数控机床的驱动与控制系统(1)
数控机床主轴控制_图文
5.1.3高速主轴的设计
表5-1铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系
转速/r﹒min-1 进给量 /mm﹒min-1
10000 20000 30000 40000
1000 2000 3000 4000
切削速度 /m﹒min-1 785 1570 2356 3142
Ra/μm
0.56 0.46 0.32 0.32
5.2.1主轴直流电动机
图5-11
直流主轴电动机结构示意图
5.2.2、直流主轴驱动控制系统
数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理框图如图5-13所示。
（图5-13） 直流主轴驱动系统原理图
实际直流电机的电刷和换向片：
直流电机的基本结构
电机模型的各组成部件
固有机械特性
称为理想空载转速
V2 W1
n
U1
U2
W2 V1
三相绕组基波合成磁动势——旋转磁动势
交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相 的合成磁动势。
取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为 x的参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动 势为：
三相的合成磁动势：
可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。
（4）励磁回路方程
（5）气隙磁通
。U 。
I Ia
M Ea
。 Uf 。
Φ
5.2.2、直流主轴驱动控制系统
1调磁调速回路 图5-13的上半部分为励磁控制回路，由于主轴电动
机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大 ，因此，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕 组相互独立，并由单独的可调直流电源供电。
2、交流主轴驱动系统
5.1.2主轴变速方式
数控机床的位置控制系统
7050铝合金等通道多转角挤压过程的三维有限元模拟
吕哲;郑立静;于燕;李焕喜;高文理
【期刊名称】《稀有金属材料与工程》
【年(卷),期】2008(37)12
【摘要】对7050铝合金等通道多次转角挤压(equal-channel angular pressing,简称ECAP)过程中的变形行为进行三维有限元模拟,并研究了挤压过程中等效应变的演化以及载荷-位移曲线变化。
为开发多道次ECAP工艺的模具设计、工艺参数提供理论指导依据。
【总页数】4页(P2125-2128)
【关键词】等通道多次转角挤压;有限元分析;等效应变;7050铝合金
【作者】吕哲;郑立静;于燕;李焕喜;高文理
【作者单位】北京航空航天大学,北京100083;湖南大学,湖南长沙410082
【正文语种】中文
【中图分类】TG371
【相关文献】
1.7050铝合金等通道转角挤压的有限元模拟及力学性能 [J], 徐尊平;程南璞;陈志谦
2.等通道转角挤压过程和参数的有限元模拟概述 [J], 袁玉春;马爱斌;江静华
3.等通道转角挤压过程和参数的有限元模拟概述 [J], 袁玉春;马爱斌;江静华
4.7050铝合金热挤压成形过程的有限元模拟 [J], 许柏华;张翔;王晓溪
5.7050铝合金等通道转角挤压过程中显微结构和力学性能演化的小角x射线散射研究 [J], 郑立静;李树索;李焕喜;陈昌麒;韩雅芳;董宝中
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数控技术及应用第6章 数控机床的电气驱动-步进电动机
工作方式
步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、 双六拍；三相双三拍等 双六拍；三相双三拍等。“单”是指每次只有一相 绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。
一、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型 三相绕组联接方式： （2）三相绕组中的通电顺序为： 三相绕组中的通电顺序为： A相 → B相 → C相 通电顺序也可以为： 通电顺序也可以为： A 相 → C 相→ B 相
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。 相通电使转子1 对齐。
A
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
B相通电，转子2、4齿 相通电，转子 、 齿 相通电 相轴线对齐， 和B相轴线对齐，相对 相轴线对齐 A相通电位置转 °； 相通电位置转30° 相通电位置转
C相通电再转 ° 相通电再转30° 相通电再转
（3）工作过程 ） A 相通电，A 方向的磁 相通电，
A
B' 4 1 2 3 A'
通经转子形成闭合回路。 通经转子形成闭合回路。
C' B
若转子和磁场轴线方向 原有一定角度， 原有一定角度，则在磁 场的作用下，转子 场的作用下，
C
