单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,项目5 数控机床驱动电机,本章要点,驱动电机是数控机床的执行元件，完成进给运动和主轴驱动用于驱动数控机床各个坐标轴进给运动的称之为进给电机；用于驱动机床主运动的称主轴电机数控机床驱动电机的常用种类如下数控机床驱动电机,进给电动机,步进电动机,伺服电动机,主轴电动机,直流电动机,三相交流异步电动机,直流伺服电动机,交流伺服电动机,技能目标,通过了解数控机床中采用的电机类型，能够初步判断数控机床采用的是开环系统还是闭环系统要求掌握典型电机的工作方式，通过电机的铭牌判别电机的性能项目案例导入,数控机床之所以能够完成数控程序内的指令的要求加工出高精度的零件，作为执行元件的伺服电机功不可没在数控加工的过程中无论采用的是步进、直流还是交流伺服电机，最终都是通过对主轴运动和进给运动的控制完成了被加工工件的加工表面成型运动那么电动机是怎样实现位置控制和速度控制的呢？,5.1 步进电动机,步进电动机伺服系统是典型的开环伺服系统在此系统中执行元件是步进电动机，它将进给脉冲转换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，带动工作台移动。
由于该系统没有反馈检测环节，因此它的精度主要由步进电动机来决定，速度也受到步进电动机性能的限制但开环伺服系统结构和控制简单，容易调整，在速度和精度要求不太高的场合，仍有一定的使用价值1步进电动机基本原理,反应式三相步进电动机定子上有六个磁极，分成U、V、W三相，每个磁极上绕有励磁绕组，按串联（或并联）方式连接，使电流产生的磁极方向一致转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的，当定子绕组按顺序轮流通电时，U、V、W三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁转矩，吸引过来使它一步步转动每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零，每次就在此时按一定方向切换定子绕组各相电流，使转子按一定方向一步步转动图3.2 步进电机的工作原理,2步进电动机的结构及主要特性,（1）步进电动机的种类及结构,步进电动机的结构形式，及其分类方式有很多按力矩产生的原理分有反应式和励磁式反应式为转子无绕组，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行励磁式定子、转子均有励磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行带永磁转子的步进电动机叫做混合式步进电动机（感应子式同步电动机）所谓“混合式”是因为它是在永磁和励磁原理共同作用下运转的，这种电动机因效率高以及其他优点与反应式步进电动机一起在数控系统中得到广泛的应用。
按输出力矩大小分为伺服式和功率式伺服式只能驱动较小负载，一般与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大负载功率式可以直接驱动较大负载，它按各相绕组分布分为径向式和轴向式径向式步进电动机，各相按圆周依次排列，轴向式步进电动机，各相按轴向依次排列2）步进电动机的主要特性,1）步距角和静态步距误差,2）静态距角特性,3）启动频率,4）连续运行频率,5）矩频特性与动态转矩,6）加减速特性,伺服电动机作为进给电动机通常用于半闭环或闭环的伺服系统，为了要满足数控机床对伺服系统的要求，伺服电动机有别于普通电动机1）从最低到最高速，伺服电动机都能平滑运动，转矩波动要小，尤其在最低速1r/min或更低，仍有平稳的速度而无爬行现象伺服电动机应具有较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求2）为了满足快速响应的要求，伺服电动机应具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和起动电压3）伺服电动机应具有承受频繁起动，制动和正反转能力数控机床用于进给驱动的交流伺服电动机大多采用三相交流永磁同步电动机在结构上，三相同步电动机的定子装有三相对称绕组，转子为永久磁极当定子三相绕组中通入三相电源后，就会在电动机的定、转子之间产生是一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称为同步转速，由于转子是一个永久磁极，因此，转子的转速也就是转子磁场的转速。
由电动机的电磁转矩只能在定子旋转磁场和转子磁场完全同步时才发挥作用，所以这种电磁转矩也称同步转矩5.2.2 交流伺服电动机,交流伺服电动机的主要特性参数有：,1额定功率电动机长时间连续运行所能输出的最大功率，数值上约为额定转矩与额定转速的乘积2额定转矩,电动机在额定转速以下所能输出的长时间工作转矩3额定转速由额定功率和额定转矩决定，通常在额定转速以上工作时，随着转速的升高，电动机所能输出的长时间工作转矩要下降4瞬时最大转矩,电动机所能输出的瞬时最大转矩5最高转速电动机的最高工作转速6电动机转子惯量直线电机直接驱动的是高速、高精度数控机床，特别是大型数控机床理想的驱动方式直线电机由滑块组件和磁铁组件组成与滚珠丝杠相比，直线电动机驱动有如下优点：,1）响应快速一般机械传动元件比电气元件的动态响应时间要大几个数量级，由于进给系统取消了响应时间常数较大的机械传动元件，如滚珠丝杠螺母副等，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，从而实现启动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬时停止2）传动刚度高直线电动机直接和负载连接，缩短了传动链，减少了机械磨损和传动件的弹性变形，避免了反向间隙，提高了传动刚度3）定位精度高。
由于减少了机械传动机构，减少了传动系统滞后带来的跟踪误差（跟踪误差=位置指令-位置实际检测值），同时，位置检测采用直线光栅进行直线测量，大大提高了机床的定位精度5.3,主轴电动机,为了满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴电动机应具备以下的性能：,1电动机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范围宽2在断续负载下电动机转速波动要小3加速、减速时间短4温升低，噪声和振动小，可靠性高，寿命长5电动机过载能力强5.3.1 直流主轴电动机,当采用直流电动机作为主轴电动机时，直流主轴电动机的主磁极不是永磁式，而是采用铁心加励磁绕组，以便进行调磁调速的恒功率控制为改善磁场分布，有的主轴电动机在主磁极上除了励磁绕组外还有补偿绕组，为改善换向特性，主磁极之间还有换向极直流主轴电动机的过载能力一般约为1.5倍5.3.2 交流主轴电动机,交流主轴电动机采用三相交流异步电动机电动机总体结构由定子及转子构成，定子上有固定的三相绕组，转子铁心上开有许多槽，每个槽内装有一根导体，所有导体两端短接在端环上，如果去掉铁心，转子绕组的形状像一个鼠笼，所以叫笼型转子主轴驱动目前主要有两种形式：一是主轴电动机带齿轮换档变速，以增大传动比，放大主轴功率，满足切削加工需要；二是主轴电动机通过同步齿轮带或皮带驱动主轴，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、调速比大等特点。
采用强切削电动机后，由于无需机械图3.10 1PH5交流主轴电动机调速，主轴箱内省去了齿轮和离合器，主轴箱实际上成为了主轴支架，简化了主传动系统。
