驱动系统结构和分类

1.驱动器分类

驱动器是将CNC的指令转换为机床实际运动的装置，它包括伺服进给驱动和主轴驱动两大部分。

伺服驱动器用于进给伺服电动机的驱动，以控制刀具的运动速度、位置和轨迹。在全功能型CNC系统中，伺服进给坐标轴的闭环位置控制通过CNC实现，其伺服驱动器主要用于PWM信号放大和伺服电动机的转速、转矩控制，故又称伺服放大器。

主轴驱动器主要用于主轴转速控制，它可根据需要选择通用变频器或交流主轴驱动器。通用变频器多用于经济型的全功能数控机床，其主轴驱动系统和国产普及型数控无太大区别，它也是通过CNC输出的主轴转速S模拟量控制变频器的频率，达到改变主轴转速的目的，有关内容可参见第6章所述。采用交流主轴器的驱动系统不仅可实现主轴的闭环速度控制，而且还可选择主轴的闭环位置控制，以满足数控机床主轴定位、刚性攻丝、螺纹加工、Cs轴控制等的功能要求。

FANUC公司数控系统配套的驱动器有图7.4-2所示的αi与βi两大系列，FS-0iD可选配αi或βi系列；但FS-0iMateD一般只能选配βi系列驱动。

αi系列驱动器是FANUC公司生产的高性能、标准驱动产品，它采用了典型的模块化结构，驱动器由电源模块、伺服驱动模块、主轴驱动模块等组成，电源模块为公用，伺服驱动模块、主轴驱动模块可根据实际电动机的规格选用。为了缩小体积，小功率的伺服模块可选配2轴、3轴集成模块。

图7.4-1 FANUC驱动器

a）αi驱动器 b）βi伺服 c）βi驱动器

βi系列驱动器属于FANUC公司的实用型产品。在产品结构上，它分图7.4-1b所示的独立型伺服驱动器和图7.4-1c所示的、主轴和伺服驱动集成一体的紧凑型驱动器两类，目前尚无独立的βi系列主轴驱动器产品。独立型βi伺服驱动器分单轴、2轴两种，驱动器的电源和伺服模块集成一体，产品可独立安装。伺服/主轴一体的紧凑型驱动器分2轴加主轴和3轴加主轴两种，其伺服和主轴共用电源和控制电路，驱动器整体安装。在产品性能上，βi系列驱动器又分为标准型和经济型两类，经济型为FANUC公司新开发的产品，它用于下述的βiSc伺服和主轴电动机驱动。

2.伺服电动机

FANUC公司可提供的伺服驱动电动机主要有αi和βi系列伺服电动机，Li系列直线电动机、Di系列转台直接驱动电动机4大类产品。

αi和βi系列伺服电动机的外形类似（见图7.4-2），它们均采用标准结构，是数控机床最常用的的产品。

αi系列伺服电动机是高性能驱动电动机，常用的有高速小惯量αiS和中惯量αiF两系列产品。αiS的最高转速可达6000r/min、输出转矩为2～500N·m、额定输出功率为0.75～60kW，产品性能好、规格多，是常用的标准电机产品。αiF是新开发的产品，其最高转速为5000r/min、输出转矩为4～53N·m、额定输出功率为0.5～9kW，产品规格较少。两系列产品均有200V标准型和400V高电压型（HV型）可供选择。

βi系列伺服电动机是实用型产品，其性价比较高，但加减速、高速/低速性能等均不及αi系列。βi系列常用的有βiS和βiSc两大系列，βiS属于高速、小惯量电动机，其最高转速为4000r/min、输出转矩为2～36N·m、额定输出功率为0.5～3kW；产品有200V标准型和400V高电压型（HV型）可供选择。βiSc是FANUC新开发的经济型产品，此类电动机无热敏电阻和ID信息，故一般用于要求不高的控制场合，βiSc系列电动机的最高转速为4000r/min、输出转矩为2～10.5Nm、额定输出功率为0.5～1.4kW；βiSc系列的规格较少，也无HV型（400V）电动机。

图7.4-2 αi、βi伺服电动机

Li系列直线电动机可用于现代高速、高精度机床直线进给轴的直接驱动，其驱动系统结构如图7.4-3所示，系统需要配套αi系列驱动器和磁极检测器、光栅尺等位置检测装置。Li系列直线电动机采用平板结构，其最大推力为300～17000N；最高速度为240m/min（4m/s）；电动机本身可达到的最大加速度300m/s²（30G）；配套的光栅尺检测精度可达0.01μm。(www.xing528.com)

