數(shù)控機(jī)床與維護(hù)4章3節(jié)課件

1、一、數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求 這包括要求主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)2.2250kW的功率范圍，既要能輸出大的功率，又要求主軸結(jié)構(gòu)簡單。然而小的恒功率調(diào)速范圍卻使機(jī)械傳動(dòng)不能全部取消。要改善主軸的動(dòng)態(tài)性能，需要主傳動(dòng)有更大的無級(jí)調(diào)速范圍，如仍在1：1001000的范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10的恒功率調(diào)速，而且要求在主軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)向中在任一個(gè)方向都可進(jìn)行傳動(dòng)和減速，即要求有四象限的驅(qū)動(dòng)能力。第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 數(shù)控車床、銑床、鏜床和加工中心在數(shù)控機(jī)床總數(shù)中占有80%的比例，為了滿足這些數(shù)控機(jī)床的要求，如為使數(shù)控車等具有螺紋車削功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；在加工中心上，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，

2、還要求主軸能進(jìn)行高精度定向停止控制；有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸具有角度分度控制的功能。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 另外，主軸驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)提供加工各類零件所需的切削功率，隨著刀具的不斷切進(jìn)，切削速度日益提高，以及為了提高生產(chǎn)率，都要求機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速和功率能不斷地提高。此外，因?yàn)榧庸ひ恍╇y加工材料所要求的轉(zhuǎn)速范圍相差很大如鈦全金需要低速加工，而鋁合金卻需要高速加工。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 二、交流主軸驅(qū)動(dòng) 1交流主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)有籠型異步電動(dòng)機(jī)和永磁式同步電動(dòng)機(jī)兩種結(jié)構(gòu)。交流主軸電動(dòng)機(jī)的情況與伺服電動(dòng)機(jī)相同，交流主軸電動(dòng)機(jī)均采用異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。 鼠籠型異步電

3、動(dòng)機(jī)在總體結(jié)構(gòu)上由有三相繞組的定子和有籠條的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。雖然，也有直接采用普通異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)做數(shù)控機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)用的，但一般來說，交流主軸電動(dòng)機(jī)是專門設(shè)計(jì)的，各有自己的特色。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 為此，在電動(dòng)機(jī)外形上是呈多邊形而不是圓形。交流主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和普通異步電動(dòng)機(jī)的比較如圖4-15所示。其中1是交流主軸電動(dòng)機(jī)，2是普通異步電動(dòng)機(jī)，3是冷卻通風(fēng)孔。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多為帶斜槽的鑄鋁結(jié)構(gòu)，與一般籠型異步電動(dòng)機(jī)相同。在這類電動(dòng)機(jī)軸的尾部都同軸安裝有檢測用脈沖發(fā)生器或脈沖編碼器。在電動(dòng)機(jī)安裝方式上，一般有法蘭式和底腳式兩種，可根據(jù)不同需要選用。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖4-15交流主軸

4、電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通異步電動(dòng)機(jī)比較示意圖 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 2 交流主軸電動(dòng)機(jī)的性能 圖4-16為交流主軸電動(dòng)機(jī)的功率速度特性曲線 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 但有些電動(dòng)機(jī)，如圖4-16中所示那樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過某一定值之后，其功率轉(zhuǎn)速曲線向下傾斜，不能保持恒定功率。對(duì)于一般主軸電機(jī)，這個(gè)恒功率速度范圍只有1:3的速度比。交流主軸電動(dòng)機(jī)也有一定的過載能力，一般為額定值的1.21.5倍，過載時(shí)間則從幾分鐘到半個(gè)小時(shí)不等 。第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 3 新型主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 交流主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有下述三種新發(fā)展： (1) 輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電動(dòng)機(jī) 為了滿足機(jī)床切削的需要，要求主軸

5、電動(dòng)機(jī)在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率 (2)液體冷卻主軸電動(dòng)機(jī) 在電機(jī)尺寸一定條件下，為了得到大的輸出功率，必然會(huì)大幅度增加電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量。 為此必須解決電動(dòng)機(jī)的散熱問題。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖4-17 液體冷卻主軸電動(dòng)機(jī) 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （3） 內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)動(dòng) 這種主軸與電動(dòng)機(jī)制成一體，省去了齒輪機(jī)構(gòu)，使主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡化。電動(dòng)機(jī)軸就主軸本身，而電動(dòng)機(jī)的定子被裝在主軸頭內(nèi)。圖4-18為內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī)，它由三個(gè)基本部分組成：空心軸轉(zhuǎn)子5、帶繞組的定子2和檢測器1。其中3是定子，4是轉(zhuǎn)子。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖4-18內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī) 第四章