被磁化，吸引转子， 被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁 阻最小的路径闭合， 阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 定子的齿对齐停止转动。 定子的齿对齐停止转动。
2、步进电动机
工作原理： 工作原理 ： 步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲 脉冲 线位移或角位移的电动机。每来一个 信号转换成线位移或角位移 线位移或角位移 信号 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小 段距离。 特点： 特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。 (4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。
数控机床主轴驱动变频控制
数控机床主轴驱动变频控制一、前言数控机床是传统机床向智能化方向发展的结果，其操作简单、精度高、效率高等特点，使得其在现代制造业中大有用处。
数控机床中的主轴驱动控制是其中的一个重要环节，其精度和可靠性对整个机床的操作效果有着至关重要的作用。
本篇文档将主要介绍数控机床主轴驱动变频控制相关知识。
二、数控机床主轴驱动变频控制的原理数控机床的主轴驱动控制系统主要是由相关电气元件组成的变频器控制系统。
变频器就是将市电通过整流、滤波、逆变后输出一定的频率、电压并控制电机转速的电子装置。
在数控机床的主轴驱动系统中，变频器通过对电机控制进行电压和频率的调整，来实现主轴的旋转，进而控制其转速和输出功率。
变频器输出的频率、电压均可调整，因此可以通过控制变频器的输出，来实现对主轴的速度调节。
电气控制系统通过实时监测机床运行状态、主轴运行状态、机床速度、主轴转速等信息，根据预先设定的运转条件，通过控制变频器输出的电压、频率实现对机床的工作状态并实现对主轴的速度调节。
三、数控机床主轴驱动变频控制的优点与传统机床的主轴驱动方式相比，数控机床主轴驱动变频控制有诸多优点，主要体现在以下几个方面：1.可调性强：通过对变频器的控制，可以实现精确的主轴转速调节，可以满足不同需求的工件加工。
2.精度高：由于采用了电气控制系统，可以实现主轴转速的精确控制，进而实现加工精度的提高。
3.效率高：数控机床主轴驱动变频控制由于能够实现电气控制，减少了机械传动过程中的机械损耗，因此其效率远高于传统机床主轴驱动方式。
4.运转平稳：变频器可以调节输出电压和频率，可以进一步实现对主轴转速的控制，从而实现机床运转的平稳。
四、数控机床主轴驱动变频控制的应用数控机床主轴驱动变频控制技术的应用相当广泛，可以应用于各种数控机床类型，包括数控车床、数控加工中心、数控铣床等。
特别是在高速、高精度、高效率的加工应用中，其优势更加明显。
五、数控机床主轴驱动变频控制的维护和保养为了确保数控机床主轴驱动变频控制系统的长期稳定运行，必须进行日常的维护和保养。
数控机床电气控制试题库及答案
开设系部：数控技术系课程：《数控机床电气控制》一，填空题81第一章1 •按国标规定，“停止”按钮必须是 _____________________ 色，“启动”按钮必须是_______________ 色。
章节：1.4题型：填空题难度系数：3答案：红色绿色2•当电路正常工作时，熔断器熔体允许长期通过 1.2倍的额定电流而不熔断。
当电路发生 _________________ 或时，熔体熔断切断电路。
章节：1.3题型：填空题难度系数：3答案：短路严重过载3 •电磁式继电器按照励磁线圈电流的种类可分为_______________________________ 和_______________________ 。
章节：1.2题型：填空题难度系数：3答案：直流继电器交流继电器4 .电磁铁的种类按电流性质分_________________ 和____________ 。
章节：1.5题型：填空题难度系数：4答案：直流交流5.选择接触器时应从其工作条件出发，控制交流负载应选用 _______________ ;控制直流负载则选用__________________章节：1.1题型：填空题难度系数：3答案：交流接触器直流接触器6•中间继电器的作用是将一个输入信号______________________ 输出信号或将信号___________________ 。
章节：1.2题型：填空题难度系数：4答案：转换放大7 •电器按动作原理分为 __________________________ 禾廿 _________________________ 。
章节：1.1题型：填空题难度系数：4答案：手动电器自动电器&接触器选用时，其主触点额定工作电压应_________________ 或____ 负载电路电压。
章节：1.1题型：填空题难度系数：5答案：大于等于9 •接触器主要组成部分有 _______________ 、______________ 、灭弧装置，具有控制和保护作用。
数控技术第4章计算机数控系统(1)
位臵控制模块
6、可编程控制器（PLC） 代替传统机床的继电器逻辑控制来实现各种开关 量的控制。 分为两类： 一类是“内装型”PLC，为实现机床的顺序控制 而专门设计制造的。 另一类是“独立型”PLC，它是在技术规范、功 能和参数上均可满足数控机床要求的独立部件。
三、多CPU结构 适合多轴控制、高进给速度、高精度的机床。 紧藕合：相同的操作系统 松藕合：多重操作系统
控制各类轴运动的功能，用能控制的轴数和能同时控制 的轴数来衡量。
