数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 第十一讲 一、备课教案 适用专业机械设计制造及其自动化讲次 笼+讲 年月日节 第三章数控机床的进给伺服系统 第五节直线电机在机床进给问服系统中的应用 一、直线电机概述 了解直线电机的结构：掌握直线 二、直线电机的类别 电机的类别：了解直线电机在数 控机床上应用 内 三、直线电机在数控机床上应用 提 第六节典型的进给伺服系统 及 一、步讲伺服系统 了解步进伺服系统、鉴相式伺服 要求 二、鉴相式同服系统 系统、鉴幅式伺服系统、数字脉 冲比较式伺服系统、CNC数字伺 三、鉴幅式同服系统 服系统的结构：了解步进伺服系 统、签相式何系统、签式何 四、数字脉冲比较式伺服系统 五、CNC数字伺服系统 理。 教学实施手段 效果记录 直线电机的类别： 课堂讲授 重 步进伺服系统、鉴相式伺服系统 鉴幅式同服系统、数字脉冲比较式 课堂讨论 伺服系统、CNC数字同服系统的工 作原理。 现场示教 小结讲评 难 步进同服系统、鉴相式個服系统 其它 整幅式伺服系统、数字脉冲出较式 点 伺服系统、CNC数字伺服系统的工 教具 作原理 CAI,黑板 推 陈德道主编数控技术及应用北京 国防工业出版社，2009 学 董玉红主绵机床数控技术哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社2003 记 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 1 第十一讲 一、备课教案 适用专业 机械设计制造及其自动化 讲次 第十一讲 上课 时间 年 月 日 节 教 学 内 容 提 纲 及 要 求 第三章 数控机床的进给伺服系统 第五节 直线电机在机床进给伺服系统中的应用 一、直线电机概述 了解直线电机的结构；掌握直线 电机的类别；了解直线电机在数 控机床上应用 二、直线电机的类别 三、直线电机在数控机床上应用 第六节 典型的进给伺服系统 一、步进伺服系统 了解步进伺服系统、鉴相式伺服 系统、鉴幅式伺服系统、数字脉 冲比较式伺服系统、CNC 数字伺 服系统的结构；了解步进伺服系 统、鉴相式伺服系统、鉴幅式伺 服系统、数字脉冲比较式伺服系 统、CNC 数字伺服系统的工作原 理。 二、鉴相式伺服系统 三、鉴幅式伺服系统 四、数字脉冲比较式伺服系统 五、CNC 数字伺服系统 重 点 直线电机的类别； 步进伺服系统、鉴相式伺服系统、 鉴幅式伺服系统、数字脉冲比较式 伺服系统、CNC 数字伺服系统的工 作原理。 教学实施手段 效果记录 课堂讲授 √ 课堂讨论 √ 现场示教 小结讲评 难 点 步进伺服系统、鉴相式伺服系统、 鉴幅式伺服系统、数字脉冲比较式 伺服系统、CNC 数字伺服系统的工 作原理 其 它 教具 CAI，黑板 推 荐 参 考 书 陈德道主编.数控技术及应用.北京: 国防工业出版社,2009 董玉红主编.机床数控技术.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2003 教 学 后 记
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 二、讲稿 第三章数控机床的进给伺服系统 第五节直线电机在机床进给伺服系统中的应用 旋转电机经过机械转换装置将旋转运动变为直线运动，由于对直线运动高性能的要 求，有时旋转电机己不能满足要求，如目前数控机床进给运动的高效传动件仍然是滚珠 丝杠，研究表明滚珠丝杠技术在1g加速度下，在卧式机床上可以可靠地工作，而加速 度再提高0.5倍则就有问题了。随着电机技术、材料科学和自动控制学科的发展，一种 替代技术是采用直线电机技术。直线电机用于数控伺服系统中，可以简化系统结构，提 高定位精度，实现高速直线运动，乃至平面运动。 直线电机概述 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的 传动装置，它可认为是旋转电机在结构上的一种演变，即可看作将旋转电机从径向剖开， 然后将电机沿着圆周展开成直线，这就形成了扁平型直线电机，如图3-25所示。此外， 上述直线电机可以沿着和直线运动相垂直的方向卷成圆柱状（或管状），就形成了管型直 线电机。 ⑧ b00000000000000000d 18181818 1818 18F18 18 a)沿径向剖开 b)把圆周展成直线 图3-25直线电机的转变过程 1一初级：2一鼠笼转子：3一次级 由定子演变而来的一侧称为初级（定子），由转子演变而来的一侧称为次级（动子）。在 实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之 间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制 造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。由于其结构的特殊性，使直线电机 的移动磁场存在“进口端”和“出口端”两个纵向边端，这两个纵向边端使气隙磁场更 加扭曲，这种现象称为直线电机的边缘效应。 一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的 条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直 线电机的控制方法越来越多，对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一 是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 2 二、讲稿 第三章 数控机床的进给伺服系统 第五节 直线电机在机床进给伺服系统中的应用 旋转电机经过机械转换装置将旋转运动变为直线运动，由于对直线运动高性能的要 求，有时旋转电机已不能满足要求，如目前数控机床进给运动的高效传动件仍然是滚珠 丝杠，研究表明滚珠丝杠技术在 1g 加速度下，在卧式机床上可以可靠地工作，而加速 度再提高 0.5 倍则就有问题了。随着电机技术、材料科学和自动控制学科的发展，一种 替代技术是采用直线电机技术。直线电机用于数控伺服系统中，可以简化系统结构，提 高定位精度，实现高速直线运动，乃至平面运动。 一、直线电机概述 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的 传动装置，它可认为是旋转电机在结构上的一种演变，即可看作将旋转电机从径向剖开， 然后将电机沿着圆周展开成直线，这就形成了扁平型直线电机，如图 3–25 所示。此外， 上述直线电机可以沿着和直线运动相垂直的方向卷成圆柱状(或管状)，就形成了管型直 线电机。 a) 沿径向剖开 b) 把圆周展成直线 图 3–25 直线电机的转变过程 1—初级；2—鼠笼转子；3—次级 由定子演变而来的一侧称为初级(定子)，由转子演变而来的一侧称为次级(动子)。在 实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之 间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制 造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。由于其结构的特殊性，使直线电机 的移动磁场存在“进口端”和“出口端”两个纵向边端，这两个纵向边端使气隙磁场更 加扭曲，这种现象称为直线电机的边缘效应。 一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的 条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直 线电机的控制方法越来越多，对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一 是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 三、直线电机的分类 直线电机直接产生直线形式的机械运动（一维或二维），直线电机按原理分为直线直 流电机、直线异步电机、直线同步电机、直线步进电机和平面步进电机等。 1.直线直流电机 永磁式直线直流电机是常用的直线直流电机，该电机分为动圈式和动磁式两种。动 圈式电机磁场固定，电枢线圈可移动，其结构形式和工作原理与扬声器相似，因此又称 为音圈电机。