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
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
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 1,直至存数为零时，发出补偿完成信号，控制脉冲输出门向步进电动机分配进给指令 脉冲。 (2)螺距误差补偿 在步进式伺服驱动系统中，丝杠的螺距累积误差直接影响工作台的位移精度，若要 提高系统的精度，就必须予以补偿，补偿原理如图3-29所示。 机床运动 脉冲数 脉冲数 微动开关 门补楼杆A 门补偿杆B ,负补偿脉冲A ,正补偿脉冲B S S2 补偿脉冲 图329螺距误差补偿原理图 螺距误差补偿首先通过对丝杠的螺距进行实测，得到丝杠全程的误差分布曲线。误 差有正有负，当误差为正时，表明实际的移动距离大于理论的移动距离，应该采用扣除 进给脉冲指令的方式进行误差补偿，使步进电动机少走一步：当误差为负时，表明实际 的移动距离小于理论的移动距离，应该采取增加进给脉冲指令的方式进行误差补偿，使 步进电动机多走一步。具体的做法如下： )安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿 2)在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分布情况及前面所述螺距误差补偿原理 设置补偿开关或挡块： 3)当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出 个误差补偿信号，对螺距误差进行补偿，以消除螺距的累积误差。 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 8 1，直至存数为零时，发出补偿完成信号，控制脉冲输出门向步进电动机分配进给指令 脉冲。 (2) 螺距误差补偿 在步进式伺服驱动系统中，丝杠的螺距累积误差直接影响工作台的位移精度，若要 提高系统的精度，就必须予以补偿，补偿原理如图 3–29 所示。 图 3–29 螺距误差补偿原理图 螺距误差补偿首先通过对丝杠的螺距进行实测，得到丝杠全程的误差分布曲线。误 差有正有负，当误差为正时，表明实际的移动距离大于理论的移动距离，应该采用扣除 进给脉冲指令的方式进行误差补偿，使步进电动机少走一步；当误差为负时，表明实际 的移动距离小于理论的移动距离，应该采取增加进给脉冲指令的方式进行误差补偿，使 步进电动机多走一步。具体的做法如下： 1) 安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿； 2) 在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分布情况及前面所述螺距误差补偿原理 设置补偿开关或挡块； 3) 当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出一 个误差补偿信号，对螺距误差进行补偿，以消除螺距的累积误差
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 (3)细分线路 所谓细分线路，是把步进电动机的一步再分得细一些，如十细分线路，将原来输入 一个进给脉冲步进电动机走一步变为输入10个脉冲才走一步，换句话说，采用十细分 线路后，在进给速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的110。细分电路的特点 是：在不改变步进电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，使步进电动机的分辨率 得以提高，并能减弱或消除振荡，运动更加平稳。 要实现细分，需要将绕组中的矩形电流波改成阶梯形电流波，即设法使绕组中的电 流以若干个等宽度阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降。阶梯波控制信号 可由很多方法产生，如用恒频脉宽调制细分电路来实现，如图3-30所示，这种细分电 路实际是一种电流型功率放大器。 +5V R 代4 U (a)电路 b)波形 图3-30恒频脉宽调制细分电路 二、鉴相式伺服系统 在鉴相式伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式，指令信号与反馈信号都变 成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现 闭环（或半闭环）控制，是数控机床中使用较多的一种位置控制系统。它具有工作可靠、 抗干扰性强、精度高等优点，更适于连续控制的伺服系统，但由于增加了位置检测、反 馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比，它的结构比较复杂，调试也比较困难。 1.鉴相式伺服系统的组成 鉴相式伺服系统结构如图3-31所示，它主要由基准信号发生器、脉冲调相器、检 测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件等元器件组成。 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 9 (3) 细分线路 所谓细分线路，是把步进电动机的一步再分得细一些，如十细分线路，将原来输入 一个进给脉冲步进电动机走一步变为输入 10 个脉冲才走一步，换句话说，采用十细分 线路后，在进给速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的 1/10。