數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用清華版6數(shù)控機床的電氣驅(qū)動課件

第6章數(shù)控機床的電氣驅(qū)動數(shù)控機床動力源的性能直接關(guān)系到數(shù)控機床的性能，本章主要介紹數(shù)控機床動力源普遍使用的電動機，包括作為進(jìn)給驅(qū)動的步進(jìn)電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機以及作為主軸驅(qū)動的交流感應(yīng)電動機。16.1數(shù)控機床動力源的類型機床的動力源可以是氣動、液壓或電動的，在數(shù)控機床中多使用電動機作為動力源。機床動力源根據(jù)用途可分為三種類型：提供切削速度的主軸驅(qū)動動力源，進(jìn)給驅(qū)動動力源，以及輔助運動驅(qū)動動力源。26.1.1主軸驅(qū)動動力源驅(qū)動主運動的動力源必須為主軸提供能量和較高的速度，因為電動機可以在很寬的工作范圍內(nèi)經(jīng)濟地提供足夠的能量和速度，因此大部分?jǐn)?shù)控機床的主運動由電動機驅(qū)動，而不用液壓馬達(dá)驅(qū)動。在20世紀(jì)80年代末期，已經(jīng)出現(xiàn)了主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)20000r/min的車床，在這么高的轉(zhuǎn)速下，主軸軸承采用特殊的陶瓷軸承。為了實現(xiàn)高速主軸的無接觸支承，還致力于開發(fā)電磁軸承。主軸最高轉(zhuǎn)速受電動機功率、所采用的軸承以及潤滑系統(tǒng)等幾個方面的限制。交流感應(yīng)電動機是最可靠、維護(hù)最簡單、并且最經(jīng)濟的一種電動機，三相交流電動機改變轉(zhuǎn)向也比較容易，如果使用極對數(shù)可變的電動機，還可以獲得350，700，1400，2800r/min等四個轉(zhuǎn)速等級。自1984年以來，由于變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速交流感應(yīng)電動機的使用越來越多。在需要調(diào)速的場合，通常使用直流電動機。直流電動機可以在無級調(diào)速時輸出足夠的功率。為了將交流電轉(zhuǎn)換成直流電并且獲得所需的速度，使用晶閘管進(jìn)行可控整流。36.1.3輔助運動驅(qū)動動力源通常使用交流感應(yīng)電動機作為輔助運動驅(qū)動動力源，這些輔助運動包括冷卻泵、除屑、驅(qū)動液壓馬達(dá)等，在這些應(yīng)用場合，只需要進(jìn)行開/關(guān)控制。56.2步進(jìn)電動機步進(jìn)電動機是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的電動機。步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)動的角位移量和轉(zhuǎn)速分別與電脈沖數(shù)和電脈沖頻率成正比。通過調(diào)節(jié)電脈沖數(shù)和電脈沖頻率，就可以控制步進(jìn)電動機的角位移和轉(zhuǎn)速。有的步進(jìn)電動機在停機后，還可以具有自鎖能力。步進(jìn)電動機每轉(zhuǎn)過一周都有固定的步數(shù)，從理論上說不會產(chǎn)生步距誤差的累積。步進(jìn)電動機的最大缺點是容易失步(失步包括丟步和越步。丟步是指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)小于電脈沖數(shù)；越步是指轉(zhuǎn)子前進(jìn)的步數(shù)多于電脈沖數(shù))，特別是在大負(fù)載和轉(zhuǎn)速較高時，更容易發(fā)生失步，同時步進(jìn)電動機輸出的功率也不太大。目前，步進(jìn)電動機主要用于經(jīng)濟型數(shù)控機床的進(jìn)給驅(qū)動。66.2.1步進(jìn)電動機的分類步進(jìn)電動機分為反應(yīng)式和混合式兩大類反應(yīng)式步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)子是由一般鐵磁性材料制作的，而混合式步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)子帶有永久磁鋼。反應(yīng)式步進(jìn)電動機又稱磁阻式步進(jìn)電動機，根據(jù)不同的分相結(jié)構(gòu)形式，又分為單段反應(yīng)式步進(jìn)電動機和多段反應(yīng)式步進(jìn)電動機。單段反應(yīng)式步進(jìn)電動機是按徑向分相的，而多段反應(yīng)式步進(jìn)電動機是按軸向分相的，以單段反應(yīng)式步進(jìn)電動機的使用最為廣泛。與反應(yīng)式步進(jìn)電動機相比，混合式步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)矩體積比大，而且混合式步進(jìn)電動機的步距角容易做得比較小，因此在工作空間受到限制、同時又需要小步距角和大轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場合，常常選用混合式步進(jìn)電動機。