伺服系統(tǒng)應(yīng)用案例

1、伺服系統(tǒng)應(yīng)用案例主軸電機(jī)與伺服電機(jī)有什么區(qū)別？答:數(shù)控機(jī)床用電機(jī)主要有兩種電機(jī):進(jìn)給伺服電機(jī)和主軸電機(jī)。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服電機(jī)的要求主要為:(1)機(jī)械特性:要求伺服電機(jī)的速降小、剛度大;(2)快速響應(yīng)的要求:這在輪廓加工，特別對(duì)曲率大的加工對(duì)象進(jìn)行高速加工時(shí)要求較嚴(yán)格;(3)調(diào)速范圍:這可以使數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì);適應(yīng)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(guò)載轉(zhuǎn)矩。機(jī)床進(jìn)給機(jī)械負(fù)載的性質(zhì)主要是克服工作臺(tái)的摩擦力和切削的阻力，因此主要是”恒轉(zhuǎn)矩”的性質(zhì)。對(duì)主軸電機(jī)的要求主要為:(1)足夠的輸出功率，數(shù)控機(jī)床的主軸負(fù)載性質(zhì)近似于”恒功率”，也就是當(dāng)機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速

2、高時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩較小;主軸轉(zhuǎn)速低時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩大;即要求主軸驅(qū)動(dòng)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(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì);適應(yīng)于各種不同的加工工藝，要求主軸電機(jī)具有一定的調(diào)速范圍。但對(duì)主軸的要求比進(jìn)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(dòng)裝置有時(shí)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(jī)和主軸電機(jī)的輸出指標(biāo)不同，伺服電機(jī)以轉(zhuǎn)矩(N.m)，主軸以功率(kW)為指標(biāo)？答:一般說(shuō)來(lái)，伺服電機(jī)和主軸電機(jī)在數(shù)控機(jī)床里作用不同，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)，工作臺(tái)的負(fù)載阻尼為折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩，所以伺服電機(jī)以轉(zhuǎn)矩

3、(N.m) 為指標(biāo)。主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的主軸，它的負(fù)載必需滿足機(jī)床的功率，所以主軸電機(jī)以功率(kW)為指標(biāo)。這是習(xí)慣的叫法。其實(shí)，通過(guò)力學(xué)公式的換算，這兩個(gè)指標(biāo)可以進(jìn)行互算。伺服電機(jī)的特性曲線是怎么樣？曲線上哪些是典型的參數(shù)點(diǎn)？答:圖1為伺服電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子在其所有角位堵住時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的最小測(cè)得值。以FANUC 的伺服電機(jī)為例，以上特性曲線是對(duì)應(yīng)電機(jī)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(fù)，因此，特性曲線上的值要降低。對(duì)于大于20的情況，每升高1曲線上的值對(duì)FANUC的i大約降低0.19% ,對(duì)is大約為0.11%;建議選擇70%的電機(jī)額定值作為負(fù)載滿負(fù)荷。伺服電機(jī)從額定堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩到高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(jī)繞組的散熱變壞和機(jī)械部分發(fā)熱引起的。高速時(shí)，電機(jī)溫升變大，因此，正確使用伺服電機(jī)前一定要對(duì)電機(jī)的負(fù)載進(jìn)行驗(yàn)算。 圖1 伺服電機(jī)特性 如何驗(yàn)算伺服電機(jī)的負(fù)載？答:一般伺服電機(jī)有兩種負(fù)載:阻尼負(fù)載和慣性負(fù)載;驗(yàn)算的結(jié)果要使電機(jī)輸出軸的阻尼負(fù)載轉(zhuǎn)矩不超過(guò)特性曲

5、線允許的范圍;驗(yàn)算慣性負(fù)載主要是計(jì)算電機(jī)軸上的慣量，然后計(jì)算是否滿足加、減速時(shí)間的要求。使用FANUC的交流伺服電機(jī)，對(duì)負(fù)載慣量有什么要求？答:負(fù)載慣量很大地影響伺服電機(jī)的控制能力和快速加減速時(shí)間。因此，正確選擇負(fù)載慣 量的大小十分重要。對(duì)于FANUC的、i、is系列的伺服電機(jī)，如果折合到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量等于或小于電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣量，工作不會(huì)發(fā)生問(wèn)題。一般穩(wěn)定正常工作要求折合到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量小于電機(jī)轉(zhuǎn)子的3倍。如果生產(chǎn)機(jī)械折合到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量大于電機(jī)轉(zhuǎn)子的3-5倍時(shí)，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(fù)載工作。需要時(shí)聯(lián)系FANUC的技術(shù)人員解決。FANUC伺服

