伺服系統(tǒng)應用案例

1、伺服系統(tǒng)應用案例主軸電機與伺服電機有什么區(qū)別？答:數(shù)控機床用電機主要有兩種電機:進給伺服電機和主軸電機。數(shù)控機床對進給伺服電機的要求主要為:(1)機械特性:要求伺服電機的速降小、剛度大;(2)快速響應的要求:這在輪廓加工，特別對曲率大的加工對象進行高速加工時要求較嚴格;(3)調(diào)速范圍:這可以使數(shù)控機床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì);適應于各種不同的加工工藝;(4)一定的輸出轉(zhuǎn)矩，并要求一定的過載轉(zhuǎn)矩。機床進給機械負載的性質(zhì)主要是克服工作臺的摩擦力和切削的阻力，因此主要是”恒轉(zhuǎn)矩”的性質(zhì)。對主軸電機的要求主要為:(1)足夠的輸出功率，數(shù)控機床的主軸負載性質(zhì)近似于”恒功率”，也就是當機床的主軸轉(zhuǎn)速

2、高時，輸出轉(zhuǎn)矩較小;主軸轉(zhuǎn)速低時，輸出轉(zhuǎn)矩大;即要求主軸驅(qū)動裝置要具有”恒功率”的性質(zhì);(2)調(diào)速范圍:為保證數(shù)控機床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì);適應于各種不同的加工工藝，要求主軸電機具有一定的調(diào)速范圍。但對主軸的要求比進給低;(3)速度精度:一般要求靜差度小于5 ，更高的要求為小于1;(4)快速:主軸驅(qū)動裝置有時也用在定位功能上，這就要求它也具有一定的快速性。 為什么伺服電機和主軸電機的輸出指標不同，伺服電機以轉(zhuǎn)矩(N.m)，主軸以功率(kW)為指標？答:一般說來，伺服電機和主軸電機在數(shù)控機床里作用不同，伺服電機驅(qū)動機床的工作臺，工作臺的負載阻尼為折合到電機軸上的轉(zhuǎn)矩，所以伺服電機以轉(zhuǎn)矩

3、(N.m) 為指標。主軸電機驅(qū)動機床的主軸，它的負載必需滿足機床的功率，所以主軸電機以功率(kW)為指標。這是習慣的叫法。其實，通過力學公式的換算，這兩個指標可以進行互算。伺服電機的特性曲線是怎么樣？曲線上哪些是典型的參數(shù)點？答:圖1為伺服電機的主要特性曲線之一。在圖上，max為額定速度和最大允許速度。T0為連續(xù)額定堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，T2為連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩，Tmax為最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，T1為為斷續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。P0為額定輸出功率，Pmax為最大輸出功率。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是指電機轉(zhuǎn)子在其所有角位堵住時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的最小測得值。以FANUC 的伺服電機為例，以上特性曲線是對應電機電流為正弦、環(huán)境溫度為20的情況，并有

4、7;10%的容差。如果環(huán)境溫度高于它，工作的極限還得降低。由于鐵磁材料的溫度系數(shù)為負，因此，特性曲線上的值要降低。對于大于20的情況，每升高1曲線上的值對FANUC的i大約降低0.19% ,對is大約為0.11%;建議選擇70%的電機額定值作為負載滿負荷。伺服電機從額定堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩到高速運轉(zhuǎn)時，為什么轉(zhuǎn)矩降低(參見圖1)？答:轉(zhuǎn)矩降低主要是由于電機繞組的散熱變壞和機械部分發(fā)熱引起的。高速時，電機溫升變大，因此，正確使用伺服電機前一定要對電機的負載進行驗算。 圖1 伺服電機特性 如何驗算伺服電機的負載？答:一般伺服電機有兩種負載:阻尼負載和慣性負載;驗算的結(jié)果要使電機輸出軸的阻尼負載轉(zhuǎn)矩不超過特性曲

5、線允許的范圍;驗算慣性負載主要是計算電機軸上的慣量，然后計算是否滿足加、減速時間的要求。使用FANUC的交流伺服電機，對負載慣量有什么要求？答:負載慣量很大地影響伺服電機的控制能力和快速加減速時間。因此，正確選擇負載慣 量的大小十分重要。對于FANUC的、i、is系列的伺服電機，如果折合到電機軸上的負載慣量等于或小于電機轉(zhuǎn)子的慣量，工作不會發(fā)生問題。一般穩(wěn)定正常工作要求折合到電機軸上的負載慣量小于電機轉(zhuǎn)子的3倍。如果生產(chǎn)機械折合到電機軸上的負載慣量大于電機轉(zhuǎn)子的3-5倍時，還按正常調(diào)試的參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)可能工作不正常。要盡量避免采用這種負載工作。需要時聯(lián)系FANUC的技術(shù)人員解決。FANUC伺服

