機(jī)床數(shù)控化改造進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇

葉繼新，陳炳森，楊輝

（1．梧州職業(yè)學(xué)院，廣西梧州543002；2．廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530023）

機(jī)床數(shù)控化改造進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇

葉繼新1，陳炳森2，楊輝1

（1．梧州職業(yè)學(xué)院，廣西梧州543002；2．廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530023）

介紹數(shù)控機(jī)床常用的進(jìn)給伺服電機(jī)，重點(diǎn)分析機(jī)床數(shù)控化改造使用最多的步進(jìn)電動機(jī)及交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點(diǎn)并就控制精度、低頻特性、矩頻特性、過載能力、運(yùn)行性能和價(jià)格進(jìn)行了具體對比，給出了機(jī)床數(shù)控化改造進(jìn)給伺服電機(jī)選擇的指導(dǎo)意見。

數(shù)控改造；伺服電機(jī)；機(jī)床

中國自2002年開始一直是世界第一大機(jī)床消費(fèi)國，2009年成為世界機(jī)床產(chǎn)值第一大國[1]，2016年中國機(jī)床消費(fèi)總額約為275億美元，機(jī)床總產(chǎn)量為81萬臺[2]。經(jīng)過多年的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已成為中國當(dāng)前機(jī)械制造企業(yè)的主流加工設(shè)備，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)也不斷發(fā)展成熟，逐漸開始進(jìn)入中高端數(shù)控機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域。在幾十年的發(fā)展過程中，中國也積累了不少的普通機(jī)床，在國家提倡“綠色制造”的大背景下，如何通過技術(shù)改造將普通機(jī)床升級為數(shù)控機(jī)床已成為當(dāng)前機(jī)床再制造行業(yè)的重要工作。

在普通機(jī)床數(shù)控化改造過程中，涉及到機(jī)床機(jī)械部分的改造，包括主軸傳動以及進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造，床身導(dǎo)軌的修復(fù)和精度的提升，同時更重要的是數(shù)控方式的選擇。常見的數(shù)控方式包括開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制，選用不同的數(shù)控方式直接影響到機(jī)械部分的改造方案、進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇以及改造后的數(shù)控機(jī)床加工精度。

雖然目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的價(jià)格已下降很多，以車床為例，一臺新的數(shù)控車床相比具有同樣規(guī)格參數(shù)、折舊30%左右的普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，其成本還是要高于30%以上，因此，很多中小企業(yè)對于普通機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造還是有較大的需求。

1 數(shù)控機(jī)床常用的進(jìn)給伺服電機(jī)

數(shù)控機(jī)床在加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)會一邊分析數(shù)控加工程序，計(jì)算得到各軸在零件加工程序中的進(jìn)給方向、進(jìn)給速度和進(jìn)給位置，一邊向各軸進(jìn)給電動機(jī)驅(qū)動器輸出控制脈沖，實(shí)現(xiàn)零件加工過程中機(jī)床工作臺或刀具位置的精確控制，這也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于普通機(jī)床的重要方面。

普通機(jī)床數(shù)控化改造，伺服電機(jī)的選擇是重要的一環(huán)，根據(jù)伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，數(shù)控機(jī)床采用的進(jìn)給伺服電機(jī)包括步進(jìn)電動機(jī)、直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)及直線電動機(jī)。

在數(shù)控機(jī)床四種進(jìn)給伺服電機(jī)中，直流伺服電動機(jī)雖然起動力矩大、調(diào)速范圍寬，但因其配有電刷，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維護(hù)不方便（更換電刷和定期除塵），工作時電磁干擾大，對環(huán)境有要求，因此，在數(shù)控機(jī)床中已很少采用。直線電動機(jī)可以看作是一臺剖開展平后的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，相比采用“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)+滾動絲桿”的傳動方式，管線型的直線電動機(jī)可不需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運(yùn)動，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，精度和效率高，維護(hù)量少，適合高速運(yùn)動，但其也存在耗電量大，對機(jī)床恒溫控制要求高，不能自鎖等難題需要繼續(xù)克服，目前僅在一部分具有特殊性能要求的機(jī)床上使用。

