数控机床用伺服驱动及电动机性能试验规范标准体系研究*

薛瑞娟　黄祖广　文平阶　邢国春　蒋　峥

(国家机床质量监督检验中心，北京 100102)



数控机床用伺服驱动及电动机性能试验规范标准体系研究*

薛瑞娟黄祖广文平阶邢国春蒋峥

(国家机床质量监督检验中心，北京 100102)

通过对伺服驱动及电动机现行行业标准的总结分析，针对其存在的问题，结合伺服驱动及电动机最新技术的发展，对数控机床用伺服驱动及电动机性能试验规范标准体系进行了研究，并提出22项新的行业标准。

数控机床；伺服驱动；电动机；标准体系

数控机床是工业之母，是国家的战略产业。数控机床性能的好坏，依赖于先进的数控技术。数控技术的实现是通过数控系统来完成的，数控系统包括数控装置、伺服驱动装置、伺服电机和主轴电机等。而由伺服驱动及电动机作为控制对象动作的执行机构，在数控系统中起着举足轻重的作用，其产品质量和性能的好坏直接关系到数控机床整机的性能，影响到我国数控产品和国外产品的竞争能力。除此之外，伺服驱动系统作为高速、高精度运动执行部件还广泛应用于各种基础制造装备中。

近些年，伺服驱动及电动机技术取得了长足发展和进步，其产品也得到了逐步推广，但是产品的检测评价体系发展相对滞后，加强伺服驱动及电动机性能测试技术及检测平台的研究尤为重要。我国目前在伺服驱动及电动机的性能评测标准方面存在如下问题：(1)现有测试规范与标准落后于现代伺服驱动及电机技术的发展；(2)直线电机及伺服驱动测试规范与标准尚属空白；(3)尚无分别对伺服驱动和电机性能进行独立测试的规范和标准。(4)尚无伺服系统网络通信同步性、实时性及鲁棒性测试规范和标准。(5)尚无针对数控机床用伺服驱动及电机的可靠性测试标准。现有规范、标准无法促进伺服驱动及电机技术进步。因此，测试平台建设和规范标准研究迫在眉睫。

1　目的和意义

“高档数控机床及基础制造装备”国家科技重大专项提出：“到2020年，形成高档数控机床与基础制造装备主要产品的自主开发能力，总体技术水平进入国际先进行列，部分产品国际领先”、“航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备80%立足国内”的总体目标。随着一系列科研课题的开展实施，通过对核心技术的研究突破和资源集成，将有近百种不同规格的各类伺服驱动及电机(包括交流伺服电机、主轴电机、电主轴、力矩电机、直线电机等)实现产业化。如何客观、公正、科学地对这些伺服驱动及电机进行评测、对这些科研成果进行鉴定是亟待解决的重要问题，目前国内的伺服驱动及电机检测评价体系已无法满足产品技术的发展，因此加强伺服驱动及电机检测技术、检测平台及性能试验规范标准体系的研究建设尤为重要。通过标准的规范，以独立、客观、科学的测试数据为依据，对伺服驱动及电机产品进行客观评价，可为伺服系统的改进提出合理建议，进一步促进国产伺服驱动及电机品牌的发展。

2　标准现状分析

目前，我国现行的数控机床用伺服驱动和电动机相关行业标准主要为以下4项：

(1)JB/T10275-2001《数控机床交流主轴驱动单元通用技术条件》。

(2)JB/T 10276-2001《数控机床交流伺服驱动单元通用技术条件》。

(3)JB/T10273-2001《数控机床交流主轴电动机通用技术条件》。

(4)JB/T10274-2001《数控机床交流伺服电动机通用技术条件》。

2.1驱动单元性能指标分析

根据JB/T10275-2001《数控机床交流主轴驱动单元通用技术条件》和JB/T 10276-2001《数控机床交流伺服驱动单元通用技术条件》两项行业标准，对驱动单元的性能指标试验项目进行了整理对比分析，如表1所示，“√”标识为标准中涵盖该性能指标试验项目。

2.2电动机性能指标分析

根据JB/T10273-2001《数控机床交流主轴电动机 通用技术条件》和JB/T 10274-2001《数控机床交流伺服电动机 通用技术条件》两项行业标准，对电动机的性能指标试验项目进行了整理对比分析，如表2所示，“√”标识为标准中涵盖该性能指标试验项目。

除以上4项行业标准之外，还有一些其他相关的国家标准和规范，这些标准和规范能够覆盖伺服驱动及电动机大部分常规测试方法，但是其技术内容已经落后于现代伺服驱动及电动机技术的发展，不能测试现代伺服驱动及电动机的关键性能指标。

