1 數(shù)控機(jī)床對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的要求

1. 數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服裝置的要求
   1. 機(jī)械特性的要求
      要求伺服裝置靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的速降小裂蝉、剛度大。伺服系統(tǒng)的剛度與機(jī)床機(jī)械構(gòu)件的剛度有相同的意義锦镶，即在外部干擾力(切削力努示、重力等外力)作用下，這些力從工作部件傳到電機(jī)軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位置變化拉狸。用C 表示單位外力矩作用下的位移：

      d= Dq — T

      (1)

      式中，Dq為工作部件角位移量滤萝，T為外加擾動(dòng)力矩稿纺。要求d很小，甚至為零碗履，即通電之后谭驮，伺服裝置處于閉環(huán)狀態(tài)，要求任何外力不使機(jī)床的工作部件發(fā)生位移(在限度以內(nèi))勾萌。數(shù)控機(jī)床加工中有時(shí)從插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過(guò)渡到某一軸的直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)齐秕，如果待工作的軸伺服剛性不好，加工精度同樣得不到保證仙蛉，這是顯然的笋敞。伺服剛性通常是以對(duì)擾動(dòng)力矩的響應(yīng)來(lái)綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
   2. 快速相應(yīng)的要求
      這在輪廓加工荠瘪，特別對(duì)曲率大的加工對(duì)象進(jìn)行高速加工時(shí)要求較嚴(yán)格夯巷。
   3. 調(diào)速范圍的要求
      這可以使數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)哀墓；適應(yīng)于各種不同的加工工藝趁餐。在機(jī)床加工時(shí)，當(dāng)工作部件處于停止?fàn)顟B(tài)篮绰，也即進(jìn)給電機(jī)的速度雖然為零后雷，但要求伺服電機(jī)仍然具有轉(zhuǎn)矩，這樣才能“鎖住”工作部件吠各；因此臀突，進(jìn)給伺服裝置仍然處于“伺服”狀態(tài)。從理論上說(shuō)贾漏，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的調(diào)速范圍為無(wú)窮大惧辈。或者說(shuō)伶葵，進(jìn)給的調(diào)速范圍越大越好承蠕。比如FANUC的15系統(tǒng)速度范圍可達(dá)1,000,000,000:1。
   4. 輸出轉(zhuǎn)矩的要求
      一定的輸出轉(zhuǎn)矩蕴续，并要求一定的過(guò)載轉(zhuǎn)矩扳啃。機(jī)床進(jìn)給機(jī)械負(fù)載的性質(zhì)主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力，因此主要是“恒轉(zhuǎn)矩”的性質(zhì)。
2. 數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)裝置的要求
   1. 足夠的輸出功率
      數(shù)控機(jī)床的主軸負(fù)載性質(zhì)近似于“恒功率”危婚，也就是當(dāng)機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高時(shí)褥欺，輸出轉(zhuǎn)矩較小峦仲；主軸轉(zhuǎn)速低時(shí)盔鬼， 輸出轉(zhuǎn)矩大；即要求主軸驅(qū)動(dòng)裝置也要具有“恒功率”的性質(zhì)质瘸∨龋可是當(dāng)主軸電機(jī)工作在額定功率、額定轉(zhuǎn)速時(shí)磨爪，按照一般電機(jī)的原理儒恋，不可能在電機(jī)為額定功率下進(jìn)行恒功率的寬范圍調(diào)速。因此黔漂，往往在主軸的機(jī)械部分需增加一或二檔機(jī)械變速檔诫尽，以提高低速的轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍炬守；或者降低額定輸出功率牧嫉，擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍。
   2. 調(diào)速范圍的要求
      為保證數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具减途、加工材質(zhì)驹止，適應(yīng)于各種不同的加工工藝，要求主軸驅(qū)動(dòng)裝置具有一定的調(diào)速范圍观蜗。對(duì)主軸的驅(qū)動(dòng)裝置臊恋，一般較低的要求為1:100，高的要求為1:1,000以上墓捻。
   3. 速度精度的要求
      一般要求靜差度小于5%抖仅，更高的要求為小于1%。如果速降過(guò)大砖第，則加工的質(zhì)量就會(huì)受影響撤卢，比如光潔度就不好。
   4. 快速的要求
      主軸驅(qū)動(dòng)裝置有時(shí)也用在定位功能上瘤希，這就要求它也具有一定的快速性昂贷。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展