2 步進(jìn)電動機(jī)與交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理差別

數(shù)控方式一般分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種，如圖1所示。開環(huán)控制時，數(shù)控系統(tǒng)接受輸入指令（數(shù)控程序或手動控制命令）后，先由運(yùn)算處理電路進(jìn)行計(jì)算和分析，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為進(jìn)給方向信號和進(jìn)給脈沖信號送至驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)給電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動速度的控制，并通過絲桿螺母副將電動機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)床工作臺或刀具進(jìn)給的控制。半閉環(huán)控制則將電動機(jī)的輸出，包括電機(jī)軸轉(zhuǎn)速和電角位移反饋至驅(qū)動電路和運(yùn)算處理電路，從而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)軸輸出的精準(zhǔn)控制。閉環(huán)控制則是將電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速反饋至驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制；將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最后位移反饋至運(yùn)算處理電路，實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移量的精準(zhǔn)控制。

三種控制方式中，開環(huán)控制由于存在執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡死或機(jī)械過載等原因而造成電動機(jī)失步（電動機(jī)并未按數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的電脈沖個數(shù)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的步數(shù)），從而容易造成較大的誤差并且會出現(xiàn)積累誤差。閉環(huán)控制直接檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量并與給定位移量進(jìn)行比較控制，能保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)最后的位移精度，所以控制精度是最高的一種方式，半閉環(huán)則介于開環(huán)與閉環(huán)之間。

2.1 步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

步進(jìn)電動機(jī)分為反應(yīng)式、永磁式、混合式三種。永磁式步進(jìn)電動機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小；反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)較大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動都較大；數(shù)控機(jī)床上常用的步進(jìn)電動機(jī)為混合式步進(jìn)電動機(jī)，綜合了永磁式和反應(yīng)式電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，各相線圈均布在定子鐵芯上，轉(zhuǎn)子由兩段組成，并在轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體上嵌有永久磁鐵，以保證電機(jī)在失電時也保持一定的制動力矩。步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器接收到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)來的方向信號和一個電脈沖信號時，它就驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)按給定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），也稱“走一步”，電機(jī)軸的角位移大小與轉(zhuǎn)速分別與輸入至電機(jī)驅(qū)動器的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時間上與輸入電脈沖同步，因此只要控制輸入至驅(qū)動器的電脈沖數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的電機(jī)軸轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易實(shí)現(xiàn)微機(jī)數(shù)字控制并且價(jià)格低廉。

2.2 交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

交流伺服電動機(jī)定子上有兩個繞組，分別是在空間相差90°電角度的勵磁繞組與控制繞組，轉(zhuǎn)子則采用永久磁鐵，形成固定的磁極。在電機(jī)軸后端均配有光電編碼器，用于精確測量電機(jī)軸轉(zhuǎn)角并反饋給電機(jī)驅(qū)動器或數(shù)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)角的精確控制；在電機(jī)軸后端、編碼器之前也可選配電磁制動裝置，特別適用于數(shù)控機(jī)床垂直進(jìn)給方向，當(dāng)電機(jī)失電時將電機(jī)軸鎖緊，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的自鎖。電機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖3.

圖3 交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

交流伺服電動機(jī)在工作時，勵磁繞組施加激勵電壓，控制繞組施加控制電壓，兩繞組電流相位不同，從而在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁場的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，利用施加到控制繞組上交流電壓或相位的變化來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，一旦控制電壓消失，電機(jī)立刻產(chǎn)生制動力矩并與負(fù)載轉(zhuǎn)矩一起促使電機(jī)迅速停軸，不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，具備靜態(tài)制動力矩。

3 步進(jìn)電動機(jī)與交流伺服電動機(jī)的比較與選擇

為了便于比較步進(jìn)電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)的性能，現(xiàn)以廣州數(shù)控生產(chǎn)的轉(zhuǎn)矩和尺寸相近的兩種電機(jī)進(jìn)行對比，具體如表1和圖4所示。