此外，混合式步進(jìn)電動機在繞組未通電時，轉(zhuǎn)子永久磁鋼能產(chǎn)生自動定位轉(zhuǎn)矩，雖然這一轉(zhuǎn)矩比繞組通電時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小得多，但它能使斷電時轉(zhuǎn)子保持在原來的位置，這是一種非常有用的特性。對于反應(yīng)式步進(jìn)電動機而言，由于其轉(zhuǎn)子上沒有永久磁鋼，所以轉(zhuǎn)子的機械慣量比混合式步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)子慣量低，可以更快地加、減速。76.2.2步進(jìn)電動機的工作原理三相步進(jìn)電動機除了單三拍通電方式外，還經(jīng)常工作在三相單、雙六拍通電方式。這時通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A，或為A→AC→C→CB→B→BA→A。在這種通電方式時，步進(jìn)電動機的步距角與“單三拍”時的情況有所不同，參見圖6.2。當(dāng)A相繞組通電時，和單三拍運行的情況相同，轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極A、A′對齊，如圖6.2(a)所示。當(dāng)A、B相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子齒2、4又將在定子極B、B′的吸引下，使轉(zhuǎn)子沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，直至轉(zhuǎn)子齒1、3和定子A、A′之間的作用力被轉(zhuǎn)子齒2、4和定子極B、B′之間的作用力所平衡為止(圖6.2(b))。當(dāng)斷開A相繞組而只有B相繞組接通電源時，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)沿逆時針方向轉(zhuǎn)過一個角度使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子極B、B′對齊(圖6.2(c))。96.2.2步進(jìn)電動機的工作原理圖6.3為小步距角步進(jìn)電動機的展開圖。其中定子有6個極，轉(zhuǎn)子有40個齒。當(dāng)A極下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，B極和C極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的轉(zhuǎn)子齒距。反應(yīng)式步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)zr基本上由步距角的要求所決定。但是為了能實現(xiàn)上述“自動錯位”，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)就必須滿足一定條件，而不能為任意數(shù)值。106.2.3步進(jìn)電動機的運行性能1.靜態(tài)特性所謂靜態(tài)是指步進(jìn)電動機不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動時的狀態(tài)。步進(jìn)電動機的靜態(tài)特性主要指靜態(tài)矩角特性和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性。2.動態(tài)特性步進(jìn)電動機運行時總是在電氣和機械過渡過程中進(jìn)行的，因此對它的動態(tài)特性有很高的要求，步進(jìn)電動機的動態(tài)特性將直接影響到系統(tǒng)的快速響應(yīng)及工作的可靠性。116.2.5步進(jìn)電動機的選用首先，應(yīng)考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當(dāng)量小。但是脈沖當(dāng)量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。故應(yīng)兼顧精度與速度的要求來選定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。在脈沖當(dāng)量確定以后，又可以此為依據(jù)來選擇步進(jìn)電動機的步距角和傳動機構(gòu)的傳動比。步進(jìn)電動機的步距角從理論上說是固定的，但實際上還是有誤差的。另外，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也將引起步進(jìn)電動機的定位誤差。我們應(yīng)將步進(jìn)電動機的步距誤差、負(fù)載引起的定位誤差和傳動機構(gòu)的誤差全部考慮在內(nèi)，使總的誤差小于數(shù)控機床允許的定位誤差。步進(jìn)電動機有兩條重要的特性曲線，即反映起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的曲線和反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間關(guān)系的曲線。