准备功能：G指令功能，指定机床的运动方式。 插补功能：包括软件粗插补和硬件精插补。 进给功能：F指令功能。
切削进给速度(mm/min) 同步进给速度(mm/r) 快速进给速度 进给倍率
主轴功能: 指令主轴转速 S指令功能，指定主轴转速(r/min, mm/min)。 转速编码，恒切削速度切削，主轴定向准停 辅助功能： M指令功能，指定主轴的起停转向（M03、M04）、冷却 泵的通和断、刀库的起停等。 刀具功能：T指令，选择刀具。 字符和图形显示功能： 显示程序、参数、补偿量，坐标位臵、故障信息等。 自诊断功能： 故障的诊断，查明故障类型及部位。
4、进给速度处理 编程指令给出的刀具移动速度是在各坐标合成方 向上的速度，进给速度处 理要根据合成速度计算 出各坐标方向的分速度。 此外，还要对机床允许的最低速度和最高速度的 限制进行判别处理，以及用软件对进给速度进行 自动加减速处理。
5、插补计算 插补就是通过插补程序在一条已知曲线的起点和 终点之间进行“数据点的密化”工作。
三. CNC系统的工作过程
基本过程： CNC装臵的工作过程是在硬件的支持下，执行软 件的过程。 通过输入设备输入机床加工零件所需的各种数据 信息，经过译码和运算处理（包括刀补、进给速 度处理、插补），将每个坐标轴的移动分量送到 其相应的驱动电路，经过转换、放大，驱动伺服 电动机，带动坐标轴运动，同时进行实时位臵反 馈控制，使每个坐标轴都能精确移动到指令所要 求的位臵。
数控机床主轴驱动与控制
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。
6.2.3主轴分段无级调速
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
图6.3所示为西 门子802C数控系 统的变频调速控 制连接图。主轴 电机的正反转通 过继电器KA2和 KA3控制，转速 大小通过X7口模 拟电压值大小控 制。
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
6.1 概述
1.主轴驱动系统的功能
主轴驱动系统通过控制主轴电机的旋转方向和转速， 从而调节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。因此，主轴驱动的主 要功能是为各类工件的加工提供所需的切削功率。
此外，当数控机床具有螺纹加工、恒线速加工以及准 停要求（比如加工中心换刀）时，对主轴也提出了相应的 位置控制要求，所以此类数控机床还具有主轴与进给联动 功能和准停控制功能。
6.1 概述
（3）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。
对于中档数控机床而言主要采用这种方案。其主轴传动仅采用两 挡变速甚至仅一挡即可实现100—200 r/min左右时车、铣的重力切 削。一些有定向功能的还可以应用于要求精镗加工的数控镗铣床。 但若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成 定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。
数控机床的主传动系统
高速加工、精密定位
主轴驱动系统的设计与选择
设计原则
高可靠性 良好的动态响应 经济性考虑
选择因素
机床类型 加工要求 成本预算
常见类型
交流伺服驱动系统 直流传动系统 混合驱动系统
● 03
第3章 数控机床的进给传动 系统
进给传动系统的组成与作 用
进给传动系统主要包括进给驱动装置、进给传动 机构和进给系统的控制与调节三个部分。进给驱 动装置负责提供动力，进给传动机构负责传递动 力并实现所需的运动轨迹，进给系统的控制与调 节负责对整个系统的运行进行精确控制。
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它主要 由主轴装置、传动装置、主轴驱动系统等组成， 负责传递动力并确保机床加工的精度和速度。
主轴的类型与特性
电主轴
高速、高精度
复合主轴
结合电主轴与机 械主轴特点
机械主轴
结构简单、成本 低
主轴定向控制
01 控制意义
保证加工精度
02 控制方法
光电编码器、霍尔效应
部分控制信号依赖于反馈信号
电气控制系统的故障诊断与维 护
故障诊断方法包括观察法、信号分析法、模拟法 等；故障诊断的步骤包括故障现象的观察、故障 原因的分析、故障诊断的结果等；电气控制系统 的维护措施包括定期检查、及时维修、更换故障 部件等。
● 06
第6章 总结
数控机床主传动系统的重要性和 影响因素
夹具系统的性能评价
夹具的刚度 与稳定性
夹具的刚度与稳 定性直接影响到
加工精度
夹具的重复 定位精度
夹具的重复定位 精度直接影响到
加工效率
夹具的装夹 误差
夹具的装夹误差 会导致工件加工
误差
数控机床伺服系统的分类
数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。
1.按用途和功能分：(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。
主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。
进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。
