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数控机床伺服系统的几个关键技术问题
邓力凡
（湖南机电职业学院机械工程系，长沙４１０１５１）
１引 言 近几年来ＣＮＣ机床出现了一些更新的的伺服进
给系统，如德国Ｒｅｘｒｏｔｈ、ＩＮＡ公司和日本ＴＨＫ公司推
出了由ＡＣ电机直接驱动的高速滚珠丝杆ＰＨＳ—ＢＳ的
高速线性驱动装置，并且采用了双电机双丝杆驱动方
式，提高了伺服系统在高速时的平稳性，改善了动能特
性。驱动线速度达６０～１００ｍ／ｍｉｎ，加速度达０．５～１．５ｇ，
定位精度达２～５ｔｘｍ，适合行程在３ｍ以内的中高档
ＣＮＣ机床。
ＡＣ—ＬＭ直线电机伺服实现了零传动即直接传动，它
抛弃了动力源与工作部件之间的中间传动环节，实现了
高速与低速的加减特性和随动性，高灵敏的动态精确定
位即敏捷的跟踪性。驱动线速度达６０～２００ｍ／ｍｉｎ，加速度
达Ｏ．５～１０ｇ，定位精度达０．１～０．０１ｔｘｍ，ＡＣ—ＬＭ直线电机伺 服已由德国ＤＭＧ及美国ＣＩＮＣＩＮＡＤＩ及日本ＭＡＺＡＫ公
司较成熟地推向市场。
这些新的伺服概念对于在中国推广高性能的数控伺
服系统就显得尤为重要和迫切．但要推广使用，还必需解
决几个关键技术问题，即：数控伺服系统的伺服刚度，惯
量匹配，固有振动频率，矢动量。 ２伺服刚度
伺服系统不但要在高速时实现移动部件的高速空刀
进给及快速切削（跟刀）进给，在有些地方还要实现低速
微量切削过程，在低速微量进给运动中，要求伺服系统具
有较高的伺服刚性，这样才能避免伺服的爬行，避免破坏
进给运动的均匀性。伺服刚性Ｋ 由机械传动部分刚度Ｋ
和伺服驱动部分刚度Ｋ 组成。
２．，机械传动部分刚度Ｋ 对于由伺服电机＋滚珠丝杆＋直线滚动导轨的结构
（如图１所示）： ＝ ＋ （１） 凡 ＾丝轩 ＾导轨 ２．１．１直线滚动导轨的刚度Ｋ导轨
（１）Ｋ 与滚动体和导轨的接触应力 ～有关
基金项目：湖南省教育厅科研资助项目（１０Ｃ０１５７）
第２１卷第３期 ２００８年６月 机械研究与应用 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＰＰＬＩＣＡＴ１０Ｎ Ｖｏｌ ２１ Ｎｏ ３ ２００８
数控机床中伺服系统技术特性的应用
薛旺录，刘立美 （兰州工业高等专科学校工程训练中心。甘肃兰州７３００５０） 摘要：作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。笔者介绍了数控机 床的进给伺服系统、主轴伺服系统的特性，并对其应用前景进行展望。 关键词：数控机床；伺服系统特性；应用 中图分类号：ＴＧ６５９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—４４ｌ４（２００８）０３—００１３—０４ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ Ｘｕｅ Ｗａｎｇ—ｌｕ。Ｌｉｕ Ｌｉ—ｍｅｉ （Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｒａｉｎｉｎｇ ｃｅｎｔｒｅ ｏｆＬａｎｚｈｏｕｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ－ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒ－ ｉｓｆｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅｅｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｉｎｄｌｉｎｇ ８ｅｌｗｏ ｓ￣ｔｅｍ ８ｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒｅ－ ｇｒｏｕｎｄｓ ８ｒｅ ａｌｓｏ ｖｉｅｗｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ￣ｅｌ＇ｖｏ ｓ￣ｔｅｍ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ １概述 作为数控机床的执行机构，伺服系统集电力电子 器件、控制、驱动及保护为一体，并随着数字脉宽调制 技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技 术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展 历程。数控机床中的伺服系统种类繁多。 伺服系统是以机械运动的驱动设备一电动机 为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换 装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电 气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、 转速和转角，将电能转换为机械能，实现机械的运动 要求。数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位 移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机 械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及 刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的 机械运动，从而加工出用户要求的复杂形状工件…。 ２伺服系统的结构 从基本结构看，伺服系统主要由控制器、功率驱 动装置、反馈装置和电动机组成。控制器按照数控系 统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差， 调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方 面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机上， 调节电动机转矩的大小；另一方面按电动机的要求把 恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或 直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。 