(7)数控车床的进给传动系统(电机)

交流伺服电机及其调速分类和特点 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 流电动机都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10﹪～ 70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机 造得大，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。
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直流伺服电机的种类 1、小惯量直流电机——印刷电路板的自动钻 孔机 2、中惯量直流电机（宽调速直流电机）—— 数控机床的进给系统 3、大惯量直流电机——数控机床的主轴电机 4、特种形式的低惯量直流电机
Байду номын сангаас
（3）交流伺服电机 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用 下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动 器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整 转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器 的精度
永磁式
反应式
混合式
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主要特点 1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2．步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至 于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点； 一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以 上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越 高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流 减小，从而导致力矩下降。 4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸 叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够 正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生 丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转 动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希 望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随 着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更 多的领域得到应用。
数控车床的进给传动系统简图
4.进给传动系统的种类
（1）步进电机伺服进给系统
（2）直流伺服电机伺服进给系统
（3）交流伺服电机伺服进给系统
（4）直线电机伺服进给系统
（1）步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开 环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、 停止的位置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，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，称为 “步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 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控制电机转动的 速度和加速度，从而达到调速的目的。
3.进给传动系统的结构
进 给 传 动 系 统 组 成
传动机构——传动齿轮或同步带 传动齿轮或同步带 传动机构 运动变换机构——丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、 丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、 运动变换机构 丝杠螺母副 齿轮齿条副等 导向机构——滑动导轨、滚动导轨、静压导 滑动导轨、滚动导轨、 导向机构 滑动导轨 轨、轴承 执行件——工作台 执行件 工作台
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证
2、低频特性不同 、 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与 负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空 载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的 低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机 工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象， 比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振 动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的 刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可 检测出机械的共振点，便于系统调整。
当旋转运动被转化为直线运动时，为了提高转换效 率，保证运动精度，滚珠丝杠螺母副被广泛使用。 为了提高位移精度，减少传动误差，对采用的各种 机械部件首先保证它们的加工精度， 其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙， 所以在进给传动系统中广泛采用各种间隙消除措施， 但是采用预紧等各种措施后仍然可能留有微量间隙。 此外由于受力的作用后产生弹性变形，也会产生间 隙， 所以在进给系统反向运动时仍需由数控装置发出脉 冲指令进行自动补偿。
5、运行性能不同 、 步进电机的控制为开环控制，启动频率 过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象， 停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为 保证其控制精度，应处理好升、降速问题。 交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直 接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构 成位置环和速度环，一般不会出现步进电机 的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
同步型交流伺服电动机 同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，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电磁式及非电磁式两大类。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 比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电动 1/2 60 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。
分类
永磁式步进电机 永磁式步进电机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。 反应式步进电机 反应式步进电机一般为三相，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。反应式步进电机的转子磁路由软磁材 料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 反 应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。 混合式步进电机 混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点， 它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。 它有时也称作永磁感应子式步进电动机。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。
（2）直流伺服电机
直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、 电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电 机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器, 所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电 机转轴上构成。
• 直流伺服电机的驱动原理 • 1.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1 个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电 机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发 出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者 叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又 收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实 现精确的定位，可以达到0.001mm。 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷直流伺服电机——电机 —— 成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护， 但维护方便（换碳刷），会产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可 以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷直流伺服电机——电机体积小，重量轻，出力大，响应快， 速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。容易实现智能化，其电子换 相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损 耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命， 可用于各种环境。
分类
异步型交流伺服电动机
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的励磁电流。 因而令电网功率因数变坏。
数控车床的进给传动系统
本章内容： 1.进给传动系统的作用 2.进给传动系统的要求 3.进给传动系统的结构 4.进给传动系统的种类 5.进给系统传动的部件
1.进给传动系统的作用
数控车床的进给传动系统负责接受数控 系统发出的脉冲指令，并经过放大和转换 后驱动车床运动执行件实现预期的运动。
2. 进传动系统的要求
数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，
被加工件的最后轮廓精度和加工精度都会受到进给 运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。
为此，对进给系统中的传动装置和元件要求具有高 的寿命，高的刚度，无传动间隙，高的灵敏度和低 摩擦阻力的特点，
如导轨必须具有较小的摩擦力，耐磨性要高，所以 一般采用滚动导轨、静压导轨和减磨滑动导轨等。
综合而言，在设计进给系统时，应充分注意减少摩 擦阻力、提高传动精度和刚度、消除传动间隙、减 少运动部件惯量。 1、减少运动件之间的摩擦阻力：摩擦阻力主要来自 丝杠螺母和导轨；对其进行滚动化是重要措施。 2、提高传动精度和刚度： （1）保证进给系统中滚珠丝杠螺母、蜗轮蜗杆和支 承结构的加工精度，提高传动精度和刚度。 （2）在进给链中加入减速齿轮或同步带传动，减小 脉冲当量，从设计角度提高传动精度。 （3）采用预紧消除传动件间隙，提高传动精度。 3、减少惯量：高速运转零件的惯量影响伺服系统的 启动和制动特性。