1. 進(jìn)給伺服用電機(jī)：從直流電機(jī)到交流電機(jī)，從旋轉(zhuǎn)電機(jī)到直線電機(jī)對(duì)于電動(dòng)機(jī)答艘，其輸出轉(zhuǎn)矩T的大小與激磁磁感應(yīng)強(qiáng)度B₁和電樞磁感應(yīng)強(qiáng)度B₂的大小及B₁拆翘、B₂之間夾角q的正弦成比例。即：

   T=k(B1×B2×sinq)

   (2)

   其中k為比例系數(shù)息体；直流電機(jī)由于電刷的位置在幾何中心線上囊脉，所以q=90°瑰兄；因此控制簡(jiǎn)單，可以輸出較大的力矩屉争，得到了廣泛的應(yīng)用锤距。但是直流電機(jī)電刷容易磨損，需要經(jīng)常更換檩讯，這就給維修造成困難脸夜。于是又開(kāi)發(fā)了交流伺服電機(jī)。由于交流電機(jī)q≠90°干跛，為了提高性能子姜，采用交流電機(jī)伺服控制理論和數(shù)字信號(hào)處理器可以對(duì)三相交流感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行矢量控制以得到q=90°；對(duì)于交流同步機(jī)結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)驯鳖，同樣也可以采用矢量控制的方法，并通過(guò)控制磁場(chǎng)夾角的方法得到q=90°久免；由于它的特性可以與直流電機(jī)相當(dāng)浅辙，因此，進(jìn)給伺服應(yīng)用的電機(jī)大多數(shù)采用這種電機(jī)阎姥。
   采用電伺服技術(shù)的初期階段记舆，指令的控制為模擬控制；這種控制方法漂移大呼巴、精度差泽腮，由于數(shù)字控制可以克服上述缺點(diǎn)，因此越來(lái)越多地得到應(yīng)用衣赶。
   當(dāng)前诊赊，F(xiàn)ANUC最大的伺服電機(jī)a3000HVis規(guī)格如下：額定輸出功率250kW，最大功率530kW府瞄，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩3000Nm楚餐，最大輸出轉(zhuǎn)矩為5300Nm，最高轉(zhuǎn)速為2000r/min蹂孽，目前撇扯，也是世界上最大的伺服電機(jī)。這種電機(jī)主要應(yīng)用在數(shù)控注塑機(jī)和沖壓機(jī)上酸穗，原先见撵，這些機(jī)械主要采用液壓驅(qū)動(dòng)。
   傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的NC機(jī)床受制于標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)裝置及控制器方蜡，使加工的精度和速度受到限制薪尉。在上世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了直線伺服電機(jī)。它由兩個(gè)元件組成锚拳，電磁力直接作用于移動(dòng)元件而無(wú)需機(jī)械連接章理，沒(méi)有螺距周期誤差所硅，精度完全依賴于反饋系統(tǒng)和分級(jí)的支承。由全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器供電杂蒙，剛性高营稼，頻響好，因而可獲得高速度台腥。比如L17000C3/2is 的直線電機(jī)： 最大推力可達(dá)17000N宏赘，連續(xù)推力3400N/4080N/6800N(分別對(duì)應(yīng)自然冷/氣冷/水冷)，速度可達(dá)4m/s黎侈，加速度30g察署，分辨率可達(dá)0.01μm，甚至更高峻汉。直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比贴汪，主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于直線電機(jī)不需要有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的附加裝置休吠，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化扳埂，重量和體積大大地減少；二是定位精度高瘤礁，在需要直線運(yùn)動(dòng)的地方阳懂，直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來(lái)的各種定位誤差柜思，故定位精度高岩调；三是反應(yīng)速度快、靈敏度高触擎，可做到滑塊和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸沛狱，這就消除了定子、滑塊間的接觸摩擦阻力博旬，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度乍之、快速性和隨動(dòng)性；四是工作安全可靠出毁、壽命長(zhǎng)促奇。
   

