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7.3 伺服系统的发展趋势
5. 电主轴
电主轴单元将主轴电机直接装在了主轴单元内部，省去了皮带、齿轮、 联轴节等中间变速和传动装置，实现了电机与主轴的零传动
电主轴是现代高档数控机械的关键部件，成为现代数控机床的主要特 征之一
具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点 易于实现高速化，促进了数控机床向高速化方向发展 电主轴性能参数和制造质量的高低，在很大程度上决定了数控机床的
• 预测控制：通过预测机床伺服系统的传递函数来调节 输入控制量，以产生符合要求的输出
• 学习控制或重复控制：适合于周期性重复操作控制指 令情况的加工，可以获得高速、高精度
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7.3 伺服系统的发展趋势
1. 全数字交流伺服系统
数字伺服系统运用计算机技术，具有下列特性 采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳控制 数字伺服系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两 个基本环节组成的 数字伺服系统具有较高的动、静态精度 系统一般的情况下会配有SERCOS(Serial Real-time Communication System，串行实时通讯系统)板。与现场总 线相比，它可以实现高速位置闭环控制，可以处理多个运 动轴的控制，同时可以采用精确、高效的光纤接口，光纤 连接可以确保通讯过程的无噪音，简化模块之间的电缆连 接，提高系统的可靠性。 .
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7.3 伺服系统的发展趋势
4. 直线伺服系统
直接驱动装置直接与负载相联，省掉了机械传动元件，故 传动链最短
• 由于驱动装置的动态性能明显提高，故生产效率较高 • 由于调节质量好和定位精度高，所以产品质量提高了 • 由于取消了许多磨损件，因而生命周期的成本很少 • 简化了机床设计和机床结构
直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式，带来了旋转驱 动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传 统驱动装置的10-20倍，进给速度是传统的4-5倍
系统的信息处理可完全用软件来完成，这就是当 前所说的“数字伺服” 伺服驱动系统全数字化
伺服驱动内部控制的数字化， 伺服驱动到数控系统接口的数字化 测量单元的数字化
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7.3 伺服系统的发展趋势
1. 全数字交流伺服系统
全数字控制伺服系统可以采用以下新技术，达到 高速度和高精度的要求
• 前馈控制：引入前馈控制，实际上构成了具有反馈和 前馈复合控制的系统结构
驱动方式的改进方面如采用无齿槽效应的高性能旋转电机 和采用直线电机的线性伺服驱动方式
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7.3 伺服系统的发展趋势
2. 高速度、高精度、高性能化
德国倍福(Beckhoff)AX5000伺服 驱动器 • 电流控制环最快可达31.25μs • 速度控制环最快可达125μs • 位置控制环最快可达125μs • 支持高动态性能的运动控制 任务 • 集成了高性能的EtherCAT实 时以太网通讯技术
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数控技术
华中科技大学机械科学与工程学院
第7章 数控加工技术的展望
7.1 数控机床主机的发展 7.2 数控加工控制系统的发展 7.3 伺服系统的发展趋势 7.4 柔性制造技术的发展 7.5 基于网络的数控加工技术
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7.3 伺服系统的发展趋势
1. 全数字交流伺服系统
伺服系统中的控制信息用数字量来处理 随着数字信号微处理器速度的大幅度提高，伺服
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7.3 伺服系统的发展趋势
2. 高速度、高精度、高性能化
电机的改进、驱动方式的改进和具备更高运行速率的DSP 等是伺服驱动系统向着高速、高精、高性能化迈进的先决 条件
电机方面的改进主要包括电机永磁材料性能的改进、更好 的磁铁安装结构设计， 逆变器驱动电路的优化、加减速运 动的优化、再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式
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7.3 伺服系统的发展趋势
4. 直线伺服系统
作为机床进给驱动主流的永磁直线伺服电动机有 两大发展方向
• 大推力：通过电动机结构、磁路形式和冷却结构的特 殊设计，以获得更大的推力，从而满足大型机床强力 切削加工的要求
• 高精度：通过直线电动机磁路设计、磁场优化设计以 及绕组形式设计，尽量减小直线电动机的静态和动态 端部效应所引起的推力波动
加工速度、工作精度和生产效率
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结束
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7.3 伺服系统的发展趋势
4. 直线伺服系统
采用直线电机和智能化全数字直接驱动控制系统为特征的高速加工中 心
世界上第一台展出的直线电机直接驱动的高速加工中心是1993年展出 的XHC240型加工中心
应用到数控机床上的主要有高精度、高频响、小行程直线电动机与大 推力、长行程、高精度直线电动机两类 2000年DMG公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产1500多 台，约占总产量的1/3 MAZAK公司也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切 削速度2720m/s，主轴最高转速80000r/min，快移速度500m/min， 加速度6g
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7.3 伺服系统的发பைடு நூலகம்趋势
3. 网络化、智能化、模块化
通过Internet及时了解伺服系统的参数及时实运行情况， 并可根据嵌入的预测性维护技术，及时了解如电流、负载 的变化情况，实现实时预警
模糊逻辑控制、神经网络和专家控制已运用到伺服驱动系 统中，是当前比较典型的智能控制方法
伺服驱动系统的网络化、智能化及其它功能模块均得到了 长足发展，根据设计使用者的不同要求及不同模块的功能 及参数实现伺服驱动系统的模块化设计
7.3 伺服系统的发展趋势
5. 电主轴
电主轴单元将主轴电机直接装在了主轴单元内部，省去了皮带、齿轮、 联轴节等中间变速和传动装置，实现了电机与主轴的零传动
电主轴是现代高档数控机械的关键部件，成为现代数控机床的主要特 征之一
具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点 易于实现高速化，促进了数控机床向高速化方向发展 电主轴性能参数和制造质量的高低，在很大程度上决定了数控机床的
• 预测控制：通过预测机床伺服系统的传递函数来调节 输入控制量，以产生符合要求的输出
• 学习控制或重复控制：适合于周期性重复操作控制指 令情况的加工，可以获得高速、高精度
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7.3 伺服系统的发展趋势
1. 全数字交流伺服系统
数字伺服系统运用计算机技术，具有下列特性 采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳控制 数字伺服系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两 个基本环节组成的 数字伺服系统具有较高的动、静态精度 系统一般的情况下会配有SERCOS(Serial Real-time Communication System，串行实时通讯系统)板。与现场总 线相比，它可以实现高速位置闭环控制，可以处理多个运 动轴的控制，同时可以采用精确、高效的光纤接口，光纤 连接可以确保通讯过程的无噪音，简化模块之间的电缆连 接，提高系统的可靠性。 .
