种主运动伺服系统控制主轴的运动，调速等要求不如进给伺服系统高所以，通常以讨谈 进给运动伺服系统为主
进给伺服系统的作用是根据数控系统传来的指令脉冲信号．经变换和放大后，去控带 机床移动部件的机械运动。它不仅控制进给运动的速度，同时还精确控制刀具相对于工仁 的移动位置和轨迹；如果说数控装置是数控机床的‘大脑，，，是发布“命令”的“指挥杉 构”，那么，伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它能准确地执行书 自数控装置的运动指令。
一、数控进给伺服系统的要求
与普通机床相比对数控机床进给系统的设计要求，除了具有较高的定位精度之外 还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，可概括为以 下几点要求： 高的精度要求
数控机床是按预定的程序自动加工零件的，不可能像普通机床那样可用手动操作来调
整和补偿各种误差．因此它要求有很高的定位精度和重复定位精度，所谓精度是指伺服系 统的输出量跟随输入量的精确程度。伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离称 为一个冲当量，脉冲当量越小，机床的精度就越高。为此，消除进给传动链的间隙，是 保证精度的重要措施之一，一般脉冲当量应达到。0.01∽0.001 mm. 2.宽的调速范围。
由于数控机床加工要适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，伺服进给系统在 承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围。既要高到为缩短辅助时间、提高加 工效率的快速移功速度要求，如10--30 m/min；也要能满足在完成高精度定位的低速度 (如0.1 mm/min)时，均匀、稳定、无爬行地工作对干一般数控机床的调速范围1:24000 就可以了，较先进的数控机床可以获得更宽的调速范围。 3.快的响应速度
所谓响应速度是指伺服系统跟随指令信号的响应速度快．使工作台能在规定的速度范 围内灵敏而精确地跟踪指令，保证轮廓切削的形状精度和良好的加工表面精度。一般反应 时间要求在200 ms,甚至几十毫秒内。要保证如此高的响应速度，进给传动工作台的刚度、间隙、摩擦、转动惯量等都是必须考虑的问题。 4．好的稳定性
要有较强的抗干扰能力，保证电源、环境、负载等所产生的波动对其影响较小，有较 好的调速机械特性，外加负载变化的适应能力强，以保证加工稳定地进行。 5．大的转矩输出
机床加工大多在低速时进行重切削．则要求低速时进给系统要有大的转矩输出。为此，需缩 短进给系统传动链，简化机械结构，增强系统刚度，提高传动精度。
二、 数控进给系统的伺服驱动装里
数控机床的伺服系统一般由驱动装置与机械传动执行件等组成，对于半闭环、闭环控 制系统还包括位置检测环节。而驱动装置是由驱动元件电动机和电动机驱动控制单元两部 分组成，通常它们由同一生产厂家配套提供给机床制造厂。进给伺服驱动装置用于数控机 床各坐标轴的进给运动、进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机和交流、直流调速电 动机作为驱动元件是伺服系统的关键之一。 1．步进电动机’
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。步进电动机是一种特殊的电动机。一般电动机通电后都是连续转动的，而步进电动机则有定位与运转两种状
态。当有一个电脉冲输人时，步进电动机就回转一个固定的角度，这角度称为步距角，一
个步距角就是一步，所以这种电动机称为步进电动机。又由于它输人的是脉冲电流，也称 为脉冲电动机。当电脉冲连续不断地输人时，步进电动机便跟随脉冲一步一步地转动，步 由于数控机床对进给何服望动装置的要求较高，而直流电动机具有良好的调速特性
因此在半闭环、闭环伺服控制系统中，得到较广泛地使用直流进给伺服电动机的工作厉 理虽然与普通直流电动机相同但由于机械加工的特殊要求，一般的直流电动机是不能镶 足需要的一般直流电动机转子的转动惯量过大，而其输出转矩则相对较小这样，它介
动态特性就比较差，尤其在低速运转条件下、这个缺点就更突出。在进给伺服机构中使月 的是经过改进结构、提高其特性的大功率直流伺服电动机，主要有以下两种类型：
