数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 步进电机结构简单，性能好，成本低，在数控设备上得到了广泛的应用。 三、直线电机在数控机床上应用 为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速和超高速加工现已成为机 床发展的一个重大趋势，一个反应灵敏、高速、轻便的驱动系统，速度要提高到40~ 50m/min以上。传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动形式所能达到的最高进给速度为 30mmin,加速度仅为3ms2。直线电机驱动工作台，其速度是传统传动方式的30倍， 加速度是传统传动方式的10倍，最大可达13g:刚度提高了7倍：直线电机直接驱动的 工作台无反向工作死区：由于电机惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高 的频率响应，因此近些年直线电机在数控机床中的应用受到国际关注。 1993年，德国Zxcello公司推出了世界上第一个由直线电机驱动的工作台Hsc-240 型高速加工中心，机床主轴最高速达到24000r/min,最大进给速度为60m/min,加速度 达到1g,当进给速度为20m/min时，其轮廓精度可达0.004mm。美国的Ingersoll公司 紧接着推出了Hvm-800型高速加工中心，主轴最高转速为20000rmin,最大进给速度为 75.20m/min。 1996年开始，日本相继研制成功了采用直线电机的卧式加工中心、高速机床、超高 速小型加工中心、超精密镜面加工机床、高速成型机床等。 我国浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机，浙江大学生产工程研究所设计 了用圆简型直线电机驱动的并联机构坐标测量机。针对产量最大的非圆截面零件，国防 科技大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给单元，用于数 控活塞加工机床时，工作台尺寸为600mm×320mm,行程100mm,最大推力为160N, 最大加速度可达13g,直线电机动子和工作台己固定在一起，采用双闭环控制系统。2001 年南京四开公司推出了自行开发的采用直线电机直接驱动的数控直线电机车床，2003 年第8届中国国际机床展览会上，展出北京电院高技术股份公司推出的Vs1250直线电 机取得的加工中心，该机床主轴最高转速达15000rmin。 第六节典型的进给伺服系统 数控机床典型的进给伺服系统有步进式伺服系统、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和CNC数字伺服系统。 一、步进伺服系统 步进式同服系统又称开环步进伺服系统，系统中没有位置和速度反馈电路，不像闭 环伺服系统那样需要进行复杂的设计计算与试验校正。因此，系统具有结构简单、使用 维护方便、可靠性高和制造成本低等一系列优点，主要适用于速度、精度要求较低的中 小型机床，如经济型数控机床，也可用于现有普通机床的数控化技术改造， 1.步进式伺服系统的工作原理 步进式伺服系统的结构原理如图32所示，主要由步进电动机及其驱动控制线路两 部分组成，这两部分己在本章第二节中介绍，这里不再赘述，下面具体介绍一下步进式 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 6 步进电机结构简单，性能好，成本低，在数控设备上得到了广泛的应用。 三、直线电机在数控机床上应用 为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速和超高速加工现已成为机 床发展的一个重大趋势，一个反应灵敏、高速、轻便的驱动系统，速度要提高到 40～ 50m/min 以上。传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动形式所能达到的最高进给速度为 30m/min，加速度仅为 3m/s2。直线电机驱动工作台，其速度是传统传动方式的 30 倍， 加速度是传统传动方式的 10 倍，最大可达 13g；刚度提高了 7 倍；直线电机直接驱动的 工作台无反向工作死区；由于电机惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高 的频率响应，因此近些年直线电机在数控机床中的应用受到国际关注。 