1 数控机床对驱动装置的要求

1. 数控机床对进给伺服装置的要求
   1. 机械特性的要求
      要求伺服装置静态和动态的速降小、刚度大。伺服系统的刚度与机床机械构件的刚度有相同的意义，即在外部干扰力(切削力、重力等外力)作用下，这些力从工作部件传到电机轴上产生的转角位置变化。用C 表示单位外力矩作用下的位移：

      d= Dq — T

      (1)

      式中，Dq为工作部件角位移量，T为外加扰动力矩。要求d很小，甚至为零，即通电之后，伺服装置处于闭环状态，要求任何外力不使机床的工作部件发生位移(在限度以内)。数控机床加工中有时从插补运动过渡到某一轴的直线运动或旋转运动，如果待工作的轴伺服刚性不好，加工精度同样得不到保证，这是显然的。伺服刚性通常是以对扰动力矩的响应来综合调节系统。
   2. 快速相应的要求
      这在轮廓加工，特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格。
   3. 调速范围的要求
      这可以使数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质；适应于各种不同的加工工艺。在机床加工时，当工作部件处于停止状态，也即进给电机的速度虽然为零，但要求伺服电机仍然具有转矩，这样才能“锁住”工作部件；因此，进给伺服装置仍然处于“伺服”状态。从理论上说，进给驱动的调速范围为无穷大。或者说，进给的调速范围越大越好。比如FANUC的15系统速度范围可达1,000,000,000:1。
   4. 输出转矩的要求
      一定的输出转矩，并要求一定的过载转矩。机床进给机械负载的性质主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力，因此主要是“恒转矩”的性质。
2. 数控机床对主轴驱动装置的要求
   1. 足够的输出功率
      数控机床的主轴负载性质近似于“恒功率”，也就是当机床的主轴转速高时，输出转矩较小；主轴转速低时， 输出转矩大；即要求主轴驱动装置也要具有“恒功率”的性质。可是当主轴电机工作在额定功率、额定转速时，按照一般电机的原理，不可能在电机为额定功率下进行恒功率的宽范围调速。因此，往往在主轴的机械部分需增加一或二档机械变速档，以提高低速的转矩，扩大恒功率的调速范围；或者降低额定输出功率，扩大恒功率调速范围。
   2. 调速范围的要求
      为保证数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质，适应于各种不同的加工工艺，要求主轴驱动装置具有一定的调速范围。对主轴的驱动装置，一般较低的要求为1:100，高的要求为1:1,000以上。
   3. 速度精度的要求
      一般要求静差度小于5%，更高的要求为小于1%。如果速降过大，则加工的质量就会受影响，比如光洁度就不好。
   4. 快速的要求
      主轴驱动装置有时也用在定位功能上，这就要求它也具有一定的快速性。

2 驱动电机的发展

1. 进给伺服用电机：从直流电机到交流电机，从旋转电机到直线电机对于电动机，其输出转矩T的大小与激磁磁感应强度B₁和电枢磁感应强度B₂的大小及B₁、B₂之间夹角q的正弦成比例。即：

   T=k(B1×B2×sinq)

   (2)

   其中k为比例系数；直流电机由于电刷的位置在几何中心线上，所以q=90°；因此控制简单，可以输出较大的力矩，得到了广泛的应用。但是直流电机电刷容易磨损，需要经常更换，这就给维修造成困难。于是又开发了交流伺服电机。由于交流电机q≠90°，为了提高性能，采用交流电机伺服控制理论和数字信号处理器可以对三相交流感应电机进行矢量控制以得到q=90°；对于交流同步机结构的伺服电机，同样也可以采用矢量控制的方法，并通过控制磁场夹角的方法得到q=90°；由于它的特性可以与直流电机相当，因此，进给伺服应用的电机大多数采用这种电机。
   采用电伺服技术的初期阶段，指令的控制为模拟控制；这种控制方法漂移大、精度差，由于数字控制可以克服上述缺点，因此越来越多地得到应用。
   当前，FANUC最大的伺服电机a3000HVis规格如下：额定输出功率250kW，最大功率530kW，堵转转矩3000Nm，最大输出转矩为5300Nm，最高转速为2000r/min，目前，也是世界上最大的伺服电机。这种电机主要应用在数控注塑机和冲压机上，原先，这些机械主要采用液压驱动。
   传统设计和制造的NC机床受制于标准驱动装置及控制器，使加工的精度和速度受到限制。在上世纪80年代末出现了直线伺服电机。它由两个元件组成，电磁力直接作用于移动元件而无需机械连接，没有螺距周期误差，精度完全依赖于反馈系统和分级的支承。由全数字伺服驱动器供电，刚性高，频响好，因而可获得高速度。比如L17000C3/2is 的直线电机： 最大推力可达17000N，连续推力3400N/4080N/6800N(分别对应自然冷/气冷/水冷)，速度可达4m/s，加速度30g，分辨率可达0.01µm，甚至更高。直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构简单，由于直线电机不需要有旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地减少；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高；三是反应速度快、灵敏度高，可做到滑块和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定子、滑块间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是工作安全可靠、寿命长。
   

   图1 直线电机与直接驱动伺服电机

   表1 齿轮工作台和直接驱动工作台性能比较 项目 齿轮工作台 直接驱动工作台 速度 低 高 加速度 低 高 伺服刚度(例 如，位置增益) 一般 高 抗干扰 相对强 相对弱 夹紧转矩 大 相对小 定位精度 高(主要决定于编码器 分辨率和降速机械) 高(主要决定于编码器分辨 率、机械刚度和轴承刚度) 机械噪声 大 低 维修 必需(由于机械磨损) 基本不必要 装配 相对容易 需要思考(由于磁拉力) 冷却 一般不需要 自然冷/气冷/液冷(决定于 连续转矩和散热情况) 外形尺寸 不紧凑(电机外装) 紧凑(电机内装)

   在数控机床上把低速力矩电机直接作为旋转工作台是伺服技术的又一个发展。传统的旋转工作台一般是通过高速伺服电机带动降速齿轮、蜗轮、蜗杆副进行降速。传动链长，噪声大，需要维修。在采用直接驱动的伺服电机后，由于加大了电机转子直径，采用稀土金属作为磁极材料，因此可以获得大转矩。并对磁路进行最佳设计，以减少低速的转矩脉动。表1是齿轮传动工作台和直接驱动工作台性能比较。
   当前，FANUC工作台的内装式伺服电机D3000/150is具体规格如下：最大输出转矩可达3000Nm，连续额定转矩可达1200Nm，最大转速为150r/min，外形高度为160mm，外径为565mm。
2. 主轴电机
   由于交流异步电机变频调速容易实现恒转矩、恒功率的功能，又没有直流电机的炭刷，因此很快就被采用在数控机床的主轴上。随着数控机床速度的提高，为了简化传动链，甚至采用“零传动”的结构，因而出现了电主轴。把机床的主轴与主轴电动机集成在一起，它的机械结构虽然很简单，但精度和可靠性却要求很高。当前，一般内装主轴电机速度达到12000～15000r /min；电机采用三相异步电机的结构，并采用改变极对数的方法改变分级变速。最近，又出现同步电机的结构，采用稀土磁铁，提高输出转矩，设计最佳机床结构，还开发了宽范围恒功率的主轴电机。这有两种方法：降低原有电机的功率，扩大恒功率调速范围；利用变极对数，达到恒功率。采用FANUC主轴电机规格如表2。

3 驱动装置的发展

4 控制技术的发展

5 采用数字伺服的自调谐技术，方便于调试