动磁式电机为电枢线圈固定，磁场运动，适用于大行程的场合。 以动圈式直线直流电机为例，其工作原理与永磁式直流电机一样，即载流电枢线圈 在永磁磁场中受力作用的原理。图3-26所示为动圈式直线直流电机的结构简图，它属 于管状结构形式，包括定子和动子两个主要部件，这种结构电机的定子和动子气隙可以 做得很小，它的性能指标能够达到旋转电机的指标。动圈式又分长动圈和短动圈二种电 枢结构。 88 (a)长动圈式 b)短动圈式 图3-26动圈式直流直线电机的结构示意图 1一动圈：2一前端板：3一磁钢4一后端板：5一铁心 长动圈式结构如图3-26()所示，该电机电枢线圈的轴向长度比直线运动工作的行 程长，故称为长动圈式直流电机。此种电机效率低，比推力均匀度较差，但永磁材料利 用率高，电机的体积小，质量轻。 短动圈式结构如图3-26b)所示，该电机电枢线圈的轴向长度比直线运动工作的行 程短，故称为短动圈式直线电机。此种结构的电枢线圈长度利用率高，比推力均匀度较 好，但永磁材料利用率低。综合看，短动圈式直线电机比长动圈式直流电机性能好、用 得较广。 由于直线电机总是处在暂态过程中，它的运行属于动态过程。直线电机的动态特性 和直流电机的动态特性完全一样，其参数可以等效。直线直流电机目前用于计算机外围 设备、自动化仪器仪表、精密机床、机器人以及制冷设备中。 2.直线异步电机 直线异步电机的工作原理与旋转式异步电机的工作原理一样，即定子合成移动磁场 与动子的电流作用产生电磁力，使电机直线运动。 直线异步电机的结构包括定子、动子和直线运动支撑导轮三大部分。定子由定子铁 心和定子绕组组成，它与交流电源相连产生移动磁场。动子有三种形式：第一种是磁性 动子，由导磁材料制成，即起磁路作用，又作为笼型动子起导电作用：第二种动子是非 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 3 二、直线电机的分类 直线电机直接产生直线形式的机械运动(一维或二维)，直线电机按原理分为直线直 流电机、直线异步电机、直线同步电机、直线步进电机和平面步进电机等。 1．直线直流电机 永磁式直线直流电机是常用的直线直流电机，该电机分为动圈式和动磁式两种。动 圈式电机磁场固定，电枢线圈可移动，其结构形式和工作原理与扬声器相似，因此又称 为音圈电机。动磁式电机为电枢线圈固定，磁场运动，适用于大行程的场合。 以动圈式直线直流电机为例，其工作原理与永磁式直流电机一样，即载流电枢线圈 在永磁磁场中受力作用的原理。图 3–26 所示为动圈式直线直流电机的结构简图，它属 于管状结构形式，包括定子和动子两个主要部件，这种结构电机的定子和动子气隙可以 做得很小，它的性能指标能够达到旋转电机的指标。动圈式又分长动圈和短动圈二种电 枢结构。 (a) 长动圈式 (b) 短动圈式 图 3–26 动圈式直流直线电机的结构示意图 1—动圈；2—前端板；3—磁钢；4—后端板；5—铁心 长动圈式结构如图 3–26(a)所示，该电机电枢线圈的轴向长度比直线运动工作的行 程长，故称为长动圈式直流电机。此种电机效率低，比推力均匀度较差，但永磁材料利 用率高，电机的体积小，质量轻。 短动圈式结构如图 3–26(b)所示，该电机电枢线圈的轴向长度比直线运动工作的行 程短，故称为短动圈式直线电机。此种结构的电枢线圈长度利用率高，比推力均匀度较 好，但永磁材料利用率低。综合看，短动圈式直线电机比长动圈式直流电机性能好、用 得较广。 由于直线电机总是处在暂态过程中，它的运行属于动态过程。直线电机的动态特性 和直流电机的动态特性完全一样，其参数可以等效。直线直流电机目前用于计算机外围 设备、自动化仪器仪表、精密机床、机器人以及制冷设备中。 2．直线异步电机 直线异步电机的工作原理与旋转式异步电机的工作原理一样，即定子合成移动磁场 与动子的电流作用产生电磁力，使电机直线运动。 直线异步电机的结构包括定子、动子和直线运动支撑导轮三大部分。定子由定子铁 心和定子绕组组成，它与交流电源相连产生移动磁场。动子有三种形式：第一种是磁性 动子，由导磁材料制成，即起磁路作用，又作为笼型动子起导电作用；第二种动子是非