6、電機(jī)的防護(hù)是什么等級(jí)？答:FANUC伺服電機(jī)的防護(hù)等級(jí)如表1、表2: 表1 FANUC伺服電機(jī)的防護(hù)等級(jí) 表2 FANUC的主軸電機(jī)防護(hù)等級(jí) 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(duì)于防護(hù)等級(jí)所包含的意義在防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)里都有明確的數(shù)據(jù)規(guī)定。機(jī)床設(shè)計(jì)師除了應(yīng)該選擇合理的防護(hù)等級(jí)外，還應(yīng)該在設(shè)計(jì)中考慮如何更好地保護(hù)伺服電機(jī)。使伺服電機(jī)盡量不在惡劣環(huán)境下工作。FANUC伺服電機(jī)is與is有什么區(qū)別？答:除電機(jī)的參數(shù)不同外，is和電機(jī)的編碼器為1000,000/rev;而伺服電機(jī)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(jī)是否可用于模

7、具加工？答:不同精度的模具對(duì)加工精度的要求也不同，對(duì)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(jī)、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(duì)中、高檔的模具加工最好選擇is的伺服 電機(jī)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(duì)立式加工中心，當(dāng)伺服急?；驁?bào)警時(shí)，伺服單元的主接觸器MCC斷電，由于伺服電機(jī)的制動(dòng)有滯后，機(jī)床的主軸箱就會(huì)下滑，甚至損壞工具或工件，如何克服這個(gè)缺陷？答: FANUC的數(shù)控系統(tǒng)，有一個(gè)”制動(dòng)器控制功能 ”，可以在一定的范圍內(nèi)延時(shí)控制MCC斷電的時(shí)間，另外，還可以延時(shí)急停起作用時(shí)間;設(shè)一般制

8、動(dòng)器動(dòng)作的時(shí)間為t1，選擇MCC動(dòng)作時(shí)間t2大于t1，急 停起作用時(shí)間為t3，t3> t2，就可以達(dá)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(jī)時(shí)與負(fù)載的工作制有什么關(guān)系？答:工作制表明電機(jī)在不同負(fù)載下的允許循環(huán)時(shí)間。電動(dòng)機(jī)工作制為:S1S10;其中:(1)S1工作制:連續(xù)工作制，保持在恒定負(fù)載下運(yùn)行至熱穩(wěn)定狀態(tài);簡(jiǎn)稱為S1;(2)S2工作制:短時(shí)工作制，本工作制簡(jiǎn)稱為S2，隨后應(yīng)標(biāo)以持續(xù)工作時(shí)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(yùn)行，每一周期包括一段恒定負(fù)載運(yùn)行

9、時(shí)間和一段停機(jī)、斷能時(shí)間。本工作制簡(jiǎn)稱為S3，隨后應(yīng)標(biāo)以負(fù)載持續(xù)率，如S3 25%;(4)S4工作制:包括起動(dòng)的斷續(xù)周期工作制。本工作制簡(jiǎn)稱為S4，隨后應(yīng)標(biāo)以負(fù)載持續(xù)率以及折算到電機(jī)軸上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM、負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的斷續(xù)周期工作制。本工作制簡(jiǎn)稱為S5，隨后應(yīng)標(biāo)以負(fù)載持續(xù)率以及折算到電機(jī)軸上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM、負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)載運(yùn)行時(shí)間和一段空載運(yùn)

