高档数控机床高精度运动控制

2.1 直线电机及其驱动技术
直线电机结构示意图 （1）高速度 最大进给速度可达100～200m/min （2）高加速度 可高达2g～10g （3）定位精度高 （4）行程长度不受限制
2.2 闭环进给驱动系统
FANUC 数控系统是高品质、高性价比的 CNC 系统，具有丰富的控 制功能，进给伺服轴采用数字量控制 ，能够实现多轴联动。机床的 FANUC数控系统，控制机床的进给伺服控制轴，采用数字式全闭环伺服 控制方式，其控制核心是进给伺服轴控制系统的位置环、速度环和电流 环，机床的全闭环进给轴伺服控制系统的结构框图如下图所示。
闭环进给驱动系统
2.2 闭环进给驱动系统
全闭环进给轴伺服控制系统是一个双闭环伺服控制系统，内环是速 度环，外环是位置环。速度环中用于速度反馈的检测装置装在伺服电机 末端，与伺服电机同轴安装的光电式脉冲编码器直接进行数字测速，反 馈至CNC系统的控制单元。位置控制环的位置检测传感器为高分辨率的 金属反射光栅尺或玻璃盘圆光栅编码器，位置控制环主要对机床的运动 坐标轴进行高精度的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的 控制有严格的要求，而且在多轴联动时，要求各运动轴之间有很好的动 态配合，位置控制模块除了完成理论位置(插补指令)与反馈的实际位置相 比较的处理外，还要完成位置回路的增益调整，同时将位置偏差作为指 令速度控制命令(VCMD)发往速度控制单元，由速度控制单元按VCMD数 值大小，控制伺服电机的速度。
4.3 常用检测元件
常用的检测元件：
感应同步器
光栅
光电脉冲编码器
旋转变压器
磁尺
感应同步器
感应同步器是一种电磁感应式多极位置传感元件，是由旋转变压器 演变而来，即相当于一个展开的旋转变压器。由于多极结构，在电 与磁两方面均能对误差起补偿作用，所以具有很高的精度。感应同 步器的励磁频率一般取2—10kHz。 感应同步器按其运动方式分为旋转式和直线式两种。两者都包括固 定和运动两部分，对旋转式分别称为定子和转子，对直线式分别称 为定尺和滑尺，前者测量角位移，后者测量直线位移。
机部件，现在的数控系统几乎全部采用全电气伺服驱动机构。
2.1 直线电机及其驱动技术
直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作 是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。随着自动控制技术 和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高 的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直 线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，世界许 多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来 越广。
感应同步器
利用两个平面形印刷绕组， 其间保持均匀气隙作相对平行移 动，根据交变磁场和互感原理而 工作的。 工作时，当在滑尺两个绕组
1）精度高
伺服系统要具有较好的定位精度和轮廓加工精度，定位
精度一般为0.01—0.001mm，高档数控机床甚至达到0.1um。 2）稳定性好 稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数
控加工的精度和表面粗糙度。 3）动态响应快 为了提高生产率和保证加工精度，要求伺服系统跟
踪指令信号的响应要快。一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms
的要求也越来越高。
1.2 伺服驱动系统
伺服系统通常由伺服电机、功率驱动器、控制器和传感器四部分组 成，通常除了位置传感器外，还需要电压、电流和速度传感器等。
伺服系统结构示意图
1.2 伺服驱动系统
1.3 伺服驱动装置的要求
随着数控技术的不断发展，高档数控机床对伺服系统提出了更高的 要求。一般对伺服系统有如下要求：
形切换和绕组数切换，或二者组合切换，能得到非常宽的恒功率范围。
3 主轴驱动系统
交流电动机及驱动装置 液体冷却主轴电动机：其结构特点是在电动机外壳和前端盖中间有一个
独特的油路通道，用强迫循环的润滑油经此来冷却绕组和轴承，使电动
