数控机床的伺服驱动系统设计

第一章绪论

1-1选题背景与意义

数控技术也叫计算机数控技术（CNC，Compute Numerical Control），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，数控技术的广泛应用给传统的制造业的生产方式，产品结构带来了深刻的变化。也给传统的机械，机电专业的人才带来新的机遇和挑战。我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不可少的物资手段。

数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。

在数控机床中，伺服系统是数控机床里的一个非常重的部分，对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。步进电机驱动系统控制数控车床进给运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。目前在数控车床开环系统中，进给驱动常使用伺服步进电机，由于直流伺服电动机存在着一些的固有的缺点（比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量比直流电动机小，使得动态响应好。另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10％～70％；其容量也可以比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。为了获得良好的主轴特性，主轴驱动系统中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求，而在进给驱动系统中一般都采用永磁同步电机，1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的调制技术应用

于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制[1]。

1-2数控机床对伺服系统的要求

伺服系统是数控机床中及其重要的一部分，伺服系统的性能直接影响到机床的加工精度，面对国内外伺服系统的发展趋势对伺服驱动系统有下几点基本要求。

1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。

为了保证数控机床的加工精度，除了要求数控系统精度和机床机械精度有足够高以外，还要求具有足够高的伺服系统定位精度和进给跟踪精度，并且还起着主要作用。一般要求定位精度为0.01-0.001m；而高档设备的定位精度还应在0-1μm以内。

2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。

要求伺服系统有较高的可靠性、稳定性，并且受电源、环境、负载等的影响要小。还要具有足够的传动刚性和速度稳定性。也就是说伺服系统在负载或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，负载力矩的变化对进给速度的影响很小。

3）快速响应。快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，要求伺服系统除了要有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，也就是要求伺服电动机起、停的升降速过程要短，要有较高的加速度。电动机转速从0升至1500r/min的时间控制在0-2s以内。

4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。0～24m / min[2]。

为适应不同的加工条件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等不同，数控机床的进给速度需要在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电机要有很宽的调速范围和优异的调速特性。一般数控机床进给伺服系统的调速范围都在0～30m/min，高的可达240m/min。

5）低速大转矩。由于机床在低速切削时，切深和进给都比较大，也就是说吃刀抗力较大，这就要求主轴电动机输出的转矩也应该较大。现代数控机床的伺服电动机通常都是与丝杠直接相连，中间没有减速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。

进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴

坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。

除上面的一般要求之外，还具有下面的控制功能：

1)准停控制为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。

2)角度分析控制分度有两种：一是固定的等分角位置控制。二是连续的任意角度控制。（作特殊加工时，主轴坐标有了进给坐标的功能，称为“C”轴控制。）为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件——伺服电机也相应提出高精度、快反映、宽调速和大转矩的要求，一般具备小惯量大转矩的具体特征。最低进给速度到最高进给速度范围都能稳定运行平滑过度。进给电机应具有大的较长时间的过载能力，一般能过载4-5倍左右，持续时间达10分钟以上，转动惯量要小，满足快速响应的要求，一般进给伺服电机做成细长，高档进给具备400rad/s2以上的加速度，保证电机在0.2s以内从静止起动到1500rad/min。电机应能承受频繁的起动制动和反转，20次/min以上。1-3数控机床伺服驱动系统设计的总体方案

数控机床（CNC machinery）集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品, 具有模块化特点。因此数控机床在控制设计上具有很大的灵活与实际应用性。本文设计的根据现代化发展的趋势，通过各类伺服驱动系统的介绍，进而用步进电机的伺服驱动系统与交流伺服驱动系统进行多反面比较，无论从起结构方式，应用范围，得出交流伺服驱动系统的优越性，进而对交流伺服系统的典型系统（永磁同步伺服系统）进行基于DSP的永磁同步伺服系统设计。