6、 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 三、變頻器 1變頻器的分類與特點(diǎn) 對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻交流電轉(zhuǎn)換為變頻變壓交流電。變頻器的基本分類如下： 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 交交變頻器與交直交變頻器的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖4-19所示。a) 為交-交變頻器 b）為交-直-交變頻器。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖4-20 交-直-交電壓型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)形式 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖4-21交-直-交電流型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)形式 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 2.脈寬調(diào)制型（PWM）變頻器 脈寬調(diào)制變頻器的設(shè)計(jì)思想源于通信系統(tǒng)中的載波調(diào)制技術(shù)，

7、用這種技術(shù)構(gòu)成的PWM交頻器基本上解決常規(guī)階梯波變頻器中存在的問題，為近代交流調(diào)速開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域，目前PWM已成為現(xiàn)代變頻器產(chǎn)品的主導(dǎo)設(shè)計(jì)思想。圖4-22是PWM變頻器示意圖 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖4-22 PWM交-直-交變頻器示意圖 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) PWM型變頻器的主要特點(diǎn)： (1) 主電路只有一個(gè)可控制的功率環(huán)節(jié)，開關(guān)元件少，控制線路結(jié)構(gòu)得以簡化。 (2)整流側(cè)使用了不可控整流器，電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓無關(guān)而接近1。 (3)調(diào)頻調(diào)壓在同一環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，與中間儲(chǔ)能元件無關(guān)，變頻器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快。 (4)通過對(duì)PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次諧波

8、，實(shí)現(xiàn)接近正弦形的輸出交流電壓波形。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 3 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器 SPWM變頻器屬于交-直-交靜止變頻裝置，它先將50Hz交流電經(jīng)整流變壓器變到所需的電壓后，經(jīng)二極管不控整流和電容濾波，形成恒定直流電壓，再送入常用6個(gè)大功率晶體管構(gòu)成的逆變器主電路，輸出三相頻率和電壓均可調(diào)整的等效于正弦波的脈寬調(diào)制波（SPWM波），即可拖動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種變頻器結(jié)構(gòu)簡單，電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，且不受逆變器負(fù)載大小的影響，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)快，輸出波形好 。第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) SPWM逆變器的工作原理如下所述： （1）SPWM波形與等效正弦波 SPWM逆

9、變器用來產(chǎn)生弦脈寬調(diào)制波即SPWM波形。其工作原理是：把1個(gè)正弦半分波成N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫坐標(biāo)軸所包圍的面積都用1個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，這樣可得到N個(gè)等高而不等寬的脈沖序列。它對(duì)應(yīng)著1個(gè)正弦波的半周，對(duì)正負(fù)半周都這樣處理，即可得到相應(yīng)的2N個(gè)脈沖，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調(diào)制波。其波形如圖4-23所示，a）為正弦波的正半波，b）為 等效的SPWM波形。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖4-23與正弦等效的SPWM波形 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （2）產(chǎn)生SPWM波形的原理 SPWM波形可用計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生，即對(duì)給定的正弦波用計(jì)算機(jī)算出相應(yīng)脈沖寬度，通過

10、控制電路輸出相應(yīng)波形，或用專門集成電路芯片產(chǎn)生；也可采用模擬式電路以“調(diào)制”理論為依據(jù)產(chǎn)生。其方法是以正弦波為調(diào)制波，對(duì)等腰三角波為載波的信號(hào)進(jìn)行“調(diào)制”。調(diào)制電路仍可采用電壓比較放大器，其原理框圖如圖424所示。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖424 三相SPWM控制電路原理框圖 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （3）SPWM變頻器的主要電路 SPWM變頻器的主電路原理及電動(dòng)機(jī)線電壓波形如圖4-25所示。圖a為原理圖，其中中V1V6為6個(gè)大功率晶體管，并各有一個(gè)二極管與之反并聯(lián)，作為續(xù)流用 當(dāng)逆變器工作于雙極性工作方式時(shí)，可得到如圖4-25b所示的線電壓波形。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖4-25 SPWM變頻器主電路原理與電動(dòng)機(jī)線電壓波形 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （4）用單片微機(jī)實(shí)現(xiàn)的SPWM控制 為了對(duì)SPWM系統(tǒng)具有實(shí)際的概念，圖4-26給出了一個(gè)以單片微機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的原理框。該電路原理簡單，工作可靠，控制靈活。可對(duì)頻率、電壓實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算，還可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控和故障保護(hù)。 第四章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖4-26 單片機(jī)控制的