机可在20000r/min高速下连续运行。 内装式主轴电动机（电主轴）：将主轴与电动机合为一体，电动机轴就 是主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴内。机床主轴由内装式电动 机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零 传动”。
直线感应同步器、光栅尺、 磁栅尺、激光干涉仪、霍尔 传感器
三速感应同步器、绝对值磁尺、光 电编码尺、磁性编码器 速度-角度传感器、数字电磁式传感 器、磁敏式速度传感器
交、直流测速发电机、数字脉冲编码 式速度传感器、霍尔速度传感器 霍尔电流传感器
4.2 位置传感器的测量方式
由于工作条件和测量要求的不同，位置传感器有不同的测量方式， 主要有以下几种分类 直接测量和间接测量 数字式测量和模拟式测量 增量式测量和绝对式测量
1.1 数控机床的组成
数控机床
机床本体
数控系统
外围技术
数 控 装 置
伺 服 驱 动 系 统
测 量 反 馈 系 统
工 具 系 统
编 程 技 术
管 理 系 统
1.2 伺服驱动系统
在数控机床中，伺服驱动系统是以机床的移动部件（如工作台） 的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统或伺服机 构。CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到
2.1 直线电机及其驱动技术
直线电机是将传统圆筒型电机的初级展开拉直,变初级的封闭磁场为 开放磁场,而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级,旋转电机的转子部 分变为直线电机的次级。 在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后 ,在初级和次级间产生 气隙磁场,气隙磁场的分布情况与旋转电机相似,沿展开的直线方向呈正弦 分布。当三相电流随时间变化时,使气隙磁场按定向相序沿直线移动,这个 气隙磁场称为行波磁场。当次级的感应电流和气隙磁场相互作用便产生 了电磁推力,如果初级是固定不动的,次级就能沿着行波磁场运动的方向做 直线运动，即可实现高速机床的直线电机直接驱动的进给方式。由于这 种进给传动方式的传动链缩短为0,被称为机床进给系统的“零传动”。
主轴分段无极变速控制结构
3.2 主轴准停控制
主轴准停功能指控制主轴准确停在固定位置的功能，又称为主轴定 位功能，是数控加工过程中自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗、 铣加工中心上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键传递的，因此，要求 主轴具有准确的定位于圆周特定角度的功能。主轴准停功能分为机械准 停和电气准停。
按驱动执行 元件的动作 原理分
电液伺服系统
直流伺服系统 电气伺服系统
交流伺服系统
2 进给驱动系统
进给伺服系统的任务是完成各坐标轴的位置控制。由各坐标轴的进 给驱动装置、位置检测装置和机床进给传动链等组成。 数控系统根据输入的程序指令及数据，经插补运算后得到位置控制 指令，同时，位置检测装置将实际位置监测信号反馈给数控系统，构成 全闭环或半闭环的位置反馈控制。经位置比较后，数控系统输出速度控 制指令至各坐标轴的驱动装置，经速度控制单元驱动伺服电机带动机械 传动部分实现进给运动。 早期进给驱动系统多采用电液伺服驱动方式，其伺服执行元件采用 液压元件，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。从20世纪70年代起 逐渐被电气伺服机构所代替，电气伺服驱动机构全部采用电子器件和电
以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调小，确保加工质量。 4）调速范围宽 目前较先进的水平是，在分辨率为1的情况下，进给
速度范围为0—240m/min，且无级连续可调。
1.4 伺服系统分类
按用途和功 能分 按控制原理 和有无检测 反馈环节分 进给驱动系统
主轴驱动系统
开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环伺服系统
3.1 主轴分段无极变速及控制
采用齿轮减速虽然可增大低速时的输出转矩，但同时降低了最高主 轴转速。因此须采用齿轮自动换挡，达到既满足低速转矩，又满足最高 主轴转速的要求。数控系统一般均提供4挡自动变速功能。在数控系统参 数区设置M41~M44四挡对应的最高主轴转速后，即可用M41~M44指令控 制齿轮自动换挡。其控制结构如下图所示。
