數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用(清華版.6.數(shù)控機(jī)床的電氣驅(qū)動(dòng)).ppt

2,第6章 數(shù)控機(jī)床的電氣驅(qū)動(dòng),數(shù)控機(jī)床動(dòng)力源的性能直接關(guān)系到數(shù)控機(jī)床的性能，本章主要介紹數(shù)控機(jī)床動(dòng)力源普遍使用的電動(dòng)機(jī)，包括作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)以及作為主軸驅(qū)動(dòng)的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。,3,6.1 數(shù)控機(jī)床動(dòng)力源的類型,機(jī)床的動(dòng)力源可以是氣動(dòng)、液壓或電動(dòng)的，在數(shù)控機(jī)床中多使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。機(jī)床動(dòng)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(dòng)動(dòng)力源，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，以及輔助運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源。,4,6.1.1 主軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源,驅(qū)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源必須為主軸提供能量和較高的速度，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)可以在很寬的工作范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)地提供足夠的能量和速度，因此大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而不用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。 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(shí)現(xiàn)高速主軸的無(wú)接觸支承，還致力于開(kāi)發(fā)電磁軸承。主軸最高轉(zhuǎn)速受電動(dòng)機(jī)功率、所采用的軸承以及潤(rùn)滑系統(tǒng)等幾個(gè)方面的限制。 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是最可靠、維護(hù)最簡(jiǎn)單、并且最經(jīng)濟(jì)的一種電動(dòng)機(jī)，三相交流電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向也比較容易，如果使用極對(duì)數(shù)可變的電動(dòng)機(jī)，還可以獲得350，700，1400，2800r/min等四個(gè)轉(zhuǎn)速等級(jí)。 自1984年以來(lái)，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(dòng)機(jī)的使用越來(lái)越多。在需要調(diào)速的場(chǎng)合，通常使用直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)可以在無(wú)級(jí)調(diào)速時(shí)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。,5,6.1.2 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源,在普通機(jī)床中，通常由主軸帶動(dòng)齒輪鏈驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在數(shù)控加工中，由于需要使工件或刀具按一定的進(jìn)給速度移動(dòng)精確的距離，所以進(jìn)給運(yùn)動(dòng)就不能由主軸帶動(dòng)齒輪鏈驅(qū)動(dòng)了。刀具或工件的運(yùn)動(dòng)有兩種獨(dú)立的要求： (1)在切削加工時(shí)，刀具或工件的實(shí)際位置總是要盡可能接近參考信號(hào)的位置； (2)除了加工螺紋，進(jìn)給速度不需要精確控制。 與主軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源相比，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的功率要小得多，一般1kW就足夠了。此外，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度比切削運(yùn)動(dòng)慢得多，一般工進(jìn)是5200mm/min，快進(jìn)是5m/min。,6,6.1.3 輔助運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源,通常使用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為輔助運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，這些輔助運(yùn)動(dòng)包括冷卻泵、除屑、驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)等，在這些應(yīng)用場(chǎng)合，只需要進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制。,7,6.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)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(dòng)機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)速。有的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在停機(jī)后，還可以具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一周都有固定的步數(shù)，從理論上說(shuō)不會(huì)產(chǎn)生步距誤差的累積。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)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(shí)，更容易發(fā)生失步，同時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的功率也不太大。 目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。,8,6.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為反應(yīng)式和混合式兩大類 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子帶有永久磁鋼。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)和多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是按徑向分相的，而多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是按軸向分相的，以單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用最為廣泛。 與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩體積比大，而且混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角容易做得比較小，因此在工作空間受到限制、同時(shí)又需要小步距角和大轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場(chǎng)合，常常選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 此外，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在繞組未通電時(shí)，轉(zhuǎn)子永久磁鋼能產(chǎn)生自動(dòng)定位轉(zhuǎn)矩，雖然這一轉(zhuǎn)矩比繞組通電時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小得多，但它能使斷電時(shí)轉(zhuǎn)子保持在原來(lái)的位置，這是一種非常有用的特性。