(l）小惯量直流电动机。主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小，因此在结构」 与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽。以此表现为转子的转动惯量小 仅为普通直流电动机的土工。左右。因此，响应特别快，机电时间常数可以小于10 ms,上 普通直流电动机相比，转矩与惯量之比要大出40-湘倍．且调速范围大，运转平稳，全 用于频繁起动与制动，要求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但由于夕 过载能力低，并且电动机的自身皿量比机床相应运动部件的惯量小，因此应用时都要经宝 一对中间齿轮副，才能与丝杠相连接．在某些场合也限制了它的广泛使用。
(21大惯量直流电动机。又称宽调速直流电动机，是在小惯量电动机的基础上发展I 来的在结构上和常规的直流电动机相似，其工作原理相同。当电枢线圈通过直流电； 时，就会在定子磁场的作用下，产生带动负载旋转的电转矩小惯量电动机是通过减小一 动机转动惯量来提高电动机的快速性．而大惯量电动机则是在维持一般直流电动机转动」 量的前提下尽量提高转矩的方法来改善其动态特性它既具有一般直流电动机便于
速、机械特性较好的优点．又具有小惯量直流电动机的快速响应性能。因此，可归纳为 下特点
”转子惯量大这种电动机的转子具有较大的惯量，容易与机床匹配。可以和机
的进给丝杠直接连接．省掉了减速机构，故of使机床结构简单．既避免了齿轮等传动机 产生的噪声和振动，又提高了加工精度
2)低速性能好这种电动机低速时输出转矩大一能满足数控机床经常在低速进给 进给量大、转矩输出大的特点，如能在I rimin甚至。．I r, min的速度下平稳运转。 3)过载能力强、动态响应好。由于大惯量直流电动机的转子有槽．热容量大，演
采用了冷却措施后．提高了散热能力。因此可以过载运行30 mine另外．电动机的定子采i的铁氧体水磁材料，可使电动机过载10倍而不会去磁，这就显著地提高了 ｝加速力矩，改善了动态响应，加减速特性好
范围宽。这种电劝机机械特性和调速特性的线性度好，所以调速范围宽而运 七调速范围可达飞，10 000以上
〔流电动机尽管有上述优点，但仍有不如其他驱动元件的地方，如运行调整不 l简便：快速响应性能不如小惯量电动机。这种驱动系统可直接连接高精度检 一些测量转速和转角等的检测元件，实现半闭环、闭环伺服系统的精确定位 司服电动R
f伺服电动机具有优良的调速性能、但直流电动机存在着不可避免的缺点：它 ］器易磨损．需经常维护：另外换向时易产生火花，使电动机的最高转速受到 Z用环境受到限制。而且，直流电动机结构复杂，制造成本高。
〔模集成电路计算机控制技术及现代控制理论的发展与应用，20世纪80年 三动技术取得了突破性的进展，使得交流伺服电动机具备了调速范围宽、稳 动态响应快以及其他良好的技术性能。交流电动机转子惯量较直流电动机
〔更好．一股在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10％一
乏流电动机可选得大一些．以达到更高的电压与转速。
王电动机采用丁全封闭无刷构造．不需要定期检查与维修定子．省去了铸件壳 主动机在外形尺寸上减少了50％重量减轻近60％．转子惯量减至20沉。定 受电动机开槽多且深，绝缘可靠，磁场均匀。还可对定子铁心直接冷却，散热 而传给机械部分的热量少，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有精密磁极 注铁．可得到高的转矩与惯量比。因此交流伺服电动机可得到比直流伺服电动 咬性能和更宽的调速范围交流伺服以其高的性能、大容量得到了广泛地应 夏电动机提高性能的关键在于解决对交流电动机的调速控制与驱动。对交流伺 司速．目前用得较多的是计算机对交流电动机磁场作矢量变换控制其基本原 邑动机等效为直流电动机，从而使交流电动机像直流电动机一样进行有效地控 Q进给传动结构
力结构是进给伺服系统的主要组成部分，‘臼是将伺服电动机的旋转运动转化为 红线移动或回转运动，以保证刀具与工件相对位置关系为目的。在数控机床 由是数字控制系统的直接控制对象。无论是开环还是闭环伺服进给系统，工件 尧到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数控机床的进给系 到减少摩擦力．提高传动精度与刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯量 主数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有：滚珠丝杠螺母副、静 珍条、预加载荷双齿轮一齿条及双导程蜗杆等。 1.滚珠丝杠螺母副传动