6、電機的防護是什么等級？答:FANUC伺服電機的防護等級如表1、表2: 表1 FANUC伺服電機的防護等級 表2 FANUC的主軸電機防護等級 表里的數(shù)據(jù)并不表明任何的塵埃都可以防止、任何的噴水都可以抵擋。對于防護等級所包含的意義在防護標準里都有明確的數(shù)據(jù)規(guī)定。機床設(shè)計師除了應該選擇合理的防護等級外，還應該在設(shè)計中考慮如何更好地保護伺服電機。使伺服電機盡量不在惡劣環(huán)境下工作。FANUC伺服電機is與is有什么區(qū)別？答:除電機的參數(shù)不同外，is和電機的編碼器為1000,000/rev;而伺服電機is的編碼器卻是130,000/rev。is更適合于高精度的加工。 FANUC的is伺服電機是否可用于模

7、具加工？答:不同精度的模具對加工精度的要求也不同，對模具加工設(shè)備的要求也不同。檔次為中、低檔 的模具，如果選擇is伺服電機、加上數(shù)控系統(tǒng)FS-0i有關(guān)的高精度加工功能是可以加工出符合要求的模具。但對中、高檔的模具加工最好選擇is的伺服 電機和具有高精、高速功能的數(shù)控系統(tǒng)，比如FANUC數(shù)控系統(tǒng)FS-18i。對立式加工中心，當伺服急停或報警時，伺服單元的主接觸器MCC斷電，由于伺服電機的制動有滯后，機床的主軸箱就會下滑，甚至損壞工具或工件，如何克服這個缺陷？答: FANUC的數(shù)控系統(tǒng)，有一個”制動器控制功能 ”，可以在一定的范圍內(nèi)延時控制MCC斷電的時間，另外，還可以延時急停起作用時間;設(shè)一般制

8、動器動作的時間為t1，選擇MCC動作時間t2大于t1，急 停起作用時間為t3，t3> t2，就可以達到控制主軸箱下滑目的。比如，選擇t1=50-100ms，t2=200 ms，t3=400ms就可以防止主軸箱下滑。使用主軸電機時與負載的工作制有什么關(guān)系？答:工作制表明電機在不同負載下的允許循環(huán)時間。電動機工作制為:S1S10;其中:(1)S1工作制:連續(xù)工作制，保持在恒定負載下運行至熱穩(wěn)定狀態(tài);簡稱為S1;(2)S2工作制:短時工作制，本工作制簡稱為S2，隨后應標以持續(xù)工作時間。如S2 60min;(3)S3工作制:斷續(xù)周期工作制，按一系列相同的工作周期運行，每一周期包括一段恒定負載運行

9、時間和一段停機、斷能時間。本工作制簡稱為S3，隨后應標以負載持續(xù)率，如S3 25%;(4)S4工作制:包括起動的斷續(xù)周期工作制。本工作制簡稱為S4，隨后應標以負載持續(xù)率以及折算到電機軸上的電機轉(zhuǎn)動慣量JM、負載轉(zhuǎn)動慣量Jext，如S4 25% JM=0.15kg.m2, Jext=0.7 kg.m2;(5)S5工作制:包括電制動的斷續(xù)周期工作制。本工作制簡稱為S5，隨后應標以負載持續(xù)率以及折算到電機軸上的電機轉(zhuǎn)動慣量JM、負載轉(zhuǎn)動慣量Jext，如S5 25% JM=0.15kg.m2, Jext=0.7 kg.m2;(6)S6工作制:連續(xù)周期工作制。每一周期包括一段恒定負載運行時間和一段空載運

10、行時間，無停機、斷能時間。本工作制簡稱為S6，隨后應標以負載持續(xù)率，如S6 40%;(7)其他還有:S7工作制:包括電制動的連續(xù)周期工作制;S8工作制:包括負載-轉(zhuǎn)速相應變化的連續(xù)周期工作制;S9工作制:負載和轉(zhuǎn)速作非周期變化的連續(xù)周期工作制;S10工作制:離散恒定負載工作制。電機可以運行直至熱穩(wěn)定，并認為與S3S10工作制中的某一工作制等效。FANUC伺服電機運轉(zhuǎn)一段時間后，用手摸會感覺很熱，是否正常？答:伺服電機運轉(zhuǎn)一段時間后有一定的溫升，這是正常的。它的溫升主要由電 機繞組的溫升決定。允許的繞組溫升由繞組所采用的絕緣等級規(guī)定。比如，伺服電機i、is的絕緣等級為”F”，允許最大繞組的溫升為

11、125，如果環(huán)境 溫度為20，那么繞組的溫度為145，在電機的外殼當然會有熱度。FANUC的主軸電機 、p有什么區(qū)別？答: 和p主軸電機間的差別是p的主軸電機具有較大的”恒功率”范圍，同樣大小尺寸的 和p主軸電機， 的輸出功率比p的主軸電機大。也就是說，p的主軸電機是采用降低電機的功率而擴大了輸出功率范圍。如何檢查伺服電機的絕緣電阻？答:當進貨檢查或發(fā)現(xiàn)電機有不祥征兆需要測量電機繞組的絕緣電阻時，用500V的電阻表進行測量。繞組對電機 外殼的絕緣電阻應該大于或者等于100M，電機絕緣正常。小于1 M時，不能使用。在10-100 M間，可以應用，但要定時檢測;在110 M間，要特別小心使用，并要