(2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。
主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。
2.按使用的执行元件分：(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。
其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。
（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。
其优点是操作维护方便，可靠性高。
其中，1）直流伺服系统其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。
其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。
2）交流伺服系统其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。
优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。
3.按控制原理分（1）开环伺服系统系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
开环伺服系统的特点：1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。
步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。
国家开放大学电大专科《数控机床》简答题综合题题库及答案（试卷号2431）
国家开放大学电大专科《数控机床》简答题综合题题库及答案（试卷号2431）国家开放大学电大专科《数控机床》简答题综合题题库及答案（试卷号：2431）盗传必究一、简答题1．数控机床的刀库有哪些类型？答：(1)鼓轮式；(2)链式；(3)格子箱；(4)直线式。
（5分）2.数控机床进给传动系统中选用传动齿轮副的作用是什么？答：进给系统采用齿轮传动装置，是为了使丝杠、工作台的惯性在系统中占有较小比重；同时可使高转速低转矩的伺服驱动装置的输出变为低转速大扭矩，从而适应驱动执行元件的需要；另外，在开环系统中还可计算所需的脉冲当量。
（5分）3．球杆仪的作用是什么？简述其测量原理。
答：球杆仪的作用：机床精度综合检测分析的标准设备。
（5分）球杆仪的测试原理为：利用机床的两轴联动做圆弧插补，通过分析圆弧的半径变化和弧线的轨迹特征来判断机床的误差元素。
（5分）4．简述数控机床的基本使用条件。
答：数控机床的基本使用条件：(1)保证一定的环境温度和湿度；(2)地基牢靠，有隔震措施；(3)工作地点允许的海拔高度为1000m;(4)稳定的供电电源，有抗干扰措施；(5)保护接地。
(10分)5．简述数控机床的基本组成部分。
答：控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各类辅助装置组成。
（5分）6．简述全功能型数控车床的特点。
答：特点：控制系统是标准型的，带有高分辨率的CRT显示器以及各种显示、图形仿零点、刀具补偿等功能，而且还有通信或网络接口。
全功能型数控车床采用闭环或半闭环控制的伺服系统，可以进行多个坐标轴的控制，具有高刚度、高精度和高效率等特点。
（5分）7．简述滚珠丝杠螺母副传动的工作原理。
答：工作原理：在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。
螺母上有滚珠回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。
当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。
因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。
第1章 数控机床电气控制概述
第1章数控机床电气控制概述
图1-5开环控制系统结构
第1章数控机床电气控制概述 （2）闭环控制系统 闭环控制系统的机床上安装有检测装置，直接对工作台的位移量 进行检测，当数控装置发出进给指令信号后，经伺服驱动系统使工 作台移动时，安装在工作台上的位置检测装置把机械位移量变为电 量，反馈到输入端与输入设定指令信号进行比较，得到的差值经过 转换和放大，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，直到误差值 消除停止移动。闭环系统具有很高的控制精度。图1-6为闭环数控 系统的结构图
第1章 数控机床电气控制概述
第1章 数控机床电气控制概述
• • • • • 1.1数控机床电气控制系统的组成及特点 1.2数控机床的分类及性能指标 1.3数控机床电气控制系统发展 1.4数控机床自动控制基础 思考题与习题
第1章数控机床电气控制概述
第1章 数控机床电气控制概述
1.1数控机床电气控制系统的组成及特点 • 1.1.1 数控机床电气控制系统的组成 • 数字控制（NC,Numerical Control，简称数控）技术 是用数字化信息进行控制的自动制技术，采用数控 技术的控制系统称为数控系统，装备了数控系统的机 床即为数控机床。 • 数控机床电气控制系统由数控装置（CNC, Computer Numerical Control）、主轴驱动系统、进给伺服系统、 检测反馈系统、机床强电控制系统、编程装置等几部 分组成。数控机床电气控制系统的组成如图1-1所示。