對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而言，由于其轉(zhuǎn)子上沒(méi)有永久磁鋼，所以轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣量比混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量低，可以更快地加、減速。,9,6.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,圖6.1為說(shuō)明三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖。它的定子上有六個(gè)極，每極上都裝有控制繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的極組成一相。 轉(zhuǎn)子上有四個(gè)均勻分布的齒。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，因磁通總是要沿著磁阻最小的路徑閉合，使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極A、A對(duì)齊，如圖6.1(a)所示。 A相斷電，B相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將在空間轉(zhuǎn)過(guò)s角，s=30，使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子極B、B對(duì)齊，如圖6.l(b)所示。 如果再使B相斷電，C相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又將在空間轉(zhuǎn)過(guò)30 角，使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極C、C對(duì)齊，如圖6.1(c)所示。 如此循環(huán)往復(fù)，并按ABCA的順序通電，電動(dòng)機(jī)便按一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。,10,6.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)通電順序?yàn)椋篈ABBBCCCAA，或?yàn)锳ACCCBBBAA。 在這種通電方式時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角與“單三拍”時(shí)的情況有所不同，參見(jiàn)圖6.2。 當(dāng)A相繞組通電時(shí)，和單三拍運(yùn)行的情況相同，轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極A、A對(duì)齊，如圖6.2(a)所示。 當(dāng)A、B相繞組同時(shí)通電時(shí)，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(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，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(kāi)A相繞組而只有B相繞組接通電源時(shí)，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子極B、B對(duì)齊(圖6.2(c)。,11,6.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,圖6.3為小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的展開(kāi)圖。其中定子有6個(gè)極，轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒。當(dāng)A極下的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，B極和C極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)三分之一的轉(zhuǎn)子齒距。 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)上述“自動(dòng)錯(cuò)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。,12,6.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能,1. 靜態(tài)特性 所謂靜態(tài)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的狀態(tài)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)態(tài)特性 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)總是在電氣和機(jī)械過(guò)渡過(guò)程中進(jìn)行的，因此對(duì)它的動(dòng)態(tài)特性有很高的要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)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。,13,6.2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)電源主要有三種類型：高低壓雙電源型、恒流斬波型和調(diào)頻調(diào)壓型。這三種類型的驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)不同的方式來(lái)改善電動(dòng)機(jī)繞組電流波形。 1. 高低壓雙電源型 高低壓雙電源型脈沖功率放大器的特點(diǎn)是：開(kāi)始時(shí)先接通高壓，以保證電動(dòng)機(jī)繞組中有較大的沖擊電流流過(guò)。然后再截?cái)喔邏?，由低壓供電，以保證電動(dòng)機(jī)繞組中穩(wěn)態(tài)電流等于額定值，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是“高壓建流，低壓定流”。 2. 恒流斬波 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，定子齒和轉(zhuǎn)子齒相對(duì)位置不斷發(fā)生變化，因而在繞組中產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，這將導(dǎo)致繞組電流波形的頂部下凹。如圖6.12所示。 3. 調(diào)頻調(diào)壓型 如果能設(shè)法使繞組的供電電壓隨著運(yùn)行頻率的升高而一起升高，以維持繞組在不同頻率的導(dǎo)電周期內(nèi)電流平均值基本相同，這樣也可以達(dá)到在高頻運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩不明顯下降的目的。 4. 三種脈沖功率放大器的比較 “高低壓雙電源型”脈沖功率放大器是一種最基本的驅(qū)動(dòng)放大器，其電路比較簡(jiǎn)單，成本低。 采用“恒流斬波型”脈沖功率放大器是為了解決電動(dòng)機(jī)繞組電流頂部凹陷的問(wèn)題。在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率較低時(shí)，“恒流斬波型”脈沖功率放大器的應(yīng)用效果是很好的，但是在電動(dòng)機(jī)以較高的頻率運(yùn)行時(shí)，它的應(yīng)用效果將變差。 “調(diào)頻調(diào)壓型”脈沖功率放大器通過(guò)“低頻低壓，高頻高壓”的辦法來(lái)同時(shí)兼顧電動(dòng)機(jī)在高、低運(yùn)動(dòng)頻率時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組電壓的要求，這種脈沖功率放大器，有效地提高了電動(dòng)機(jī)在以較高頻率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩。,14,6.2.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(yùn)行速度越低。