表1交流伺服和交流主轴驱动单元标准条款和对应目标

序号性能指标试验项目驱动单元交流伺服交流主轴1电气安全性试验√√2气候环境适应性试验√√3机械环境适应性试验√√4保护性能试验√√5电源适性能力试验√√6电磁兼容性√√7可靠性√√8额定输出容量试验√√9转速变化率试验√√10调速范围试验√√11稳速精度试验√√12稳定性能试验√√13跟随性能试验√√14正反转速差试验√√15静态刚度试验√√16接口检测√√17外壳防护等级试验√√18额定电压试验√19额定电流试验√20恒功率范围试验√21效率试验√22制动功能试验√23起制动功能试验√

3　标准需求分析

通过对现行数控机床用伺服驱动及电动机行业标准的总结分析，结合伺服驱动及电动机最新技术的发展，可以看出现有测试标准及规范还不够完善，标准技术内容还需改进，下一步需要完成的工作包括：

(1)制定数控机床力矩电动机标准。

表2交流伺服和交流主轴电动机标准条款和对应目标

序号性能指标试验项目驱动单元交流伺服交流主轴1电气安全性试验√√2气候环境适应性试验√√3机械环境适应性试验√√4噪声试验√√5电磁兼容性√√6可靠性√√7静摩擦转矩试验√8空载电流试验√√9旋转方向试验√√10额定转速试验√√11最高转速试验√√12额定转矩试验√√13额定功率试验√√14连续堵转转矩试验√15连续堵转电流试验√16额定电压试验√17最大转矩试验√18工作区试验√19反电势常数试验√20转子转动惯量试验√√21电气时间常数试验√22转矩波动率试验√23超速试验√√24温升试验√√25外壳防护等级试验√26最高电压试验√27过载能力

(2)制定数控机床直线电动机标准。

4　标准体系规划

为了更好地为机床行业服务，根据伺服驱动及电机技术发展的需求，由全国工业机械电气系统标准化技术委员会(以下简称SAC/TC231)组织，国家机床质量监督检验中心(以下简称国检中心)牵头，联合哈尔滨工业大学(以下简称哈工大)及西安微电机研究所(以下简称西微所)对数控机床用伺服驱动及电机性能试验规范标准体系进行了研究规划。

SAC/TC231成立于1985年，其前身为全国金属切削机床标准化技术委员会电气系统分技术委员会，是从事工业机械电气系统相关技术领域标准化工作的全国性技术组织，负责工业机械电气系统专业领域的国家标准和行业标准的技术归口工作；承担国际标准化组织 IEC/TC44技术委员会国际标准化的国内归口工作；负责参加国际标准草案的投票表决，参与国际标准的制订和国际标准的转化工作等。其下设有 4个分会和 6个工作组包括：纺织机械电气系统分会(SAC/TC231/SC1)、机床电气系统分会(SAC/TC231/SC2)、安全控制系统分会(SAC/TC231/SC3)、缝制机械电气系统分会(SAC/TC231/SC4)、开放式数控系统工作组(SAC/TC231/WG1)、建设与起重机械电气系统工作组(SAC/TC231/WG2)、电磁兼容工作组(SAC/TC231/WG3)、塑料机械电气系统工作组(SAC/TC231/WG4)、半导体加工设备电气系统工作组(SAC/TC231/WG5)、电敏装置工作组(SAC/TC231/WG6)。

图1为SAC/TC231的组织结构图，数控机床用伺服驱动及电机性能试验规范标准由SAC/TC231下设机床电气系统分会(SAC/TC231/SC2)归口；图2为SAC/TC231的标准体系框图，数控机床用伺服驱动及电机性能试验规范标准属于标准体系中的“机床电气设备”小类。经过初步研究、分析和讨论，决定将数控机床用伺服驱动及电机性能试验规范标准体系分为5个系列标准进行研究制定，分别为：交流驱动单元试验规范、主轴电动机性能试验规范、伺服电动机性能试验规范、直线电动机性能试验规范及力矩电动机性能试验规范。

5　标准计划申请获批

2014年6月23日，工业和信息化部办公厅下达了工信厅科﹝2014﹞114号文件《关于印发2014年第二批行业标准制修订计划的通知》，由全国工业机械电气系统标准化技术委员会秘书处上报的《数控机床用伺服驱动及电动机性能试验规范》22项行业标准获批立项，均列为重点项目，如表3所示。

表3《数控机床用伺服驱动及电动机性能试验规范》行业标准制修订计划

序号计划号项目名称性质制修订完成年限主管部门技术委员会或技术归口单位备注12014-0699T-JB数控机床电气设备及系统交流驱动单元性能试验规范第1部分:总则推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点22014-0700T-JB数控机床电气设备及系统交流驱动单元性能试验规范第2部分:参数自整定功能推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点