這兩條曲線是選用步進(jìn)電動機的重要依據(jù)。一般將反映起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的曲線稱為起動矩頻特性，將反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間關(guān)系的曲線稱為工作矩頻特性。136.3進(jìn)給伺服電動機6.3.1進(jìn)給伺服電動機的負(fù)載計算數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電動機是根據(jù)負(fù)載條件來進(jìn)行選擇的。加在電動機軸上的負(fù)載有兩種：負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括切削轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩。1.負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算加到電動機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩通常由下述方程式計算：2.進(jìn)給伺服電動機慣量與負(fù)載慣量的匹配(1) 加速轉(zhuǎn)矩Ma等于加速度a乘以總慣量J(電動機慣量+負(fù)載慣量)，即Ma=aJ。(2) 數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服電動機通過齒輪傳至滾珠絲杠(或其他末端傳動元件)帶動工作臺和工件作往復(fù)直線運動，當(dāng)物體起、制動時(作加、減速運動)，齒輪與齒輪接觸面換向，這時加到各齒輪軸上的轉(zhuǎn)矩為加速轉(zhuǎn)矩，也可稱為慣量轉(zhuǎn)矩。146.3.2直流伺服電動機的特點與工作原理永磁式寬調(diào)速直流電動機除了具有一般電動機的性能之外，還具有以下的特點：(1) 高性能的鐵氧體具有大的矯頑力和足夠的厚度，能夠承受高的峰值電流，以滿足快的加減速要求；(2) 大慣量結(jié)構(gòu)使其具有大的熱容量，可以允許較長的過載工作時間；(3) 低速高轉(zhuǎn)矩特性和大慣量結(jié)構(gòu)，使其可以與機床進(jìn)給絲杠直接連接；(4) 一般沒有換相極和補償繞組，通過仔細(xì)選擇電刷材料和精心設(shè)計磁場分布，可以使其在較大的加速度下仍具有良好的換相性能；(5) 絕緣等級高，從而保證電動機在反復(fù)過載的情況下仍有較長的壽命；(6) 在電動機軸上裝有精密的速度和位置檢測元器件，可以得到精密的速度和位置檢測信號，因此可以實現(xiàn)速度和位置的閉環(huán)控制。156.3.2直流伺服電動機的特點與工作原理4.晶體管直流斬波器直流PWM速度控制單元的主回路就是大功率晶體管直流斬波器，它的作用是將圖6.14中的直流電源電壓Um變成寬度可調(diào)的方波脈沖，然后施加到電動機電樞兩端。5.脈沖寬度調(diào)制器脈沖寬度調(diào)制器是產(chǎn)生PWM脈沖的環(huán)節(jié)，它產(chǎn)生的PWM脈沖經(jīng)驅(qū)動電路放大后，驅(qū)動主回路(晶體管斬波器)中的大功率晶體管。這里介紹一種在實際的速度控制單元中經(jīng)常采用的倍頻式脈寬調(diào)制器(與前述的倍頻式晶體管斬波器相對應(yīng))。圖6.16是倍頻式脈寬調(diào)制器的組成原理示意圖。176.3.3直流伺服電動機的選用圖6.18是FB-15型直流伺服電動機的“轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速”特性曲線。選用直流伺服電動機的原則主要有下面四條：(1)當(dāng)機床在無切削運行時，在整個速度范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以內(nèi)。(2)最大切削轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)設(shè)定(工作載荷百分比和工作時間)應(yīng)在電動機的載荷特性所規(guī)定的范圍內(nèi)。(3)在加減速時，應(yīng)當(dāng)工作在加減速工作區(qū)內(nèi)。在加減速時，總的轉(zhuǎn)矩為負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩之和，慣性轉(zhuǎn)矩的大小取決于加速度的大小和負(fù)載慣量的大小，而加速度的大小又取決于希望的加速時間。(4)負(fù)載慣量對電動機靈敏度和快速移動時間有很大影響，一般來說，負(fù)載慣量必須不大于電動機轉(zhuǎn)子慣量的三倍。186.3.4交流伺服電動機的特點與工作原理1.交流進(jìn)給伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)和類型交流進(jìn)給伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)如圖6.19所示。定子上放置了三相對稱繞組，而轉(zhuǎn)子則是永磁體，一般采用稀土磁鋼制成，故稱為稀土永磁電動機。2.