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7.3 伺服系统的发展趋势
4. 直线伺服系统
直接驱动装置直接与负载相联，省掉了机械传动元件，故 传动链最短
• 由于驱动装置的动态性能明显提高，故生产效率较高 • 由于调节质量好和定位精度高，所以产品质量提高了 • 由于取消了许多磨损件，因而生命周期的成本很少 • 简化了机床设计和机床结构
直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式，带来了旋转驱 动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传 统驱动装置的10-20倍，进给速度是传统的4-5倍
系统的信息处理可完全用软件来完成，这就是当 前所说的“数字伺服” 伺服驱动系统全数字化
伺服驱动内部控制的数字化， 伺服驱动到数控系统接口的数字化 测量单元的数字化
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7.3 伺服系统的发展趋势
1. 全数字交流伺服系统
全数字控制伺服系统可以采用以下新技术，达到 高速度和高精度的要求
• 前馈控制：引入前馈控制，实际上构成了具有反馈和 前馈复合控制的系统结构
驱动方式的改进方面如采用无齿槽效应的高性能旋转电机 和采用直线电机的线性伺服驱动方式
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7.3 伺服系统的发展趋势
2. 高速度、高精度、高性能化
德国倍福(Beckhoff)AX5000伺服 驱动器 • 电流控制环最快可达31.25μs • 速度控制环最快可达125μs • 位置控制环最快可达125μs • 支持高动态性能的运动控制 任务 • 集成了高性能的EtherCAT实 时以太网通讯技术
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数控技术
华中科技大学机械科学与工程学院
第7章 数控加工技术的展望
7.1 数控机床主机的发展 7.2 数控加工控制系统的发展 7.3 伺服系统的发展趋势 7.4 柔性制造技术的发展 7.5 基于网络的数控加工技术
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7.3 伺服系统的发展趋势
1. 全数字交流伺服系统
伺服系统中的控制信息用数字量来处理 随着数字信号微处理器速度的大幅度提高，伺服
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7.3 伺服系统的发展趋势
2. 高速度、高精度、高性能化
电机的改进、驱动方式的改进和具备更高运行速率的DSP 等是伺服驱动系统向着高速、高精、高性能化迈进的先决 条件
电机方面的改进主要包括电机永磁材料性能的改进、更好 的磁铁安装结构设计， 逆变器驱动电路的优化、加减速运 动的优化、再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式
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7.3 伺服系统的发展趋势
4. 直线伺服系统
作为机床进给驱动主流的永磁直线伺服电动机有 两大发展方向
• 大推力：通过电动机结构、磁路形式和冷却结构的特 殊设计，以获得更大的推力，从而满足大型机床强力 切削加工的要求
• 高精度：通过直线电动机磁路设计、磁场优化设计以 及绕组形式设计，尽量减小直线电动机的静态和动态 端部效应所引起的推力波动
加工速度、工作精度和生产效率
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结束
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7.3 伺服系统的发展趋势
4. 直线伺服系统
采用直线电机和智能化全数字直接驱动控制系统为特征的高速加工中 心
世界上第一台展出的直线电机直接驱动的高速加工中心是1993年展出 的XHC240型加工中心
应用到数控机床上的主要有高精度、高频响、小行程直线电动机与大 推力、长行程、高精度直线电动机两类 2000年DMG公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产1500多 台，约占总产量的1/3 MAZAK公司也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切 削速度2720m/s，主轴最高转速80000r/min，快移速度500m/min， 加速度6g
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7.3 伺服系统的发பைடு நூலகம்趋势
3. 网络化、智能化、模块化
通过Internet及时了解伺服系统的参数及时实运行情况， 并可根据嵌入的预测性维护技术，及时了解如电流、负载 的变化情况，实现实时预警
模糊逻辑控制、神经网络和专家控制已运用到伺服驱动系 统中，是当前比较典型的智能控制方法
伺服驱动系统的网络化、智能化及其它功能模块均得到了 长足发展，根据设计使用者的不同要求及不同模块的功能 及参数实现伺服驱动系统的模块化设计