（4）直线伺服系统

直线伺服系统采用一种直接驱动方式（direct drive），与传统的旋转传动方式相比，

最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的

“

”

长度缩短为零。这种 零传动 方式带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可
达 29．4m／s 以上，为传统驱动装置的 lO 一 2O 倍，进给速度是传统的 4—5 倍。从电
动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；
而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主
要有高精度高频向小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。

直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受机床厂家重视，技术发展迅速 。

2001 年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床，快移速度达
100—120m／min，加速度 14．7 一 19．6m／s ，其中尤以德国 DMG 公司与 13 本
MAZAK 公司最具代表性。2000 年 DMG 公司已有 28 种机型采用直线电动机驱动，年产
1500 多台，约占总产量的 1／3。而 MAZAK 公司最近也将推出基于直线伺服系统的超音
速加工中心，切削速度 8 马赫，主轴最高转速 80000r／min，快移速度 500m／min，
加速度 58．8m／s 。所有这些，都标志着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床，
将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床，并在使用中逐步占据主导地位。

4 主轴伺服系统的特性

主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功

能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置
控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与
进给联动。与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。
随微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进人了交流主轴伺服系统的时代
[3]。

（1）交流异步伺服系统

交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，

该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，
从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转
子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控
制。

交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似

直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱
动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：①转子发热，效率较低，转矩
密度较小，体积较大；②功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较
大的逆变器容量。

（2）交流同步伺服系统