無刷直流電動機及其速度控制單元(1)無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)各相繞組分別與電子換向器電路中的晶體管開關(guān)相連接，如圖6.20所示。(2)轉(zhuǎn)子位置檢測器：轉(zhuǎn)子位置檢測器有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，大致可分為：① 光電式。② 電磁式。③ 接近開關(guān)。(3)無刷直流電動機的調(diào)速方式及其速度控制單元196.4.1數(shù)控機床主軸驅(qū)動的特殊問題主軸控制涉及數(shù)控機床的G、S、M、T控制功能，故對主軸電動機提出了以下兩項要求。主軸應(yīng)輸出大功率。為了滿足生產(chǎn)率的要求，通常主傳動電動機應(yīng)有2.5~250kW的功率范圍，因此，對功率驅(qū)動電路提出了更高的要求。調(diào)速范圍要足夠大。一般要求能在l∶(100~1000)范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，1∶10的恒功率調(diào)速，并能實現(xiàn)四象限驅(qū)動功能。為了滿足上述數(shù)控機床對主軸驅(qū)動的要求，主軸電動機應(yīng)具備以下性能：(1)電動機功率要大，且在大的調(diào)速范圍內(nèi)速度要穩(wěn)定，恒功率調(diào)速范圍寬；(2)在斷續(xù)負(fù)載下電動機轉(zhuǎn)速波動要小；(3)加速、減速時間短；(4)溫升低、噪聲小、振動小、可靠性高、壽命長、易維護(hù)、體積小、重量輕；(5)電動機過載能力強。216.4.1數(shù)控機床主軸驅(qū)動的特殊問題有的主軸電動機軸上還裝有測速發(fā)電機或光電脈沖發(fā)生器、脈沖編碼器等作為轉(zhuǎn)速和主軸位置的檢測元件。1.主軸定向準(zhǔn)?？刂茖τ谀承C床，為了換刀時使機械手對準(zhǔn)抓刀槽，主軸必須停在固定的徑向位置。在固定切削循環(huán)中，有的要求刀具必須在某一徑向位置才能退出，這就要求主軸能準(zhǔn)確地停在某一固定位置上，這就是主軸定向準(zhǔn)停功能。2.主軸的旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步控制在螺紋加工中，為保證切削螺紋的螺距，必須有固定的起刀點與退刀點。螺紋螺距多數(shù)為常數(shù)，但螺距為有規(guī)律的遞增或遞減的變螺距螺紋的使用也越來越多。加工螺紋時，應(yīng)使帶動工件旋轉(zhuǎn)的主軸轉(zhuǎn)數(shù)與坐標(biāo)軸的進(jìn)給量保持一定的關(guān)系，即主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，按所要求的螺距沿工件的軸向坐標(biāo)進(jìn)給相應(yīng)的脈沖量。3.恒線速切削控制利用車床和磨床進(jìn)行端面切削時，為了保證加工端面的粗糙度R0小于某一值，要求工件與刀尖的接觸點的線速度為恒值。226.4.2直流主軸電動機及其控制單元簡介直流主軸電動機為它勵式直流電動機，其功率一般較大(相對于進(jìn)給伺服電動機而言)，運行速度可以高于額定轉(zhuǎn)速。直流主軸電動機的調(diào)速控制方式較為復(fù)雜，一般在額定轉(zhuǎn)速以下時，保持勵磁繞組中勵磁電流為額定值，通過改變電樞繞組的端電壓的辦法調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上時，則應(yīng)保持電樞端電壓不變(為額定值)，通過改變勵磁繞組中的勵磁電流的辦法調(diào)速。直流主軸電動機與直流進(jìn)給電動機一樣，都存在著換向的問題，換向是借助于換向器和電刷來完成的。直流主軸電動機的換向極位于主磁極之間，正對著電刷的位置，設(shè)置換向極的目的是使其產(chǎn)生一個磁通，該磁通一方面要和電樞反應(yīng)在該處引起的磁通極性相反，另一方面還要使該磁通增加到足以抵消自、互感抗電壓。換向極繞組是和電樞電路串聯(lián)的。236.5習(xí)題(1) 步進(jìn)電動機有什么優(yōu)缺點？它適用于什么場合？(2) 簡述反應(yīng)式步進(jìn)電動機的工作原理。(3) 步進(jìn)電動機的步距角和轉(zhuǎn)速是由什么參數(shù)決定的？(4) 試說明以下有關(guān)步進(jìn)電動機的名詞意義： 靜態(tài)矩角特性；最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩；動態(tài)矩頻特性；起動頻率；連續(xù)工作頻率。(5) 步進(jìn)電動機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的步距角有時為兩個數(shù)，如1.5o/3o，這是什么意思？(6) 如果一臺步進(jìn)電動機的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量變大，試問它的起動頻率有何變化？(7) 試問步進(jìn)電動機的連續(xù)工作頻率和它的負(fù)載轉(zhuǎn)矩有怎樣的關(guān)系？為什么？(8) 一臺五相十拍運行的步進(jìn)電動機，轉(zhuǎn)子齒數(shù)