故應(yīng)兼顧精度與速度的要求來(lái)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(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角從理論上說(shuō)是固定的，但實(shí)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(dòng)機(jī)的定位誤差。我們應(yīng)將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差、負(fù)載引起的定位誤差和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差全部考慮在內(nèi)，使總的誤差小于數(shù)控機(jī)床允許的定位誤差。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有兩條重要的特性曲線，即反映起動(dòng)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(yùn)行頻率之間關(guān)系的曲線。這兩條曲線是選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的重要依據(jù)。一般將反映起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的曲線稱為起動(dòng)矩頻特性，將反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間關(guān)系的曲線稱為工作矩頻特性。,15,6.3 進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī),6.3.1 進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載計(jì)算 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)是根據(jù)負(fù)載條件來(lái)進(jìn)行選擇的。加在電動(dòng)機(jī)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(jì)算 加到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩通常由下述方程式計(jì)算： 2. 進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)慣量+負(fù)載慣量)，即Ma=aJ。 (2) 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪傳至滾珠絲杠(或其他末端傳動(dòng)元件)帶動(dòng)工作臺(tái)和工件作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)物體起、制動(dòng)時(shí)(作加、減速運(yùn)動(dòng))，齒輪與齒輪接觸面換向，這時(shí)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。,16,6.3.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與工作原理,永磁式寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)除了具有一般電動(dòng)機(jī)的性能之外，還具有以下的特點(diǎn)： (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(zhǎng)的過(guò)載工作時(shí)間； (3) 低速高轉(zhuǎn)矩特性和大慣量結(jié)構(gòu)，使其可以與機(jī)床進(jìn)給絲杠直接連接； (4) 一般沒(méi)有換相極和補(bǔ)償繞組，通過(guò)仔細(xì)選擇電刷材料和精心設(shè)計(jì)磁場(chǎng)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(jí)高，從而保證電動(dòng)機(jī)在反復(fù)過(guò)載的情況下仍有較長(zhǎng)的壽命； (6) 在電動(dòng)機(jī)軸上裝有精密的速度和位置檢測(cè)元器件，可以得到精密的速度和位置檢測(cè)信號(hào)，因此可以實(shí)現(xiàn)速度和位置的閉環(huán)控制。,17,6.3.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與工作原理,1. 直流PWM調(diào)速的基本原理 利用大功率晶體管(簡(jiǎn)稱GTR)作為斬波器，其電源為直流固定電壓，開(kāi)關(guān)頻率也為常值，根據(jù)控制信號(hào)的大小來(lái)改變每一周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”的時(shí)間長(zhǎng)短，即改變“接通”脈寬，使直流電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變其平均電壓，完成電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，這就是直流PWM調(diào)速的基本原理。 如圖6.14所示，直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓u(t)是一串方波脈沖。 2. CNC系統(tǒng)與速度控制單元的聯(lián)系信號(hào) (1)位置環(huán)準(zhǔn)備好信號(hào)PRDY。 (2)速度控制單元準(zhǔn)備好信號(hào)VRDY。 (3)使能信號(hào)ENBL。 3. 速度控制單元的組成及其功用 圖6.15為直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制單元電氣回路組成框圖。由圖可見(jiàn)，速度控制單元由以下幾部分組成： (1)速度調(diào)節(jié)器 (2)電流調(diào)節(jié)器 (3)PWM調(diào)制器 (4)驅(qū)動(dòng)電路 (5)晶體管直流斬波器 (6)直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度檢測(cè)元件,18,6.3.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)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(shí)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(duì)應(yīng))。 圖6.16是倍頻式脈寬調(diào)制器的組成原理示意圖。,19,6.3.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選用,圖6.18是FB-15型直流伺服電動(dòng)機(jī)的“轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速”特性曲線。 選用直流伺服電動(dòng)機(jī)的原則主要有下面四條： (1)當(dāng)機(jī)床在無(wú)切削運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動(dòng)機(jī)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(shí)間)應(yīng)在電動(dòng)機(jī)的載荷特性所規(guī)定的范圍內(nèi)。 (3)在加減速時(shí)，應(yīng)當(dāng)工作在加減速工作區(qū)內(nèi)。在加減速時(shí)，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(shí)間。 (4)負(fù)載慣量對(duì)電動(dòng)機(jī)靈敏度和快速移動(dòng)時(shí)間有很大影響，一般來(lái)說(shuō)，負(fù)載慣量必須不大于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的三倍。,20,6.3.4 交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與工作原理,1. 交流進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和類型 交流進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖6.19所示。定子上放置了三相對(duì)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(dòng)機(jī)。 2. 