1993 年，德国 Zxcello 公司推出了世界上第一个由直线电机驱动的工作台 Hsc-240 型高速加工中心，机床主轴最高速达到 24000r/min，最大进给速度为 60m/min，加速度 达到 1g，当进给速度为 20m/min 时，其轮廓精度可达 0.004mm。美国的 Ingersoll 公司 紧接着推出了 Hvm-800 型高速加工中心，主轴最高转速为 20000r/min，最大进给速度为 75.20m/min。 1996 年开始，日本相继研制成功了采用直线电机的卧式加工中心、高速机床、超高 速小型加工中心、超精密镜面加工机床、高速成型机床等。 我国浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机，浙江大学生产工程研究所设计 了用圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机。针对产量最大的非圆截面零件，国防 科技大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给单元，用于数 控活塞加工机床时，工作台尺寸为 600mm×320mm，行程 100mm，最大推力为 160N， 最大加速度可达 13g，直线电机动子和工作台已固定在一起，采用双闭环控制系统。2001 年南京四开公司推出了自行开发的采用直线电机直接驱动的数控直线电机车床，2003 年第 8 届中国国际机床展览会上，展出北京电院高技术股份公司推出的 Vs1250 直线电 机取得的加工中心，该机床主轴最高转速达 15000r/min。 第六节 典型的进给伺服系统 数控机床典型的进给伺服系统有步进式伺服系统、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和 CNC 数字伺服系统。 一、步进伺服系统 步进式伺服系统又称开环步进伺服系统，系统中没有位置和速度反馈电路，不像闭 环伺服系统那样需要进行复杂的设计计算与试验校正。因此，系统具有结构简单、使用 维护方便、可靠性高和制造成本低等一系列优点，主要适用于速度、精度要求较低的中 小型机床，如经济型数控机床，也可用于现有普通机床的数控化技术改造。 1．步进式伺服系统的工作原理 步进式伺服系统的结构原理如图 3–2 所示，主要由步进电动机及其驱动控制线路两 部分组成，这两部分已在本章第二节中介绍，这里不再赘述，下面具体介绍一下步进式
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 伺服系统的工作原理。 步进式伺服系统中指令信号是单向传递的，驱动控制线路接收数控装置发出的进给 脉冲信号，并将其转换为控制步进电动机各相定子绕组依次通、断电的信号，使步进电 动机运转。步进电动机的转子与机床丝杠连在一起（也可通过传动装置接到丝杠上），带 动丝杠转动，从而使工作台运动。也就是说，步进式伺服系统受驱动控制线路的控制， 将代表进给脉冲的电信号通过步进电动机转变为具有一定大小和方向的机械角位移，通 过机械传动带动工作台移动。 (1)工作台位移量的控制 数控装置发出N个进给脉冲，使步进电动机定子绕组的通电状态变化N次，则步进 电动机转过的角位移量o=Na(a为步距角)，该角位移经丝杠螺母副转化为工作台的位 移量L,其进给脉冲数决定了工作台的直线位移量。 (2)工作台进给速度的控制 若数控装置发出的进给脉冲的频率为「，经驱动控制线路后，转换为控制步进电动 机定子绕组的通、断电的电平信号变化频率，由于转速。=60（δ为脉冲当量），所以定 子绕组通电状态的变化频率决定步进电动机转子的转速。该转速经过丝杠螺母副传递之 后，转化为工作台的进给速度，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。同时，在 相同脉冲频率∫的条件下，脉冲当量ò越小，则进给速度越小，进给运动的分辨率和精 度越高。 (3)工作台运动方向的控制 当数控装置发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路之后，步进电动机的定子绕 组按一定顺序依次通、断电。当进给脉冲是反向时，定子各相绕组则按相反的顺序通、 断电。