12、經(jīng)常檢查。在調(diào)試數(shù)控機床(用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)0i-A控制)的重復定位精度時，讓機床的一個軸往復運動多次，觀察診斷參數(shù)#300(伺服誤差)，每次定位時其數(shù)值都不同，有時在某些位置，發(fā)現(xiàn)#300數(shù)值每次在增加，好像有累積誤差，這是怎么產(chǎn)生的？答:FANUC 數(shù)控系統(tǒng)0i-A 的#300診斷參數(shù)的意義是伺服軸的位置偏差;它表示指令與實際移動距離之差。這個參數(shù)與很多因數(shù)有關(guān)。高精度機床在測重復定位精度時，#300數(shù)值大約 在 2+2之間，視負載、機床導軌情況會有些變化。如果它變化不定，可以增大位置增益，或者改變機床的潤滑看看情況是否變好。 為什么FANUC的伺服系統(tǒng)需要電源變壓器?如何選擇電源變壓

13、器的容量?答:FANUC的伺服系統(tǒng)有兩種輸入:(1)三相380V電源直接輸入;(2)通過三相380V/200V變壓器輸入。在我國，由于電網(wǎng)電壓在有些地區(qū)的變化還比較大，為了保證系統(tǒng)可靠工作，建議采用帶電源變壓器的輸入。計算所需電源容量可按照下面公式計算:設(shè)所需電源容量為A(kVA)，計算所需的PSM模塊額定容量為B(kW)，選擇的PSM模塊額定容量為C(kW)SM額定輸出時的電源容量為D(kVA);主軸電機連續(xù)額定輸出為E(kW)，伺服電機連續(xù)額定輸出為F(kW);首先計算所需的PSM模塊額定容量B;然后計算A。B1.15×E0.6×F 那么:A(B/C)×D例:

14、系統(tǒng)選擇主軸電機為12/10000i電機，連續(xù)額定輸出為11 kW;伺服電機為3臺8/4000is，連續(xù)額定輸出為2.5 kW;那么: B1.15×110.6×2.514.15 kW;選擇PSM的額定容量為11(kW)SM額定輸出時的電源容量為17(kVA);那么: A(B/C)×D(14.15/11)×17=22(kVA)也就是說,需要22 kVA的電源容量。如何克服機械的自然頻率引起的振動？答:所謂機械的自振是指由于機械自身的質(zhì)量和機械系統(tǒng)的彈性變形使機械在運動過程中引起的振動。機械自振的頻率m也稱為機械系統(tǒng)的自然頻率。如下式: 其中，m為自然頻率;

15、m為機械系統(tǒng)的剛度;JL為折合到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。設(shè)計和調(diào)試機床時，應使自然頻率m大于該坐標軸伺服系統(tǒng)的位置環(huán)的位置增益。 什么是HRV控制功能？FANUC為了提高伺服裝置的性能和實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能;對控制不斷改進。其中最重要的控制功能為HRV控制。 FANUC的CNC采用交流伺服電機，實際流過繞組的電流為交流電流。這有二種方法可以進行控制1)電流控制環(huán)和控制都為AC量;(2)通過坐標變換電流變量為DC量進行控制?，F(xiàn)在一般采用后者進行控制。也稱矢量變換控制。矢量控制原理為:交流電機中，轉(zhuǎn)子由定子繞組感應的電流產(chǎn)生磁場;而定 子電流含兩個成份，一個影響激磁磁場，另一個影響電機輸出轉(zhuǎn)矩。這兩個電

16、流成份在定子耦合在一起;為了使交流電機應用在既需要速度又需要轉(zhuǎn)矩控制的場合， 必須把影響轉(zhuǎn)矩的電流成份解耦控制，采用磁通向量控制法就可以分離這兩個成份，并進行獨立控制。 HRV就是基于后者的控制。由于采用DC控制，它的控制特性不取決于電機的速度(即電流的頻率);從速度控制的觀點出發(fā)，這意味著由轉(zhuǎn)矩指令決定的實際的 轉(zhuǎn)矩與電機的速度無關(guān)。HRV是”高響應矢量”(HIGH RESPONS VECTOR)的意義。 所謂HRV控制是對交流電機矢量控制從硬件和軟件方面進行優(yōu)化，以實現(xiàn)伺服裝置的高性能化，從而使數(shù)控機床的加工達到高速和高精;為了實現(xiàn)高速和高精，進給伺服裝置的HRV主要控制:(1)對輸入指令具有高精高速的響應;減少采樣時間，對電流進行高精度檢測;優(yōu)化軟件設(shè)計，對電流和速度進行控制，以加大速度增益和位置增益，從而提高改善系統(tǒng)的性能;(2)對外部的干擾具有良好的魯棒性;(3)采用高精度編碼器;(4)設(shè)置HRV濾波器，減少機械諧振影響。通過以上措施提高系統(tǒng)的速度增益和位置增益。而主軸伺服裝置的HRV主要控制:(1)設(shè)置HRV濾波器，減少機械諧振影響，加大速度增益;提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;(2)精調(diào)加減速，提高同步性;(3)降低高速時繞組溫升