为了提高数控机床进给系统的快速响应性能1 和运动精度，必须减少运动件的摩擦阻力和动静 摩擦力之差。为此，在中小型数控机床中，滚珠 丝杠螺母副是采用最普遍的结构。
(1)滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是 回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置， 是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动 元件。其结构原理示意如图2._9所示，图中丝 杠1和螺母2上都加工有弧形螺旋槽，将它们套 装在一起时，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就 形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠3,当丝
杠相对于螺母旋转时．滚珠则既自转又沿着滚道流动。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的滚道两端用返回装置4（又称回珠器）连
接起来，使滚珠滚动数圈后离开滚道，通过返回装置4返回其人口继续参加工作．如此往 复循环滚动。
(2）滚珠丝杠副的特点。由以上滚珠丝杠螺母副传动的工作过程．可以明显看出滚珠 丝杠副的丝杠与螺母之间是通过滚珠来传递运动的，使之成为滚动摩擦，这是滚珠丝杠区 别于普通滑动丝杠的关键所在，其特点主要有以下几点
1)传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达95% 98％．是普通梯形丝杠的3--4 倍，功率M991V 2/3^3/4，如图2-10所
示
z>灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦，动静摩擦系数相差极小。因此低速不易 t爬行，高速传动平稳
3>定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴向间隙，使反向无 亏程，定位精度高，适当预紧后，还可以提高轴向刚度
1)不能自锁、有可逆性既能将旋转运动转换成直线运动，也能将直线运动转换成 专运动。因此丝杠在垂直状态使用时，应增加制动装置或平衡块。
引制造成本高滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高，制造工 交复杂，成本高
(3)滚珠丝杠副的循环方式。常用的循环方式有两种：滚珠在循环反向过程中，与丝 度道脱离接触的称为外循环：而在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠各表面保持接触的 勺内循环
如图一lla所示为外循环方式的示意图，这种结构是在螺母体上钻有两个与螺旋槽
刃的孔．作为滚珠的进口与出日，并紧贴螺母外表面，在两孔内插人弯管1的两端，这 龙可引导滚珠2构成封闭循环回路，这叫插管式外循环。另外，也可在螺母的外表面开 暇旋四槽代替插管，则称为螺旋槽式。外循环的结构制造工艺相对简单些．但滚道接缝 星难做到平滑，影响滚道滚动的平稳性．甚至发生卡珠现象，噪声也较大
图z.;滚珠分杠螺母副循环示意
a)外循环b）内循环
1抽管召一滚珠3一外循环螺母斗一滚珠丝杠5反向器s内循环螺母
如即2-116所示为内循环形式在螺母滚道的外侧孔内装有一个接通相邻滚道的反
!6.借助此反向器迫使滚珠翻越丝杠的齿顶而进人相邻滚道。因此，内循环反向器的数量与滚珠的列数相同内循环的滚珠丝杠反向器承担反向任务的只有一圈滚珠。与外循环 相比．具有回路短，不易发生滚珠堵塞，流畅性好．摩擦损失小，传动效率高，结构紧 凑，定位可靠，刚度好等优点。但结构复杂，制造成本高，且不能用于多线螺纹传动。 (A)滚珠丝杠副轴向间隙调整和预紧方法。滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠 与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和，如图2-12a所 示
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色
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其
传
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刚
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