表1 步進(jìn)電動機(jī)與交流伺服電動機(jī)參數(shù)對比

圖4 步進(jìn)電動機(jī)與交流伺服電動機(jī)矩頻特性對比

3.1 控制精度的比較

步進(jìn)電動機(jī)的控制精度一般決定于電機(jī)的步距角，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給一般采用三相或五相混合式步進(jìn)電動機(jī)，三相步進(jìn)電動機(jī)步距角一般為1.8°、0.9°，五相步進(jìn)電動機(jī)步距角一般為0.72°、0.6°、0.36°.如果步進(jìn)電動機(jī)直接連接的是6 mm的螺桿，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)的最小步距角為0.6°時，機(jī)床數(shù)控脈沖當(dāng)量（機(jī)床的最小進(jìn)給當(dāng)量）將達(dá)到0.01mm，這樣的脈沖當(dāng)量僅能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床對精度的基本要求。由于受設(shè)備制造條件和工藝限制，步進(jìn)電動機(jī)難以在設(shè)計(jì)制造方面達(dá)到更小的步距角，為了提高步進(jìn)電動機(jī)的控制精度，可采用具有步距細(xì)分功能的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，通過撥碼開關(guān)設(shè)置步距細(xì)分?jǐn)?shù)，從而達(dá)到更小的步距角，滿足數(shù)控機(jī)床對精度的更高要求。

交流伺服電動機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器來保證。以全數(shù)字式交流伺服電動機(jī)為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線增量式編碼器的電動機(jī)而言，由于伺服電動機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，每接收數(shù)控系統(tǒng)一個控制脈沖，交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)角為360°/10 000=0.036°；對于帶17位絕對值式編碼器的交流伺服電動機(jī)而言，驅(qū)動器每接收131 072（217）個數(shù)控系統(tǒng)發(fā)來的脈沖就驅(qū)動控制電機(jī)轉(zhuǎn)滿一圈，單脈沖電動機(jī)的轉(zhuǎn)角為360°/131 072=0.002 746 6°，約是步距角為0.6°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/218.可見，在控制精度方面，交流伺服電動機(jī)要優(yōu)于步進(jìn)電動機(jī)。

3.2 低頻特性的比較

步進(jìn)電動機(jī)在低速轉(zhuǎn)動時容易出現(xiàn)步伐不穩(wěn)、低頻振動的現(xiàn)象，振動頻率與負(fù)載情況及驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為步進(jìn)電動機(jī)空載起動頻率的一半。由于步進(jìn)電動機(jī)工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機(jī)床零件加工非常不利，直接影響到零件的加工質(zhì)量。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，如在電機(jī)上加阻尼器、電機(jī)輸出軸采用同步帶傳動或者電機(jī)驅(qū)動器采用細(xì)分技術(shù)等。

交流伺服電動機(jī)工作原理完全不同于步進(jìn)電動機(jī)，因此其運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速轉(zhuǎn)動時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象，此外，交流伺服控制系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋電動機(jī)輸出軸之后機(jī)械剛性的不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測出機(jī)械共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。在具體應(yīng)用中，大部分交流伺服電動機(jī)與配套的驅(qū)動控制器有專門的軟件，在電機(jī)與進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝完畢之后，進(jìn)行自動匹配調(diào)校，以得到最好的驅(qū)動性能。可見，交流伺服電動機(jī)的低頻特性優(yōu)于步進(jìn)電動機(jī)。

3.3 矩頻特性的比較

從圖4的矩頻特性看，步進(jìn)電動機(jī)的最大輸出力矩與其保護(hù)轉(zhuǎn)矩很接近，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且有部分步進(jìn)電動機(jī)在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600 r/min之間。交流伺服電動機(jī)在零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)輸出，其最高工作轉(zhuǎn)速可達(dá)到3 000 r/min，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出，既可滿足機(jī)床正常進(jìn)給的需要，又可滿足機(jī)床快速進(jìn)給定位的需要。可見，交流伺服電動機(jī)的矩頻特性優(yōu)于步進(jìn)電動機(jī)。

3.4 過載能力比較

步進(jìn)電動機(jī)一般不具有過載能力，為滿足電機(jī)帶慣性負(fù)載起動需較大轉(zhuǎn)矩的需要，在電機(jī)選型往往選擇保護(hù)轉(zhuǎn)矩比正常工作轉(zhuǎn)矩大較多的步進(jìn)電動機(jī)，但其正常工作時又會出現(xiàn)較大的力矩浪費(fèi)。交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出分A、B兩區(qū)，A區(qū)為連續(xù)工作區(qū)，在額定轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)；B區(qū)短時工作區(qū)，過載能力較強(qiáng)，其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，可滿足電機(jī)帶負(fù)載起動及瞬時過載的需要，因此，在電機(jī)選型時，只要保證電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩大于或等于需要的工作力矩即可，主要按工作力矩來選。可見，在過載能力方面，交流伺服電動機(jī)優(yōu)于步進(jìn)電動機(jī)，在選型時，交流伺服電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩也可較小于步進(jìn)電動機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩。