第1章数控机床电气控制概述
图1-3 数控铣床直线控制轨迹示意图
图1-2 数控钻床点位控制示意图
图1-4数控铣床轮廓加工示意图
第1章数控机床电气控制概述
（3）轮廓控制系统 轮廓控制系统又称连续控制系统，其特点是数控系统能够对两个 或两个以上的坐标轴同时进行连续控制。加工时不仅要控制起点和 终点，还要控制整个加工过程中每点的速度和位置。图1-4为数控 铣床轮廓加工示意图。 2.按工艺用途分类 （1）金属切削类数控机床 金属切削类数控机床和传统的通用机床产品种类类似，有数控车 床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心机床 等。数控加工中心是带有自动换刀装置，在一次装夹后，可以进行 多种工序加工的数控机床。
数控机床的伺服驱动系统
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
数控机床主传动系统
伺服驱动系统的性能决定了数控机床的动态特性和加工精度。
主轴与卡盘
主轴是数控机床主传动系统的输 出部件，它能够带动刀具或工件
旋转。
主轴通常采用高精度轴承和刀具 夹紧装置，以确保加工过程中的
稳定性和精度。
类型与分类
类型
数控机床主传动系统根据其结构和工作原理的不同，可以分为多种类型，如机械主传动系统、液压主 传动系统、电气主传动系统等。
分类
数控机床主传动系统还可以根据其传动方式的不同进行分类，如带传动、链传动、齿轮传动等。不同 类型的数控机床主传动系统具有不同的特点和应用范围，需要根据具体的加工需求和加工条件进行选 择。
主轴定位精度与重复定位精度
主轴定位精度
主轴在特定位置的准确度，决定了加 工零件的尺寸精度。定位精度越高， 加工精度越好。
重复定位精度
主轴在相同位置的重复精度，反映了 主轴运动的稳定性。重复定位精度越 高，主轴运动越稳定。
热稳定性与动态特性
热稳定性
主轴在切削过程中抵抗温度变化的能力，热稳定性越高，加工过程中主轴的性能越稳定。
动态特性
主轴在动态切削过程中的表现，包括振动、噪声等。动态特性越好，切削过程越平稳，加工表面质量越高。
04
主传动系统的控制技术
数控编程与加工技术
数控编程
根据加工需求，使用数控编程语言（如G代码）对机床进行编程，以控制主轴的运动轨 迹和加工过程。
加工工艺
根据工件材料、加工要求和刀具特性，选择合适的加工工艺，如粗加工、半精加工和精 加工等，以确保加工质量和效率。
特点
数控机床主传动系统具有高精度、高 效率、高稳定性等特点，能够满足复 杂、高效、高ห้องสมุดไป่ตู้度的加工需求。
数控机床按伺服控制方式分类
数控机床按伺服控制方式分类数控机床有很多分类方式，可以按工艺用途分类、机床运动控制轨迹分类、伺服控制方式分类、数控系统功能水平分类。
泊头巨人重工机械有限公司是一家专业生产、立车、数控立车、数控龙门铣床、龙门加工中心、数控落地镗铣床的生产厂家。
对数控机床分类很有心得，下面我们讲解一下按伺服控制方式分类。
(1)开环控制数控机床开环控制没有榆测反馈装置，数控系统发出的指令脉冲信号是单方向的，没有反馈信号，因此其加工精度主要取决于伺服系统的性能。
开环控制系统的驱动元件主要是步进电动机，控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转过一个步距角。
开环控制结构简单，造价低，调试维修方便，但控制精度一般不高，多应用于经济型数控机床或旧机床的数控化改造。
图1-10所示为开环控制系统框图。
(2)半闭环控制数控机床半闭环控制采用的是角位移检测装置，安装在伺服电动机或丝杠端部，通过检测伺服电机的转角或丝杠转角，间接测得工作台的实际位移值，与输入指令值比较后，用差值控制运动部件。
由于丝杠、工作台等惯性较大的运动部件不在控制环内，比较容易获得稳定的控制特性，角位移检测装置可与伺服电机设计成一个整体，使系统的结构简单，安装调试方便，但机械传动的误差无法得到校正和消除。
只要榆测装置的精度高，分辨率高，丝杠螺母机构的精度高。
具有可行的间隙消除措施，半闭环控制系统就能具有较高的控制精度，日前广泛应用于中小型数控机床上。
图1-1l所示为半闭环控制系统框图。
(3)闭环控制数控机床闭环控制采用的是直线位移检测装置，安装在机床工作台上，直接榆测工作台的实际位移值，与输入指令比较后，用差值控制运动部件。
闭环控制在位置环内还有一个速度环，其日的是减少因负载等因素而引起的进给速度的波动，改善位置环的控制品质。
由于将机械传动部分全部包括在闭环之内，从理论上讲，闭环控制的精度取决于检测装置的精度，而与机械传动的误差无关，因而定位精度高，速度快。
但闭环控制系统技术上要求高，成本较高，调试和维修比较复杂，此外机床的结构、传动装置及传动间隙等非线性因素都会影响其控制精度，严重时系统会产生振荡，降低系统稳定性，所以在设计时应对其给予足够的重视。
数控机床的伺服系统
