPWM 变频器控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用为处理 器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量 控制。同过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实 现主轴的定位控制。 西门子电机新产品1LE1.flv
不同类型的主轴系统的特点和使 用范围
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专用变频电动机配通用变频器 一般采用有反馈矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的 力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，是非常有 竞争力的产品。提供通用变频器的厂家以国外公司为主，如： 西门子、安川、富士、三菱、日立等。中档数控机床主要采 用这种方案，主轴传动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在 100—200r/min左右时车、铣的重力切削。
常用的主轴驱动系统介绍
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DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器 该公司目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：VLT2800， 可并列式安装方式，具有宽范围配接电机功率：0.37KW-7.5KW 200V/400；VLT5000，可在整个转速范围内进行精确的滑差补偿， 并在3ms内完成。在使用串行通讯时，VLT 5000对每条指令的响 应时间为0.1ms，可使用任何标准电机与VLT 5000匹配。
三菱电机CNC简介.Flv
不同类型的主轴系统的特点和使 用范围
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伺服主轴驱动系统 伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还 可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的，通常是同功率 变频器主轴驱动系统的2--3倍以上。伺服主轴驱动系统主要应用 于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进 给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。
常用的主轴驱动系统介绍
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HNC（华中数控）公司系列主轴驱动系统 HSV-20S是武汉华中数控股份有限公司推出的全数字交流主轴驱动 器。该驱动器结构紧凑、使用方便、可靠性高。采用的是最新专 用运动控制DSP、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能 化功率模块（IPM）等当今最新技术设计，具有025、050、075、 100多种型号规格，具有很宽的功率选择范围。用户可根据要求 选配不同型号驱动器和交流主轴电机，形成高可靠、高性能的交 流主轴驱动系统。
永磁交流主轴电机系统
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开关磁阻型主轴驱动系统
Title
不同类型的主轴系统的特点和使 用范围
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普通笼型异步电动机配齿轮变速箱 这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速， 由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴 低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精 加工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高 的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点 是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大， 不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。
未完待续！！！！