   圖1 直線電機(jī)與直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)

   表1 齒輪工作臺(tái)和直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)性能比較 項(xiàng)目 齒輪工作臺(tái) 直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái) 速度 低 高 加速度 低 高 伺服剛度(例 如，位置增益) 一般 高 抗干擾 相對(duì)強(qiáng) 相對(duì)弱 夾緊轉(zhuǎn)矩 大 相對(duì)小 定位精度 高(主要決定于編碼器 分辨率和降速機(jī)械) 高(主要決定于編碼器分辨 率管剂、機(jī)械剛度和軸承剛度) 機(jī)械噪聲 大 低 維修 必需(由于機(jī)械磨損) 基本不必要 裝配 相對(duì)容易 需要思考(由于磁拉力) 冷卻 一般不需要 自然冷/氣冷/液冷(決定于 連續(xù)轉(zhuǎn)矩和散熱情況) 外形尺寸 不緊湊(電機(jī)外裝) 緊湊(電機(jī)內(nèi)裝)

   在數(shù)控機(jī)床上把低速力矩電機(jī)直接作為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)是伺服技術(shù)的又一個(gè)發(fā)展露龙。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)一般是通過(guò)高速伺服電機(jī)帶動(dòng)降速齒輪、蝸輪崇槽、蝸桿副進(jìn)行降速注辜。傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，噪聲大秆廉，需要維修策洒。在采用直接驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)后粉私，由于加大了電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑，采用稀土金屬作為磁極材料近零，因此可以獲得大轉(zhuǎn)矩诺核。并對(duì)磁路進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，以減少低速的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)久信。表1是齒輪傳動(dòng)工作臺(tái)和直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)性能比較窖杀。
   當(dāng)前，F(xiàn)ANUC工作臺(tái)的內(nèi)裝式伺服電機(jī)D3000/150is具體規(guī)格如下：最大輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)3000Nm裙士，連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩可達(dá)1200Nm入客，最大轉(zhuǎn)速為150r/min，外形高度為160mm，外徑為565mm。
2. 主軸電機(jī)
   由于交流異步電機(jī)變頻調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩、恒功率的功能，又沒(méi)有直流電機(jī)的炭刷寻币，因此很快就被采用在數(shù)控機(jī)床的主軸上。隨著數(shù)控機(jī)床速度的提高，為了簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，甚至采用“零傳動(dòng)”的結(jié)構(gòu)咖驮，因而出現(xiàn)了電主軸番搅。把機(jī)床的主軸與主軸電動(dòng)機(jī)集成在一起代徒，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然很簡(jiǎn)單，但精度和可靠性卻要求很高瘸拳。當(dāng)前昔黍，一般內(nèi)裝主軸電機(jī)速度達(dá)到12000～15000r /min；電機(jī)采用三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)眠乏，并采用改變極對(duì)數(shù)的方法改變分級(jí)變速伴糟。最近，又出現(xiàn)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)羽傻，采用稀土磁鐵壮焰，提高輸出轉(zhuǎn)矩，設(shè)計(jì)最佳機(jī)床結(jié)構(gòu)法厢，還開(kāi)發(fā)了寬范圍恒功率的主軸電機(jī)费武。這有兩種方法：降低原有電機(jī)的功率，擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍怎猜；利用變極對(duì)數(shù)耽翁，達(dá)到恒功率。采用FANUC主軸電機(jī)規(guī)格如表2怔接。

3 驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)展

4 控制技術(shù)的發(fā)展

5 采用數(shù)字伺服的自調(diào)諧技術(shù)翠笛，方便于調(diào)試