图7.4-3 直线电动机驱动系统

Di系列转台直接驱动电动机又称同步内装伺服电动机，它可用于现代高速、高精度机床回转轴的直接驱动，其驱动系统结构如图7.4-4所示，系统需要配套αi系列驱动器和CZ系列磁栅编码器等位置检测装置。Di系列转台直接驱动电动机采用中空结构，中空内径为Φ40～Φ590mm，额定输出转矩为16～4500Nm；最高转速为50～1000r/min；电动机可达到的最大角加速度为100000deg/s²（1750rad/s²）；配套的CZ系列磁编码器的检测精度为1024λ/r，1024细分后的检测精度可达1.2角秒。

3.主轴电动机

FANUC主轴电动机主要有αi、βi系列和Bi电主轴3大系列产品。

αi系列常用的高性能主轴电动机，其产品规格多、性能好。根据结构，αi主轴电动机可分αiI标准型、αiIP宽调速型、αiIT主轴直接连接型、αiIL强制水冷型4大类。

αiI、αiIP采用的是标准结构。αiI的额定功率为0.55～150kW；小规格电动机的最高转速可达20000r/min；恒功率调速范围为1∶3～1∶8。αiIP宽调速型的额定功率为3.7～22kW；最高转速为5000～8000r/min；恒功率调速范围为1∶8～1∶12。两类产品均有200V标准型和400V高电压型（HV型）可供选择。

图7.4-4 回转轴直接驱动系统

图7.4-5所示的αiIT、αiIL和BiI电主轴是用于高速加工数控机床的新型产品。

图7.4-5 高速主轴电动机

a）αiIT/αiIL主轴电动机 b）BiI电主轴系统

αiIT、αiIL系列主轴电动机用于电动机和主轴直接连接的高速加工数控机床，电动机的转子轴上加工有刀具内冷却用的通孔，电动机体、冷却风扇、接线盒可分离。αiIL和αiIT的区别在于电动机的冷却方式，αiIT采用的外置风机冷却，αiIL需要使用强制冷却液冷却，其电动机功率更大、主轴转速更高。目前，αiIT电动机的30min输出功率为1.5～22kW；最高转速为15000～20000r/min。αiIL电动机的30min输出功率为11～26kW，最高转速为一般为20000 r/min。两类产品均有200V标准型和400V高电压HV型可供选择，驱动器应采用αi系列产品。

BiI系列电主轴为FANUC近年新开发的产品，它采用中空转子结构，可用于高速高精度加工、五轴加工或复合加工等现代数控机床。主轴系统可选用无冷却套的BiI系列或带冷却套的BiI-TypeM系列电动机，系统需要配套CZi或BZi分离型磁编码器和αi系列驱动器。

BiI系列电动机分标准型和高速型两类。标准型电主轴以简化主传动系统结构、提高主轴精度、实现了“零传动”为主要目的，其连续输出功率范围为0.75～37kW，转子中空内径为ϕ34.8～ϕ168mm；额定输出功率为0.75～37kW；小功率电动机的最高转速可达25000r/min。高速型电主轴的输出功率为0.55～30kW，转子中空内径为ϕ28～ϕ101.4mm；最高转速可达70000r/min。BiI-TypeM电动机在BiI电动机的基础上增加了强制水冷的冷却套，可提高同规格电动机的输出功率和最高转速，其余性能与BiI电动机相同。两类产品均有200V标准型和400V高电压HV型可供选择。

βi系列为实用型主轴电动机，采用的是标准结构，产品的性价比较高，但各方面性能均低于αi系列，且规格较少。βi系列主轴电动机分为βiI标准型、βiIP宽调速型和新推出的βiIc经济型3类。βiI标准型的额定输出功率为3.7～15kW；小规格电动机的最高转速可达10000r/min；恒功率调速范围为1∶2左右。βiIP宽调速型的额定输出功率为5.5～15kW；最高转速为6000r/min；恒功率调速范围为1∶3～1∶5。βiI、βiIP可与βiSVSP伺服/主轴一体紧凑型驱动器配套，用于一般数控机床的主轴驱动。βiIc用于低价位数控机床，目前只有3.7～7.5kW几个规格，其最高转速为6000r/min；恒功率调速范围为1∶2左右；它只能与βiSVSPc伺服/主轴一体的经济型驱动器配套使用。