3.5 運(yùn)行性能比較

步進(jìn)電動機(jī)一般采用開環(huán)控制，受起動頻率的限制，步進(jìn)電動機(jī)起動速度較低，從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為300～600 r/min）需要200～400 ms，當(dāng)起動頻率過高或負(fù)載過大時容易出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在高速停機(jī)時容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，所以為保證控制精度，應(yīng)采用較小的加減度和較長的加減速時間，其最高運(yùn)行速度應(yīng)在安裝調(diào)試階段通過測試后輸入數(shù)控系統(tǒng)，以避免使用過程中超過實(shí)際允許的最高運(yùn)行速度而失步。

考慮到閉環(huán)控制中使用的光柵尺等測量元件因安裝位置和工作于非封閉環(huán)境容易受損而導(dǎo)致閉環(huán)控制失效，除部分高檔數(shù)控機(jī)床外，大多數(shù)控機(jī)床采用半閉環(huán)控制的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，并通過密閉安裝于電機(jī)體內(nèi)的光電編碼器實(shí)現(xiàn)速度和位置反饋，構(gòu)成局部的速度環(huán)和位置環(huán)控制，速度和位置控制響應(yīng)速度快，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min僅需幾毫秒，同時還可確保數(shù)控系統(tǒng)至電機(jī)軸之間不存在步進(jìn)電動機(jī)的丟步或過沖現(xiàn)象，控制性能更為可靠，可用于要求快速起停的控制場合。可見，在過載能力方面，交流伺服電動機(jī)也明顯優(yōu)于步進(jìn)電動機(jī)。

3.6 價(jià)格比較

對于機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)一般只輸出方向、脈沖及使能三個開關(guān)量信號給驅(qū)動裝置，因此用戶可根據(jù)需要選配步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)或交流伺服電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)，兩者區(qū)別僅在于電機(jī)及其驅(qū)動器。因電機(jī)及驅(qū)動器結(jié)構(gòu)和原理不同，兩者價(jià)格也不一樣。經(jīng)過多年的發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)應(yīng)用不斷普及，成本也不斷下降，前述步進(jìn)電動機(jī)及配套驅(qū)動器的市場價(jià)格約為1 800元/套，而交流伺服電動機(jī)及配套驅(qū)動器市場價(jià)格經(jīng)為2 800元/套，可見，在價(jià)格方向，步進(jìn)電動機(jī)還是具有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

普通機(jī)床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造目前還有較大的需求，很多院校也在開設(shè)機(jī)床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)，對于如何選擇機(jī)床改造時的進(jìn)給驅(qū)動方案，經(jīng)過上述比較，交流伺服電動機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給驅(qū)動方案在許多性能方面要優(yōu)于步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的方案，但價(jià)格方面稍高一些，建議在機(jī)床數(shù)控化改造時盡量選用交流伺服電動機(jī)，以達(dá)到更好的改造效果。當(dāng)然，在一些要求不高的場合也可用步進(jìn)電動機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字控制，特別是開環(huán)控制。

[1]機(jī)床行業(yè)深度研究報(bào)告2011.[EB/OL].https：//wenku.baidu. com/view/2b0b88ffc8d376eeaeaa3145.html.

[2]用數(shù)據(jù)說話：2016年數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)生了什么？[EB/OL]. http：//gongkong.ofweek.com/2017-03/ART-310015-8500 -30109811.html，2017-03-02.

Numerical Control Machine Tool Feed Servo Motor Transformation of the Choice

YE Ji-xin1，CHEN Bing-sen2，YANG Hui1
（1.Wuzhou Vocational College，Wuzhou Guangxi 543002，China；2.Guangxi Water Conservancy Electric Power Vocational and Technical College，Nanning Guangxi 530023，China）

Introduce nc machine tool commonly used feed servo motor，focus on the most used machine tool numerical control reconstruction of stepper motor，ac servo motor structure，working principle，characteristics and control accuracy，the torque-speed characteristic in low frequency characteristics，and overload capacity，operation performance and price comparison for the gas，presents a numerical control machine tool feed servo motor selection guidance.

numerical control transformation；servo motor；the CNC machine tool

TG659

A

1672-545X（2017）03-0100-04

2016-12-09

葉繼新（1968-），男，廣西昭平人，本科，講師，研究方向：機(jī)械制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)應(yīng)用及教育教學(xué)研究。