3.1 主轴分段无极变速及控制
数控机床采用无级调速主轴机构，可以大大简化主轴箱。但低速段 输出转矩常无法满足强切削转矩的要求。如单纯追求无级调速，必然增 大主轴电动机功率，主轴电动机与驱动装置的体积、质量及成本都会大 大增加，电动机的运行效率会大大降低。因此数控机床常采用1~4挡齿轮 变速与无级调速相结合的方案，即分段无级变速。下图所示为不采用与 采用齿轮减速主轴的输出特性。
2）满足测量精度，检测速度和测量范围的要求；
3）易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化； 4）使用维护方便，适合机床的工作环境，成本低。
4.1 检测装置的分类
数控机床检测装置的分类
分类
旋转型 位移检 测装置 直线型 速度检 测装置 电流检 测装置
增量式
绝对式
脉冲编码器、自整角机、旋 多极旋转变压器、绝对脉冲编码器、 转编码器、感应同步器、光 绝对值式光栅、三速圆感应同步器、 栅角度传感器、光栅、磁栅 磁阻式多极旋转变压器
伺服系统，由伺服系统驱动机械执行部件，带动机床工作台移动和主
轴运动。 数控机床的伺服驱动系统主要包括两种：进给伺服系统和主轴伺
服系统。进给伺服系统是一种高精度的位置跟踪与定位系统，它的性
能决定了数控机床的最大进给速度，定位精度等。而主轴伺服系统控 制机床主轴的旋转运动，随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统
编码器主轴准停控制
3.3 主轴与进给轴关联控制
主轴与进给轴关联控制一般通过脉冲编码器来实现。 以螺纹切削加工为例，介绍数控系统主轴旋转与轴向进给的关联控 制功能。 1）进给量与主轴转速关联控制 在数控车床上加工圆柱螺纹时，无论螺纹是等距螺纹还是变距螺纹 ，都要求主轴转速与刀具轴向进给保持一定的协调关系，数控系统必须 具有主轴转速与轴向进给量关联控制功能。在主轴上安装的脉冲编码器
可以检测主轴转角、相位、零位等信号，在主轴旋转过程中，脉冲编码
器不断向数控装置发送脉冲信号，根据插补计算结果，控制进给坐标轴 伺服系统，使进给量与主轴转速保持螺纹加工所需的比例关系，从而实
现螺纹的精确加工。
3.3 主轴与进给轴关联控制
2）主轴旋转方向控制 通过改变主轴旋转方向，可以加工出左螺纹或右螺纹，主轴旋转方 向可通过脉冲编码器正交的A相、B相脉冲信号的顺序来判别。 3）主轴绝对位置定位 脉冲编码器的零位脉冲信号C，刚好对应主轴旋转一圈，可用于主轴 绝对位置定位检测和控制。在多次循环切削同一螺纹时，该零位信号可 作为刀具切入点，以确保螺纹螺距不出现乱扣现象。即在每次螺纹切削
高档数控机床高精度运动控制
录
目
Contents
1 概述 2 进给驱动系统 3 主轴驱动系统 4 检测元件
1 概述
近几十年来，随着现代数控技术的不断发展，国外数控机床技术 发展迅猛，而我国无论在产量、产值方面，还是在品种、性能和可靠
性等技术方面，都还有很大差距，特别是在五轴及以上联动的高档数
控机床方面差距尤为明显。然而高档数控机床更是西方国家对我们封 锁和限制的重点，因此，必须从我国的实际出发，集中人力和资源研 究关键技术与设备，例如高性能新型数控系统、高精度伺服控制技术 等，对我国机械制造水平，为更高层次的综合自动化的开发以及对国 民经济的发展均具有重要意义。 现在，高档数控机床已经实现高速度、高精度、高效率和高可靠 性的加工，而这4个高性能指标是统一的整体，要实现高性能的控制， 高性能伺服控制系统的设计是关键。
进给前，刀具必须经过零位脉冲定位后才能切削，以确保刀具在工件圆
周同一点切入。
4 检测元件
检测元件是高档数控机床闭环伺服系统的重要组成部分，它的作用 是检测位移、速度和电流的实际值，把反馈信号传送回数控装置或 伺服装置，构成闭环控制。 闭环数控系统的加工精度主要由检测环节的精度决定，而检测环节 的精度是通过检测传感器的分辨率来体现的。 数控机床对检测元件的主要要求有： 1）工作可靠，抗干扰性强；
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3 主轴驱动系统
数控机床的主轴驱动系统由主轴驱动装置和主轴电动机两部分构成 ，分为直流电动机及相应的驱动装置和交流电动机及相应的驱动装 置两种。 交流电动机及驱动装置 输出转换型交流主轴电动机：为满足机床切削的需要，要求主轴电动机 在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率，FANUC公司开发出一种称 为输出转换型交流主轴电动机。其输出切换方法很多，包括三角形—星