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日本机床的伺服系统发展始

20 世纪 60 年代后期由小功率伺服型步进电动机和液压转矩放大器所组成的开环系统曾一度广泛应用于数控机床。其最有代表性的是日本 FANUC 公司的电液脉冲马达伺服系统。但由于该系统结构过于复杂,可靠性差等缺点,在几年以后就被其他伺服系统所取代。随着功率型步进电动机的问世,步进电动机开始直接用于驱动数控系统的进给运动。功率型步进电动机驱动系统没有积累误差、定位精度较高、运动锁定性好,而且结构简单、便于制造,成本也比较低廉。迄今,这种驱动系统在运动速度较低、输出转矩不太大的经济型数控机床上仍然得到普遍应用。

近年来步进电动机的细分控制技术和新型步进电动机驱动器的发展,成功地解决了步进电动机大细分步数的问题。获得大细分步数的途径是采用空间矢量算法求得电流对步进电动机各相绕组同时通以分级变化的电流,相应地形成了多个中间状态的磁场矢量,从而使细分步数大为增加。最大的细分步数可达 500,被细分的步距角相当精确,因此能够实现精确定位。细分步技术的突破不仅提高了控制系统的分辨率,而且大大改善了步进电动机的步与步间转换的快速响应特性和运动平稳性。因此,采用细分步的步进电动机在输出转矩较小,重复定位精度高和运动平稳性要求高的小型化精密数控设备上得到了相当广泛的应用。

20 世纪 70 年代,美国 GETTYS 公司首先研制成功了大惯量直流电动机,即宽调速直流电动机。这种电动机的峰值转矩可以达到额定转矩的 10~15 倍,由于保持了大的转矩/惯量比,因而大惯量直流电动机仍然具有与小惯量直流电动机相同的快速响应特性。它的调速范围很宽(0.11~2000 r/min)可以直接与丝杠相连接。日本机床另外由于电动机转子本身的惯量较大,简化了与机床进给运动部件惯量的匹配,被驱动部件的惯量可以忽略不计。采用

电动机直接与丝杠连接的简单方式,能使各伺服轴获得良好的动态响应特性、稳定性,甚至在系统中只需要设置位置反馈,而不需要速度反馈的情况下能够正常运行。大惯量直流电动机的另一个优点是热容量大,由于绕组采用了耐高温和高强度的漆包线,当峰值电流增加数倍的情况下,仍允许电动机在很高的温度下超载运行几十分钟。由于上述原因,20世纪 70 年代以来大惯量直流电动机一直被广泛应用于各类数控机床上,并获得了良好的效果。但直流电动机必须带有整流子和电刷,其结构显得较为复杂,通常在运行一段时间以后就会由于滑动摩擦而产生磨损,增加了整流子和电刷之间的接触电阻,影响了电动机的稳定运行,降低了系统的可靠性,因而需要经常对电动机进行保养和维修。

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