第七课 加工中心的伺服与进给系统
2.5 加工中心的伺服与进给系统
2.5.1 主轴伺服系统
随着数控技术的发展，现代数控机床对主传动提出了越来越高的要求。如要求很宽的范围内转速连续可调，恒功率的范围要宽，要有四象限的驱动能力。为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制等。主轴驱动变速目前主要采用两种形式一是主轴电动机带齿轮分段无级变速；二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。主轴的准停控制分机械准停与电气准停，目前国内外中高档数控系统均采用电气准停控制。
⑴ 直流主轴驱动系统
直流主轴驱动多采用晶闸管调速方式，直流进给伺服系统是由速度环和电流环构成的双环控制系统来控制直流主轴电动机的电枢电压，主轴电动机采用他励式电动机，励磁绕组与电枢绕组相互独立。电动机转速从最小值到额定值，保持励磁电流不变，实现调压调速，属于恒转矩控制；从额定值到最大值，励磁电流减小，实现调磁调速，属恒功率控制
⑵ 交流主轴驱动系统
随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用主轴电动机配变频器的控制方式。电网端逆变器由六只晶闸管组成的三相桥式全控整流电路组成，该电路可工作在整流状态，向中间电路直接供电，也可工作在逆变状态，完成能量反馈电网的任务负载端逆变器由带反并联续流二极管的六只功率晶体管组成。通过磁场计算机的控制，负载端逆变器输出三相正弦脉宽调制（PWM）电压，使电动机获得所需的转矩电流和励磁电流。输出的三相 PwM 电压幅值范围为。0～430v ，频率调节范围。0～300Hz 。在反馈制动时，电动机能量通过变流器的六只续流二极管向电容器充电，当电容器上的电压超过600V时，通过控制调节器和电网端逆变器把电容器上的能量返回电网。
2.5.2 进给伺服系统
⑴ 脉宽调制方式进给伺服系统
脉宽调制方式（PWM）调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制。将速度控制信号转换成一定频率的方波电压，加到直流伺服电动机的电枢两端，通过方波宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，达到控制伺服电动机转速的目的。
数控系统的 CPU 发出信号经插补器输出一系列脉冲信号，这些脉冲经过指令倍率器 CMR后，与位置反馈脉冲相比较所得的差值，送到误差寄存器，然后与位置增益和偏移量补偿运算后送PWM进行脉宽调制，随后经D/A转换或模拟电压，作为速度控制信号VCMD送到速度控制单元。脉冲编码器发出的脉冲经断线检查器确认无信号断线后，送到鉴相器，对两组脉冲PA、PB进行鉴相，确定电动机的旋转方向。从鉴相器出来的一路信号经F/V变换，作为速度反馈信号TSA；另一路输出经检测倍频器DMR，作为位置反馈信号。参考点计数器及一转信号PC用于栅格法回参考点的操作。
⑵ 交流进给驱动伺服系统
直流进给伺服系统虽有优良的调速功能，但由于所用电动机有电刷和换向器，易磨损，且换向器换向时会产生火花，从而使电动机的最高转速受到限制。另外，直流电动机结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高，而交流电动机却没有这些缺点。近 20 年来，随着新型大功率电力器件的出现，新型变频技术、现代控制理论以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中取得了突破胜的进展，促进了交流进给伺服技术的飞速发展，交流进给伺服系统已全面取代了直流进给伺服系统。由于交流伺服电动机采用交流永磁式同步电动机，因此，交流进给驱动装置从本质上说是一个电子换向的直流电动机驱动装置。
2.5 加工中心的伺服与进给系统
2.5.1 主轴伺服系统
随着数控技术的发展，现代数控机床对主传动提出了越来越高的要求。如要求很宽的范围内转速连续可调，恒功率的范围要宽，要有四象限的驱动能力。为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制等。主轴驱动变速目前主要采用两种形式一是主轴电动机带齿轮分段无级变速；二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。主轴的准停控制分机械准停与电气准停，目前国内外中高档数控系统均采用电气准停控制。
⑴ 直流主轴驱动系统
直流主轴驱动多采用晶闸管调速方式，直流进给伺服系统是由速度环和电流环构成的双环控制系统来控制直流主轴电动机的电枢电压，主轴电动机采用他励式电动机，励磁绕组与电枢绕组相互独立。电动机转速从最小值到额定值，保持励磁电流不变，实现调压调速，属于恒转矩控制；从额定值到最大值，励磁电流减小，实现调磁调速，属恒功率控制
⑵ 交流主轴驱动系统
随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用主轴电动机配变频器的控制方式。电网端逆变器由六只晶闸管组成的三相桥式全控整流电路组成，该电路可工作在整流状态，向中间电路直接供电，也可工作在逆变状态，完成能量反馈电网的任务负载端逆变器由带反并联续流二极管的六只功率晶体管组成。通过磁场计算机的控制，负载端逆变器输出三相正弦脉宽调制（PWM）电压，使电动机获得所需的转矩电流和励磁电流。输出的三相 PwM 电压幅值范围为。0～430v ，频率调节范围。0～300Hz 。在反馈制动时，电动机能量通过变流器的六只续流二极管向电容器充电，当电容器上的电压超过600V时，通过控制调节器和电网端逆变器把电容器上的能量返回电网。
2.5.2 进给伺服系统
⑴ 脉宽调制方式进给伺服系统
脉宽调制方式（PWM）调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制。将速度控制信号转换成一定频率的方波电压，加到直流伺服电动机的电枢两端，通过方波宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，达到控制伺服电动机转速的目的。
数控系统的 CPU 发出信号经插补器输出一系列脉冲信号，这些脉冲经过指令倍率器 CMR后，与位置反馈脉冲相比较所得的差值，送到误差寄存器，然后与位置增益和偏移量补偿运算后送PWM进行脉宽调制，随后经D/A转换或模拟电压，作为速度控制信号VCMD送到速度控制单元。脉冲编码器发出的脉冲经断线检查器确认无信号断线后，送到鉴相器，对两组脉冲PA、PB进行鉴相，确定电动机的旋转方向。从鉴相器出来的一路信号经F/V变换，作为速度反馈信号TSA；另一路输出经检测倍频器DMR，作为位置反馈信号。参考点计数器及一转信号PC用于栅格法回参考点的操作。
⑵ 交流进给驱动伺服系统
直流进给伺服系统虽有优良的调速功能，但由于所用电动机有电刷和换向器，易磨损，且换向器换向时会产生火花，从而使电动机的最高转速受到限制。另外，直流电动机结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高，而交流电动机却没有这些缺点。近 20 年来，随着新型大功率电力器件的出现，新型变频技术、现代控制理论以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中取得了突破胜的进展，促进了交流进给伺服技术的飞速发展，交流进给伺服系统已全面取代了直流进给伺服系统。由于交流伺服电动机采用交流永磁式同步电动机，因此，交流进给驱动装置从本质上说是一个电子换向的直流电动机驱动装置。