细分电路的特点 是：在不改变步进电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，使步进电动机的分辨率 得以提高，并能减弱或消除振荡，运动更加平稳。 要实现细分，需要将绕组中的矩形电流波改成阶梯形电流波，即设法使绕组中的电 流以若干个等宽度阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降。阶梯波控制信号 可由很多方法产生，如用恒频脉宽调制细分电路来实现，如图 3–30 所示，这种细分电 路实际是一种电流型功率放大器。 图 3–30 恒频脉宽调制细分电路 二、鉴相式伺服系统 在鉴相式伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式，指令信号与反馈信号都变 成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现 闭环(或半闭环)控制，是数控机床中使用较多的一种位置控制系统。它具有工作可靠、 抗干扰性强、精度高等优点，更适于连续控制的伺服系统，但由于增加了位置检测、反 馈、比较等元件，与步进式伺服系统相比，它的结构比较复杂，调试也比较困难。 1．鉴相式伺服系统的组成 鉴相式伺服系统结构如图 3–31 所示，它主要由基准信号发生器、脉冲调相器、检 测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件等元器件组成
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 基准信号发生器 检测元件及信号处理线路 +△x 一△x 调相器 图3-31鉴相式伺服系统框图 下面简要介绍鉴相式伺服系统各组成部分的功能： (1)基准信号发生器 基准信号发生器输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为同服系统提供 一个相位比较的基准 (2)脉冲调相器 脉冲调相器又称数字相位转换器，它的作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换 为相位变化的信号，该相位变化信号可用正弦信号表示，也可用方波信号表示。若数控 装置没有进给脉冲输出，脉冲调相器的输出与基准信号发生器的基准信号同相位，即两 者没有相位差。若数控装置有脉冲输出，数控装置每输出一个正向或反向进给脉冲，脉 冲调相器的输出将超前或滞后基准信号一个相应的相位角，。若数控装置输出N个正向 进给脉冲，则脉冲调相器的输出就超前基准信号一个相位角=Ng,。 (3)检测元件及信号处理线路 该元件和线路的作用是将工作台的位移量检测出来，并表达成与基准信号之间的相 位差。 (4)鉴相器 鉴相器的输入信号有两路， 一路是来自脉冲调相器的指令信号：另一路是来自检测 元件及信号处理线路的反馈信号，它反映了工作台的实际位移量大小。这两路信号都用 与基准信号之间的相位差来表示，且同频率、同周期。当工作台实际移动距离不满足进 给要求距离时，这两个信号之间便存在一个相位差，相位差的大小就代表了工作台实际 移动距离与进给要求距离的误差，鉴相器就是鉴别这个误差的电路，它的输出是与此相 位差成正比的电压信号。 (⑤)驱动线路和执行元件 鉴相器的输出信号一般比较薄弱，不能直接驱动执行元件，驱动线路的任务就是将 鉴相器的输出进行电压、功率放大，如需要，再进行信号转换，转换成驱动执行元件所 需的信号形式，驱动线路的输出与鉴相器的输出成比例。执行元件的作用是实现电信号 和机械位移的转换，它将驱动线路输出的代表工作台指令进给量的电信号转换为工作台 的实际进给量，带动工作台移动。 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 10 图 3–31 鉴相式伺服系统框图 下面简要介绍鉴相式伺服系统各组成部分的功能： (1) 基准信号发生器 基准信号发生器输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供 一个相位比较的基准。 (2) 脉冲调相器 脉冲调相器又称数字相位转换器，它的作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换 为相位变化的信号，该相位变化信号可用正弦信号表示，也可用方波信号表示。若数控 装置没有进给脉冲输出，脉冲调相器的输出与基准信号发生器的基准信号同相位，即两 者没有相位差。若数控装置有脉冲输出，数控装置每输出一个正向或反向进给脉冲，脉 冲调相器的输出将超前或滞后基准信号一个相应的相位角 1 。若数控装置输出 N 个正向 进给脉冲，则脉冲调相器的输出就超前基准信号一个相位角 = N1 。 (3) 检测元件及信号处理线路 该元件和线路的作用是将工作台的位移量检测出来，并表达成与基准信号之间的相 位差。 (4) 鉴相器 鉴相器的输入信号有两路，一路是来自脉冲调相器的指令信号；另一路是来自检测 元件及信号处理线路的反馈信号，它反映了工作台的实际位移量大小。这两路信号都用 与基准信号之间的相位差来表示，且同频率、同周期。当工作台实际移动距离不满足进 给要求距离时，这两个信号之间便存在一个相位差，相位差的大小就代表了工作台实际 移动距离与进给要求距离的误差，鉴相器就是鉴别这个误差的电路，它的输出是与此相 位差成正比的电压信号。 (5) 驱动线路和执行元件 鉴相器的输出信号一般比较薄弱，不能直接驱动执行元件，驱动线路的任务就是将 鉴相器的输出进行电压、功率放大，如需要，再进行信号转换，转换成驱动执行元件所 需的信号形式，驱动线路的输出与鉴相器的输出成比例。执行元件的作用是实现电信号 和机械位移的转换，它将驱动线路输出的代表工作台指令进给量的电信号转换为工作台 的实际进给量，带动工作台移动