序号计划号项目名称性质制修订完成年限主管部门技术委员会或技术归口单位备注32014-0701T-JB数控机床电气设备及系统交流驱动单元性能试验规范第3部分:在线谐振和自动振动抑制功能推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点42014-0702T-JB数控机床电气设备及系统交流驱动单元性能试验规范第4部分:三环带宽推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点52014-0703T-JB数控机床电气设备及系统力矩电动机性能试验规范第1部分:总则推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点62014-0704T-JB数控机床电气设备及系统力矩电动机性能试验规范第2部分:连续堵转电流推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点72014-0705T-JB数控机床电气设备及系统力矩电动机性能试验规范第3部分:连续堵转转矩推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点82014-0706T-JB数控机床电气设备及系统力矩电动机性能试验规范第4部分:峰值堵转电流推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点92014-0707T-JB数控机床电气设备及系统力矩电动机性能试验规范第5部分:峰值堵转转矩推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点102014-0708T-JB数控机床电气设备及系统力矩电动机性能试验规范第6部分:低速平稳性推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点112014-0709T-JB数控机床电气设备及系统力矩电动机性能试验规范第7部分:转矩密度推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点122014-0710T-JB数控机床电气设备及系统伺服电动机性能试验规范第1部分:总则推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点132014-0711T-JB数控机床电气设备及系统伺服电动机性能试验规范第2部分:齿槽定位转矩推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点142014-0712T-JB数控机床电气设备及系统伺服电动机性能试验规范第3部分:过载能力推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点152014-0713T-JB数控机床电气设备及系统直线电动机性能试验规范第1部分:总则推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点

序号计划号项目名称性质制修订完成年限主管部门技术委员会或技术归口单位备注162014-0714T-JB数控机床电气设备及系统直线电动机性能试验规范第2部分:推力推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点172014-0715T-JB数控机床电气设备及系统直线电动机性能试验规范第3部分:定位力推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点182014-0716T-JB数控机床电气设备及系统直线电动机性能试验规范第4部分:推力线性度及推力系数推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点192014-0717T-JB数控机床电气设备及系统直线电动机性能试验规范第5部分:推力波动推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点202014-0718T-JB数控机床电气设备及系统直线电动机性能试验规范第6部分:初、次级磁吸力推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点212014-0719T-JB数控机床电气设备及系统主轴电动机性能试验规范第1部分:总则推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点222014-0720T-JB数控机床电气设备及系统主轴电动机性能试验规范第2部分:功率密度推荐制定2016装备工业司全国工业机械电气系统标准化技术委员会重点

6　结语

总之，伺服驱动及电动机技术的发展无论对机床行业还是其他制造业都是非常重要的，通过标准的规范，可进一步促进技术的发展。目前，《数控机床用伺服驱动及电动机性能试验规范》22项行业标准正在按照计划的时间节点顺利进行，已进入送审阶段，标准内容丰富，任务较多，篇幅限制关系，在此就不一一展开说明。详尽内容请关注正式出版后的标准文本。

[1]“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项课题任务合同书《伺服驱动及电机测试规范、标准研究与测试平台》(2012 ZX04001051).

[2] 中华人民共和国工业和信息化部.JB/T10275-2001数控机床交流主轴驱动单元通用技术条件[S].北京：机械工业出版社，2014.

[3]中华人民共和国工业和信息化部.JB/T 10276-2001数控机床交流伺服驱动单元通用技术条件[S].北京：机械工业出版社，2014.

[4] 中华人民共和国工业和信息化部.JB/T 10273-2001.数控机床交流主轴电动机通用技术条件[S].北京：机械工业出版社，2014.

[5] 中华人民共和国工业和信息化部.JB/T10274-2001数控机床交流伺服电动机通用技术条件[S].北京：机械工业出版社，2014.

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·名词解释·

胎模锻胎模锻造是介于自由锻和模锻之间的一种锻造方法，它是在自由锻锤上使用简单模具(称为胎模)生产锻件的一种常用锻造方法。胎模锻造时，胎模自由地放在锤头和下砧块之间，先采用自由锻造方法将坯料预锻成近似锻件的形状，然后放入胎模模膛中，用锻锤打至上、下模紧密接触时，坯料便会在模膛内压成与模膛形状一致的锻件。胎模锻造生产的锻件，其精度和形状的复杂程度较自由锻造高，加工余量小，生产率较高，而且胎模结构简单，制造方便，无需昂贵的模锻设备，是一种既经济又简便的锻造方法，广泛用于小型锻件的中小批量生产。

Research on standards system of NC machine tool servo drive and motor performance test specification

XUE Ruijuan，HUANG Zuguang，WEN Pingjie，XING Guochun，JIANG Zheng

(National Machine Tool Quality Supervision Testing Center, Beijing 100102，CHN)

By means of summary and analysis of the current servo drive and motor industry standards, aimed at the existing problems, and combined with the the latest development of servo drive and motor technology, the standards system of NC machine tool servo drive and motor performance test specification was studied in this paper, and 22 new industry standards were put forward.

NC machine tool; servo drive; motor; standards system

TH122

B

薛瑞娟，女，1987年生，硕士，全国工业机械电气系统标准化技术委员会秘书，主要研究方向为数控系统测试与评价技术及机械电气系统安全相关标准化等。

160554

“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项：伺服驱动及电机测试规范、标准研究与测试平台(2012ZX04001051)