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 磁性动子，只起导电作用，这种结构气隙较大，励磁电流大，损耗大：第三种是在动子 导磁材料上面覆盖一层导电材料，覆盖层作为笼型绕组。这三种形式中，磁性动子结构 最简单，动子即为导磁体又作为导电体，甚至可作为结构部件，应用较广。 直线异步电机分为扁平型和管型结构。常用的是扁平型结构，这种类型又可分为单 边和双边二种形式。为了保证在运动行程范围内，定子和动子之间有良好的电磁耦合， 直线异步电机定子和动子的铁心长度不等，扁平型直线异步电机的定子制成长定子和短 定子两种形式。长定子因成本高，很少采用。图3-27是单边型和双边型的两种短定子 的结构示意图。管型直线异步电机的定子和动子的管筒可做成圆筒和矩形两种结构。 o on o 单边形 定 可凤风 on a o 双边形 图3-27短定子直线异步电机的结构示意图 直线异步电机的机械特性与旋转异步电机的机械特性形状一样，随动子的导电电阻 和气隙而变化，其他特性也与旋转异步电机相似。由于直线异步电机的特殊定子、动子 结构，使电机定子励磁电流分量较大，再加上气隙磁通密度很低，导致直线异步电机的 特性差、损耗大、效率低。直线异步电机主要应用在功率较大的直线运动场合，如起吊、 传动、升降和驱动车辆等。 3.直线同步电机 直线同步电机的工作原理与旋转单极式同步电机一样，即定子合成移动磁场与动子 行波磁场相互作用产生同步转矩（或力），带动负载做直线运动。直线同步电机分为励磁 式和永磁式两种。由于直线同步电机的气隙磁通密度可以取得很大，因此比推力、功率 因数和效率都比直线异步电机好。直线异步电机应用的场合都可以用直线同步电机取 代，且效果要好。 4.直线步进电机 直线步进电机是由旋转步进电机演变而来，它通常制成感应子式和磁阻式两种形 式，感应子式直线步进电机性能好，尺寸小，得到广泛应用。直线步进电机是利用定子 和动子之间气隙磁导的变化所产生的电磁力而工作的，感应子式二相(4、B)直线步进电 机的结构和工作原理如图3-28所示，动子由永磁体、导磁磁极和励磁绕组组成：定子 由带齿槽的反应导磁板等组成。 图3-28、(b)给出了直线步进电机移动12齿距1的两种状态，移动一个齿距需四 步（即四个脉冲）。第一个电脉冲加到A相绕组上，即A相绕组通正电流、B相绕组断电， 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 4 磁性动子，只起导电作用，这种结构气隙较大，励磁电流大，损耗大；第三种是在动子 导磁材料上面覆盖一层导电材料，覆盖层作为笼型绕组。这三种形式中，磁性动子结构 最简单，动子即为导磁体又作为导电体，甚至可作为结构部件，应用较广。 直线异步电机分为扁平型和管型结构。常用的是扁平型结构，这种类型又可分为单 边和双边二种形式。为了保证在运动行程范围内，定子和动子之间有良好的电磁耦合， 直线异步电机定子和动子的铁心长度不等，扁平型直线异步电机的定子制成长定子和短 定子两种形式。长定子因成本高，很少采用。图 3–27 是单边型和双边型的两种短定子 的结构示意图。管型直线异步电机的定子和动子的管筒可做成圆筒和矩形两种结构。 图 3–27 短定子直线异步电机的结构示意图 直线异步电机的机械特性与旋转异步电机的机械特性形状一样，随动子的导电电阻 和气隙而变化，其他特性也与旋转异步电机相似。由于直线异步电机的特殊定子、动子 结构，使电机定子励磁电流分量较大，再加上气隙磁通密度很低，导致直线异步电机的 特性差、损耗大、效率低。直线异步电机主要应用在功率较大的直线运动场合，如起吊、 传动、升降和驱动车辆等。 3．直线同步电机 直线同步电机的工作原理与旋转单极式同步电机一样，即定子合成移动磁场与动子 行波磁场相互作用产生同步转矩(或力)，带动负载做直线运动。直线同步电机分为励磁 式和永磁式两种。由于直线同步电机的气隙磁通密度可以取得很大，因此比推力、功率 因数和效率都比直线异步电机好。直线异步电机应用的场合都可以用直线同步电机取 代，且效果要好。 4．直线步进电机 直线步进电机是由旋转步进电机演变而来，它通常制成感应子式和磁阻式两种形 式，感应子式直线步进电机性能好，尺寸小，得到广泛应用。直线步进电机是利用定子 和动子之间气隙磁导的变化所产生的电磁力而工作的，感应子式二相(A、B)直线步进电 机的结构和工作原理如图 3–28 所示，动子由永磁体、导磁磁极和励磁绕组组成；定子 由带齿槽的反应导磁板等组成。 图 3–28(a)、(b)给出了直线步进电机移动 1/2 齿距 t 的两种状态，移动一个齿距需四 步(即四个脉冲)。第一个电脉冲加到 A 相绕组上，即 A 相绕组通正电流、B 相绕组断电