4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转 子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次 单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次 只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次， 即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通 电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳 定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕 组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特 性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以 图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机 的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有 一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环 和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单， 信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不 高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺 服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，
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特点：能够实现位置和运动 的准确控制。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
1. 按其控制对象和使用目的分类
进给驱动：控制机床各轴的切削进给运动, 含速度控 制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统；
主轴驱动：控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功 率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速 度调节范围；
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（1） 步进电机的结构与工作原理
多段式轴向磁路的反应式步进电机--励磁绕组为环形绕组， 定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开1／ m齿距（m为相数），转子齿不错位；
单段式（一个定子，也称径向式）反应式步进电机（图7-4）：
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（1） 步进电机的结构与工作原理
多段式径向磁路的反应式步进电机--由单段式演变而来， 各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相 错开1／m齿距（m为相数）；
磁路沿径向
三段式径向磁路反应式编步辑p进pt 电动机结构示意图
7.1.2 按调节理论分类
（2）闭环伺服系统：有位置检测装置（直线位移检测元件），用 位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速 度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（2）闭环伺服系统
脉冲当量0.001-0.0001mm，快进速度24-100m/min。 主要用于精密、大型数控设备上。
第七章 数控机床的驱动与控制系统
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数控机床伺服驱动系统概述
伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控 制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的 要求进行运动。 伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精 度、定位精度等一系列重要指标，是数控 机床的关键技术。
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数控机床的伺服驱动
组成：
驱动电路--信号的转换（D/A）和放大； 伺服电机--信号和能量的转化输出（电—机）； 传动及执行机构--信号和能量的传递；
（1） 步进电机的结构与工作原理
反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、VR步进电机）结构； 工作原理：当某相定子磁极励磁后，吸引转子使转子的齿与该 相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。
S N
图7-4 单段式三相反应式步 进电机结构原理
图7-5 展开后的步进电机齿距
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（1） 步进电机的结构与工作原理