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其速度控制單元 (1)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(kāi)關(guān)相連接，如圖6.20所示。 (2)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器：轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，大致可分為： 光電式。 電磁式。 接近開(kāi)關(guān)。 (3)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式及其速度控制單元,21,6.4 數(shù)控機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī),前幾節(jié)主要介紹了數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的一般問(wèn)題，也介紹了用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的直流和交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理與結(jié)構(gòu)。主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)相比有相當(dāng)大的差別，但就主軸驅(qū)動(dòng)的速度控制系統(tǒng)而言，無(wú)論交流調(diào)速或是直流調(diào)速，與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并無(wú)實(shí)質(zhì)的差別。所以本節(jié)不再詳細(xì)敘述主軸直流或交流調(diào)速系統(tǒng)的問(wèn)題，而僅就主軸驅(qū)動(dòng)的特殊問(wèn)題加以說(shuō)明。,22,6.4.1 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的特殊問(wèn)題,主軸控制涉及數(shù)控機(jī)床的G、S、M、T控制功能，故對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)提出了以下兩項(xiàng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)有2.5250kW的功率范圍，因此，對(duì)功率驅(qū)動(dòng)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(1001000)范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，110的恒功率調(diào)速，并能實(shí)現(xiàn)四象限驅(qū)動(dòng)功能。 為了滿足上述數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求，主軸電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備以下性能： (1)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)要??； (3)加速、減速時(shí)間短； (4)溫升低、噪聲小、振動(dòng)小、可靠性高、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)、體積小、重量輕； (5)電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)。,23,6.4.1 數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的特殊問(wèn)題,有的主軸電動(dòng)機(jī)軸上還裝有測(cè)速發(fā)電機(jī)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(cè)元件。 1. 主軸定向準(zhǔn)?？刂?對(duì)于某些機(jī)床，為了換刀時(shí)使機(jī)械手對(duì)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(diǎn)與退刀點(diǎn)。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(lái)越多。加工螺紋時(shí)，應(yīng)使帶動(dòng)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(shí)，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(diǎn)的線速度為恒值。,24,6.4.2 直流主軸電動(dòng)機(jī)及其控制單元簡(jiǎn)介,直流主軸電動(dòng)機(jī)為它勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)，其功率一般較大(相對(duì)于進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)而言)，運(yùn)行速度可以高于額定轉(zhuǎn)速。 直流主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式較為復(fù)雜，一般在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，保持勵(lì)磁繞組中勵(lì)磁電流為額定值，通過(guò)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(shí)，則應(yīng)保持電樞端電壓不變(為額定值)，通過(guò)改變勵(lì)磁繞組中的勵(lì)磁電流的辦法調(diào)速。 直流主軸電動(dòng)機(jī)與直流進(jìn)給電動(dòng)機(jī)一樣，都存在著換向的問(wèn)題，換向是借助于換向器和電刷來(lái)完成的。 直流主軸電動(dòng)機(jī)的換向極位于主磁極之間，正對(duì)著電刷的位置，設(shè)置換向極的目的是使其產(chǎn)生一個(gè)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。,25,6.4.3 交流主軸電動(dòng)機(jī)及其控制單元簡(jiǎn)介,交流主軸電動(dòng)機(jī)是一種具有籠式轉(zhuǎn)子的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，也稱為三相異步電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)基于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電路中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。它與同步電動(dòng)機(jī)不同，其轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速(旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速)間存在一定的差異(即所謂異步)，這是它產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的必要條件。 交流主軸電動(dòng)機(jī)的定子上對(duì)稱放置了三相繞組，若使這三相繞組中分別流過(guò)相位互差120 的三相正弦電流，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)。 對(duì)于交流主軸電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，只有定子電流能被直接控制，可以認(rèn)為定子電流中包含了兩個(gè)分量，其中的一個(gè)分量類似于直流主軸電動(dòng)機(jī)中的電樞電流，另一個(gè)分量類似于勵(lì)磁電流。若能把這兩個(gè)分量分解開(kāi)來(lái)，分別進(jìn)行控制，則可以實(shí)現(xiàn)交流主軸電動(dòng)機(jī)的高精度和高性能的控制。 軸電動(dòng)機(jī)控制單元的控制規(guī)律是很復(fù)雜的，為了了解其工作原理，必須從矢量變換的基本理論入手。如有需要，讀者可參閱專門書籍。,26,6.5 習(xí) 題,(1) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有什么優(yōu)缺點(diǎn)？它適用于什么場(chǎng)合？ (2) 簡(jiǎn)述反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。 (3