因此，改变进给脉冲的方向，可改变定子绕组的通电顺序，使步进电动机正转或 反转，从而改变工作台的进给方向。 2.提高步进式伺服系统精度的措施 步进式伺服系统是一个开环伺服系统，在此系统中，步进电动机的质量、机械传动 部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均影响系统的工作精度。要提高系统的工 作精度，应该考虑如何改善步进电动机的性能，减小步距角：采用精密传动副，减少传 动链中传动间隙等措施。但这些措施往往由于结构和工艺的关系而受到一定的限制。为 此，需要从控制方法上采取一些措施，以弥补其不足。 (1)传动间隙补偿 在进给传动结构中，提高传动元件的制造精度并采用消除传动间隙的措施，可以减 小传动间隙，但不能完全消除。由于间隙的存在，接收反向进给指令时，最初的若干个 指令脉冲只能起到消除间隙的作用，因此产生了传动误差。传动间隙补偿的基本方法是： 当接收反向位移指令时，首先不向步进电动机输送反向位移脉冲，而是由间隙补偿电路 或补偿软件产生一定数量的补偿脉冲，使步进电动机转动越过传动间隙，然后再按指令 脉冲使执行部件作准确的位移。间隙补偿的数目由实测决定，并作为参数存储起来。接 收反向指令信号后，每向步进电动机输送一个补偿脉冲的同时，将所存的补偿脉冲数减 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 7 伺服系统的工作原理。 步进式伺服系统中指令信号是单向传递的，驱动控制线路接收数控装置发出的进给 脉冲信号，并将其转换为控制步进电动机各相定子绕组依次通、断电的信号，使步进电 动机运转。步进电动机的转子与机床丝杠连在一起(也可通过传动装置接到丝杠上)，带 动丝杠转动，从而使工作台运动。也就是说，步进式伺服系统受驱动控制线路的控制， 将代表进给脉冲的电信号通过步进电动机转变为具有一定大小和方向的机械角位移，通 过机械传动带动工作台移动。 (1) 工作台位移量的控制 数控装置发出 N 个进给脉冲，使步进电动机定子绕组的通电状态变化 N 次，则步进 电动机转过的角位移量 = N ( 为步距角)，该角位移经丝杠螺母副转化为工作台的位 移量 L ，其进给脉冲数决定了工作台的直线位移量。 (2) 工作台进给速度的控制 若数控装置发出的进给脉冲的频率为 f ，经驱动控制线路后，转换为控制步进电动 机定子绕组的通、断电的电平信号变化频率，由于转速 = 60 f ( 为脉冲当量)，所以定 子绕组通电状态的变化频率决定步进电动机转子的转速。该转速经过丝杠螺母副传递之 后，转化为工作台的进给速度，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。同时，在 相同脉冲频率 f 的条件下，脉冲当量 越小，则进给速度越小，进给运动的分辨率和精 度越高。 (3) 工作台运动方向的控制 当数控装置发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路之后，步进电动机的定子绕 组按一定顺序依次通、断电。当进给脉冲是反向时，定子各相绕组则按相反的顺序通、 断电。因此，改变进给脉冲的方向，可改变定子绕组的通电顺序，使步进电动机正转或 反转，从而改变工作台的进给方向。 2．提高步进式伺服系统精度的措施 步进式伺服系统是一个开环伺服系统，在此系统中，步进电动机的质量、机械传动 部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均影响系统的工作精度。要提高系统的工 作精度，应该考虑如何改善步进电动机的性能，减小步距角；采用精密传动副，减少传 动链中传动间隙等措施。但这些措施往往由于结构和工艺的关系而受到一定的限制。为 此，需要从控制方法上采取一些措施，以弥补其不足。 (1) 传动间隙补偿 在进给传动结构中，提高传动元件的制造精度并采用消除传动间隙的措施，可以减 小传动间隙，但不能完全消除。由于间隙的存在，接收反向进给指令时，最初的若干个 指令脉冲只能起到消除间隙的作用，因此产生了传动误差。传动间隙补偿的基本方法是： 当接收反向位移指令时，首先不向步进电动机输送反向位移脉冲，而是由间隙补偿电路 或补偿软件产生一定数量的补偿脉冲，使步进电动机转动越过传动间隙，然后再按指令 脉冲使执行部件作准确的位移。间隙补偿的数目由实测决定，并作为参数存储起来。接 收反向指令信号后，每向步进电动机输送一个补偿脉冲的同时，将所存的补偿脉冲数减