7.1.2 按调节理论分类
（1）开环伺服系统
• 特点 1）无位移检测装置，控制精度低； 2）结构简单、易于调整、成本低。
• 主要技术指标 1）定位精度可达±0.02mm； 2）脉冲当量可达0.01mm； 3）快速进给速度4-15m/min；
• 应用:经济型数控机床及机床数控化改造
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7.1 数控机床的驱动系统分类
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（3）半闭环伺服系统：采用角位移检测元件对电机轴或滚珠丝杠 的角位移进行测量反馈，其精度处于开环与闭环之间，安装调 试方便。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（3）半闭环伺服系统
脉冲当量0.005-0.001mm，快进速度15-24m/min。主 要用于中档数控机床上。
定位精度：移动件到达指令位置的准确度。 重复定位精度：移动件在任编意辑pp定t 位点的定位一致性。 11
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.3 数控机床对驱动系统的要求
3、调速范围宽（调速范围：最低转速到最高转速的范围-nmin/nmax ）
由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控 机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有 足够的调速范围。这样既能满足高速加工要求，又能满足低速 进给要求。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.3 数控机床对驱动系统的要求
1、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。 一 般 要 求 定 位 精 度 为 0.001~0.01mm ， 高 档 设 备 达 到
0.01μm以上。 2、快速响应特性好、无超调、无振荡。
快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的 跟踪精度。要求加、减速度足够大，能频繁启、停和正、反 向运动。
4、低速切削时，要求系统能输出大转矩
5、系统可靠性高
系统的可靠性常用发生故障时间间隔长短的平均值作为依
据，即平均无故障时间(MBTF)。这个时间越长，可靠性越好。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.4 驱动系统中常用的检测装置
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7.2 步进电机及其驱动系统
主要用于开环伺服控制，系统由 “步进电机驱动线路” + “步进电机” 组成，对工作台位移、速度和运动方向进 行控制。
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7.2 步进电机及其驱动系统
工作台
丝杠
步进电机 编码器
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（1） 步进电机的结构与工作原理
与步进电机有关的几个概念： “段” —指步进电机的定子数目，分“单段式”、“多段式”； “相”、“相数” —产生不同对N、S极磁场的励磁线圈对数； “拍” —指从一相通电切换成另一相通电的意思； “拍数”—完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转 过一个齿距角所需脉冲数； “步”-对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移 或直线位移），称为“一步”； “步距角”—对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用 θ表示； “失步” —电机运转时运转的编辑步pp数t ，不等于理论上的步数。17
辅助驱动：采用简易的位置控制，如控制刀库的辅
助系统。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（1）开环伺服系统：无检测反馈控制通道，由步进电机、驱动电
路、传动机构组成。用于经济型数控和老设备改造。 工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
令指给进
步进电机驱动线路
步进电机 床 机
进给 脉冲
脉冲 混合 电路
加减 脉冲 分配 电路
加减 速电 路
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环形 分配 器
功率 放大 至步进 器 电机绕阻
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7.2 步进电机及其驱动系统
7.2.1 步进电机（亦称脉冲电机、电脉冲马达）
作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。 电脉冲数决定位移量； 电脉冲频率决定位移速度； 电脉冲相序决定位移方向。