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 导磁磁极的极弧a,a增磁，极弧c,c去磁，使动子向右移动4。第二个电脉冲加到 B相绕组上.即B相绕组通正电流、A相绕组断电，导磁磁极的极弧6,6增磁，极弧d, d去磁，使动子继续向有移动4。第三个电脉冲加到A相绕组上，即A相绕组通正电 流、B相绕组断电，导磁磁极的极弧c,c增磁，极弧a,a去磁，使动子又向右移动4。 第四个电脉冲加到B相绕组上.即B相绕组通正电流、A相绕组断电，导磁磁极的极弧 d,"增磁，极弧b,b'去磁，使动子又向有移动4。这时直线步进电机累计移动量为 一个齿距1，直线步进电机的工作状态恢复到原始状态，若通电脉冲继续按上述A、B 相绕组轮流通电，直线步进电机动子将不断向右移动。控制通电脉冲的数量和频率，就 可以得到不同的位移量和速度。 动子 (a) ▣▣▣■ (b) 图3-28感应子式直线步进电机的结构原理简图 上述直线步进电机的步距（一个电脉冲对应的位移量）为14齿距。若获得较小的步 距，需将导磁磁极的极弧做成均匀多齿槽的形式，定子的齿槽尺寸也应与动子极弧齿槽 尺寸一样。直线步进电机还有三相、四相等结构。 直线步进电机的静、动态特性与参数和旋转步进电机的情况一样，两者的机械参数 有类似的等效关系，如直线步进电机的推力、直线步距和动子质量对应旋转步进电机的 转矩、步距角和转子转动惯量，其他特性和参数也都类似，只是旋转步进电机有精密的 支承轴承，而直线步进电机没有，一个好的解决办法是采用气浮和流体支承，从而减小 振动和噪声。 直线步进电机使用较广，如用在数控绘图仪、记录仪、数控刻图机、数控激光剪裁 机、集成电路测量制造等设备上。 5.平面步进电机 平面步进电机是由两个互相垂直运动的直线步进电机组合而构成，它具有x、y两 个坐标轴，能在平面内各个方向运动，其原理、结构和特性可参考直线步进电机。平面 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 5 导磁磁极的极弧 a ， a 增磁，极弧 c ，c 去磁，使动子向右移动 t 4 。第二个电脉冲加到 B 相绕组上．即 B 相绕组通正电流、A 相绕组断电，导磁磁极的极弧 b ，b 增磁，极弧 d ， d 去磁，使动子继续向有移动 t 4 。第三个电脉冲加到 A 相绕组上，即 A 相绕组通正电 流、B 相绕组断电，导磁磁极的极弧 c ，c 增磁，极弧 a ，a 去磁，使动子又向右移动 t 4 。 第四个电脉冲加到 B 相绕组上．即 B 相绕组通正电流、A 相绕组断电，导磁磁极的极弧 d ， d 增磁，极弧 b ，b 去磁，使动子又向有移动 t 4 。这时直线步进电机累计移动量为 一个齿距 t ，直线步进电机的工作状态恢复到原始状态，若通电脉冲继续按上述 A、B 相绕组轮流通电，直线步进电机动子将不断向右移动。控制通电脉冲的数量和频率，就 可以得到不同的位移量和速度。 图 3–28 感应子式直线步进电机的结构原理简图 上述直线步进电机的步距(一个电脉冲对应的位移量)为 1/4 齿距。若获得较小的步 距，需将导磁磁极的极弧做成均匀多齿槽的形式，定子的齿槽尺寸也应与动子极弧齿槽 尺寸一样。直线步进电机还有三相、四相等结构。 直线步进电机的静、动态特性与参数和旋转步进电机的情况一样，两者的机械参数 有类似的等效关系，如直线步进电机的推力、直线步距和动子质量对应旋转步进电机的 转矩、步距角和转子转动惯量，其他特性和参数也都类似，只是旋转步进电机有精密的 支承轴承，而直线步进电机没有，一个好的解决办法是采用气浮和流体支承，从而减小 振动和噪声。 直线步进电机使用较广，如用在数控绘图仪、记录仪、数控刻图机、数控激光剪裁 机、集成电路测量制造等设备上。 5．平面步进电机 平面步进电机是由两个互相垂直运动的直线步进电机组合而构成，它具有 x 、 y 两 个坐标轴，能在平面内各个方向运动，其原理、结构和特性可参考直线步进电机。平面