10、行時(shí)間，無(wú)停機(jī)、斷能時(shí)間。本工作制簡(jiǎn)稱為S6，隨后應(yīng)標(biāo)以負(fù)載持續(xù)率，如S6 40%;(7)其他還有:S7工作制:包括電制動(dòng)的連續(xù)周期工作制;S8工作制:包括負(fù)載-轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化的連續(xù)周期工作制;S9工作制:負(fù)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(fù)載工作制。電機(jī)可以運(yùn)行直至熱穩(wěn)定，并認(rèn)為與S3S10工作制中的某一工作制等效。FANUC伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，用手摸會(huì)感覺很熱，是否正常？答:伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后有一定的溫升，這是正常的。它的溫升主要由電 機(jī)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(jí)規(guī)定。比如，伺服電機(jī)i、is的絕緣等級(jí)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(jī)的外殼當(dāng)然會(huì)有熱度。FANUC的主軸電機(jī) 、p有什么區(qū)別？答: 和p主軸電機(jī)間的差別是p的主軸電機(jī)具有較大的”恒功率”范圍，同樣大小尺寸的 和p主軸電機(jī)， 的輸出功率比p的主軸電機(jī)大。也就是說(shuō)，p的主軸電機(jī)是采用降低電機(jī)的功率而擴(kuò)大了輸出功率范圍。如何檢查伺服電機(jī)的絕緣電阻？答:當(dāng)進(jìn)貨檢查或發(fā)現(xiàn)電機(jī)有不祥征兆需要測(cè)量電機(jī)繞組的絕緣電阻時(shí)，用500V的電阻表進(jìn)行測(cè)量。繞組對(duì)電機(jī) 外殼的絕緣電阻應(yīng)該大于或者等于100M，電機(jī)絕緣正常。小于1 M時(shí)，不能使用。在10-100 M間，可以應(yīng)用，但要定時(shí)檢測(cè);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(jī)床(用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)0i-A控制)的重復(fù)定位精度時(shí)，讓機(jī)床的一個(gè)軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)多次，觀察診斷參數(shù)#300(伺服誤差)，每次定位時(shí)其數(shù)值都不同，有時(shí)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(shí)際移動(dòng)距離之差。這個(gè)參數(shù)與很多因數(shù)有關(guān)。高精度機(jī)床在測(cè)重復(fù)定位精度時(shí)，#300數(shù)值大約 在 2+2之間，視負(fù)載、機(jī)床導(dǎo)軌情況會(huì)有些變化。如果它變化不定，可以增大位置增益，或者改變機(jī)床的潤(rùn)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(guò)三相380V/200V變壓器輸入。在我國(guó)，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(jì)算所需電源容量可按照下面公式計(jì)算:設(shè)所需電源容量為A(kVA)，計(jì)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(shí)的電源容量為D(kVA);主軸電機(jī)連續(xù)額定輸出為E(kW)，伺服電機(jī)連續(xù)額定輸出為F(kW);首先計(jì)算所需的PSM模塊額定容量B;然后計(jì)算A。B1.15×E0.6×F 那么:A(B/C)×D例:

14、系統(tǒng)選擇主軸電機(jī)為12/10000i電機(jī)，連續(xù)額定輸出為11 kW;伺服電機(jī)為3臺(tái)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(shí)的電源容量為17(kVA);那么: A(B/C)×D(14.15/11)×17=22(kVA)也就是說(shuō),需要22 kVA的電源容量。如何克服機(jī)械的自然頻率引起的振動(dòng)？答:所謂機(jī)械的自振是指由于機(jī)械自身的質(zhì)量和機(jī)械系統(tǒng)的彈性變形使機(jī)械在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引起的振動(dòng)。機(jī)械自振的頻率m也稱為機(jī)械系統(tǒng)的自然頻率。如下式: 其中，m為自然頻率;

15、m為機(jī)械系統(tǒng)的剛度;JL為折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。設(shè)計(jì)和調(diào)試機(jī)床時(shí)，應(yīng)使自然頻率m大于該坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能;對(duì)控制不斷改進(jìn)。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(jī)，實(shí)際流過(guò)繞組的電流為交流電流。這有二種方法可以進(jìn)行控制1)電流控制環(huán)和控制都為AC量;(2)通過(guò)坐標(biāo)變換電流變量為DC量進(jìn)行控制?，F(xiàn)在一般采用后者進(jìn)行控制。也稱矢量變換控制。矢量控制原理為:交流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子由定子繞組感應(yīng)的電流產(chǎn)生磁場(chǎng);而定 子電流含兩個(gè)成份，一個(gè)影響激磁磁場(chǎng)，另一個(gè)影響電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。這兩個(gè)電

16、流成份在定子耦合在一起;為了使交流電機(jī)應(yīng)用在既需要速度又需要轉(zhuǎn)矩控制的場(chǎng)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(gè)成份，并進(jìn)行獨(dú)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(jī)的速度(即電流的頻率);從速度控制的觀點(diǎn)出發(fā)，這意味著由轉(zhuǎn)矩指令決定的實(shí)際的 轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的速度無(wú)關(guān)。HRV是”高響應(yīng)矢量”(HIGH RESPONS VECTOR)的意義。 所謂HRV控制是對(duì)交流電機(jī)矢量控制從硬件和軟件方面進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)伺服裝置的高性能化，從而使數(shù)控機(jī)床的加工達(dá)到高速和高精;為了實(shí)現(xiàn)高速和高精，進(jìn)給伺服裝置的HRV主要控制:(1)對(duì)輸入指令具有高精高速的響應(yīng);減少采樣時(shí)間，對(duì)電流進(jìn)行高精度檢測(cè);優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，對(duì)電流和速度進(jìn)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(duì)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(jī)械諧振影響。通過(guò)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(jī)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(shí)繞組溫升