考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文按机床 中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服。 ３进给伺服系统的特性 进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生 机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调 节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具 体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响 应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步 进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服【２】。 （１）步进伺服系统步进伺服是一种用脉冲信 号控制，并将脉冲信号转换成相应角位移的控制系 统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正 比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停 机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能 力。步进电动机每转１周都有固定的步数，如５００ 步、１０００步、５００００步等，理论上其步距误差不会累 计。 步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要， 但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越 低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与 精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但 近年发展起来的恒斩波驱动、ＰＷＭ驱动、微步驱动、 超微步驱动和混合伺服技术，使步进电动机的高、低 频特性得到很大提高，特别是随着智能超微步驱动技 术的发展，将把步进伺服的性能提高到新的水平。 （２）直流伺服系统直流伺服的工作原理建立 在电磁定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立
“数控及伺服技术”课程教学实践探索
作者：陈荷燕，贾茜
来源：《当代教育理论与实践》 2015年第3期
陈荷燕，贾茜
（南京工程学院工业中心，江苏南京２１１１６７）
摘 要：基于ＣＤＩＯ的核心理念“做中学”和“基于项目教育和学习”，对机械设计制造及其自动化专业（数控加工与维修方向）的专业核心课程数控及伺服技术的教学内容、授课方法和教学质量监控方法等进行实践探索，建立常规的课内理论和实验教学、课外项目研究小组、网络教学平台、教师＋小助教模式为一体的授课方法体系，旨在能满足当前教学发展的需要，更有利于全面提升学生的综合工程素质。
关键词：ＣＤＩＯ；教学内容；授课方法；教学质量监控
中图分类号：Ｇ６４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－５８８４（２０１５）０３－００３７－０３
收稿日期：２０１４１１２６
基金项目：南京工程学院２０１５年度校级高等教育研究课题（２０１４ＹＢ０８）
作者简介：陈荷燕（１９７９－），女，江苏武进人，讲师，硕士，主要从事数控技术方面的教学与研究。
工程教育与工程生产实践的关系经历了否定之否定的螺旋式发展，从以师徒传承式的经验指导实践到专家学者传授式的工程科学理论知识的教育，进而发展到融合理论知识学习与工程实践为一体的ＣＤＩＯ模式。ＣＤＩＯ是英文单词构思Ｃｏｎｃｅｉｖｅ、设计Ｄｅｓｉｇｎ、实施Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ、运行Ｏｐｅｒａｔｅ，其核心理念是“做中学”和“基于项目教育和学习”［１］，在继续加强基础理论学习的基础上，向关注生产实践回归，以全生命周期的项目开发形式为载体来培养学生多元能力。
本文对我校工业中心机械设计制造及其自动化专业（数控加工与维修方向）的专业核心课程数控及伺服技术进行教学实践探索，着眼于该课程需要学生学到哪些知识，形成和提高哪些能力，采用什么样的教学方法和手段保证学生更好地掌握这些知识和能力，即工程教育者要面对的“做什么”和“如何做”的问题，以及如何建立能更客观、公正、提高学生学习积极主动性的教学考核机制。
文章编号：１６７２—０１２１（２０１２）０３—００１３—０５ 田
数控伺服转塔冲床的最新发展
——Ｓｅｒｖ０ Ｖ．Ｒ可变连杆伺服主传动技术
李兵
（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南２５００２２）
摘要：本文通过对最新研制的ＳＰＥ系列数控伺服转塔冲床与其Ｓｅｒｖｏ Ｖ．Ｒ专利主传动技术的介绍，以及
对其相关技术演变与对比的论述，使读者进一步了解当前国内外伺服电机驱动式数控转塔冲床的发展现状，
也能从中管窥未来高性能板材冲压加工设备的发展趋向。 关键词：机械制造；数控转塔冲床；伺服主传动；曲柄连杆机构；长度可变连杆；伺服冲压轴；数控系统
中图分类号：ＴＧ３８５ 文献标识码：Ａ
１引言 ２０１２年６月１２日，由中国机械工业集团公司
和中国机床总公司共同主办的“第十一届中国国际 机床工具展览会”（ＣＩＭＥＳ２０１２）在中国国际展览中
心开幕。展会坚持“高品位、国际化、专业化”的定位， 以“发展智能和绿色机床，引领中国‘智造…为主题。
济南铸造锻压机械研究所有限公司参团国机集团亮 相展会，并展出了“ＰＬ３１５５０型数控冲压激光切割复
合机”等两台产品。其中最新研制的“ＳＰＥ２１２５０型数 控伺服转塔冲床”（图１），采用了发明专利的Ｓｅｒｖｏ
ｖ．Ｒ可变连杆伺服主传动技术，在打点速度、ｌｍｍ／ ２５ｍｍ步冲速度等主要技术性能指标方面，达到国
内领先、国际先进水平，同时具有技术先进、结构完 善、性能可靠、精度优良、快速高效及节能环保等特 点，现场加工演示中得到参观者的一致好评。
图１ ＳＰＥ２１２５０型数控伺服转塔冲床外观
收稿日期：２０１２－０６—２０ 作者简介：李兵（１９６７一），男，教授级高级工程师，从事数控机械设 计研发 国机集团谢彪副总裁出席开幕式后，陪同原机
械工业部老领导包叙定、贾成炳等参观了济南铸锻
所有限公司展台，并在现场与公司董事长、总经理刘 家旭进行了长时间的交谈，饶有兴趣地了解了展品 情况，并对展出的科研成果等工作给予了肯定与指
