清華大學(xué)出版社 數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用 第6章

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，包括作為進給驅(qū)動的步進電動機、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。26.1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，進給驅(qū)動動力源，以及輔助運動驅(qū)動動力源。36.1.1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，使用晶閘管進行可控整流。46.1.2進給驅(qū)動動力源在普通機床中，通常由主軸帶動齒輪鏈驅(qū)動進給運動。在數(shù)控加工中，由于需要使工件或刀具按一定的進給速度移動精確的距離，所以進給運動就不能由主軸帶動齒輪鏈驅(qū)動了。刀具或工件的運動有兩種獨立的要求：(1)在切削加工時，刀具或工件的實際位置總是要盡可能接近參考信號的位置；(2)除了加工螺紋，進給速度不需要精確控制。與主軸驅(qū)動動力源相比，進給驅(qū)動動力源的功率要小得多，一般1kW就足夠了。此外，進給運動的速度比切削運動慢得多，一般工進是5~200mm/min，快進是5m/min。56.1.3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)動液壓馬達等，在這些應(yīng)用場合，只需要進行開/關(guān)控制。66.2步進電動機步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，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，就可以控制步進電動機的角位移和轉(zhuǎn)速。有的步進電動機在停機后，還可以具有自鎖能力。步進電動機每轉(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)子前進的步數(shù)小于電脈沖數(shù)；越步是指轉(zhuǎn)子前進的步數(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，同時步進電動機輸出的功率也不太大。目前，步進電動機主要用于經(jīng)濟型數(shù)控機床的進給驅(qū)動。76.2.1步進電動機的分類步進電動機分為反應(yīng)式和混合式兩大類反應(yīng)式步進電動機的轉(zhuǎn)子是由一般鐵磁性材料制作的，而混合式步進電動機的轉(zhuǎn)子帶有永久磁鋼。反應(yīng)式步進電動機又稱磁阻式步進電動機，根據(jù)不同的分相結(jié)構(gòu)形式，又分為單段反應(yīng)式步進電動機和多段反應(yīng)式步進電動機。單段反應(yīng)式步進電動機是按徑向分相的，而多段反應(yīng)式步進電動機是按軸向分相的，以單段反應(yīng)式步進電動機的使用最為廣泛。與反應(yīng)式步進電動機相比，混合式步進電動機的轉(zhuǎn)矩體積比大，而且混合式步進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電動機。此外，混合式步進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電動機轉(zhuǎn)子慣量低，可以更快地加、減速。86.2.2步進電動機的工作原理圖6.1為說明三相反應(yīng)式步進電動機的工作原理示意圖。它的定子上有六個極，每極上都裝有控制繞組，每兩個相對的極組成一相。轉(zhuǎn)子上有四個均勻分布的齒。當(dāng)A相繞組通電時，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′對齊，如圖6.1(a)所示。A相斷電，B相繞組通電時，轉(zhuǎn)子將在空間轉(zhuǎn)過θs角，θs=30o，使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子極B、B′對齊，如圖6.l(b)所示。如果再使B相斷電，C相繞組通電時，轉(zhuǎn)子又將在空間轉(zhuǎn)過30o角，使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極C、C′對齊，如圖6.1(c)所示。如此循環(huán)往復(fù)，并按A→B→C→A的順序通電，電動機便按一定的方向轉(zhuǎn)動。96.2.2步進電動機的工作原理三相步進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))。106.2.2步進電動機的工作原理圖6.3為小步距角步進電動機的展開圖。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。116.2.3步進電動機的運行性能1.靜態(tài)特性所謂靜態(tài)是指步進電動機不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動時的狀態(tài)。步進電動機的靜態(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)特性步進電動機運行時總是在電氣和機械過渡過程中進行的，因此對它的動態(tài)特性有很高的要求，步進電動機的動態(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。126.2.4步進電動機的驅(qū)動電源常見的驅(qū)動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)動電源通過不同的方式來改善電動機繞組電流波形。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是：開始時先接通高壓，以保證電動機繞組中有較大的沖擊電流流過。然后再截斷高壓，由低壓供電，以保證電動機繞組中穩(wěn)態(tài)電流等于額定值，簡單地說就是“高壓建流，低壓定流”。2.恒流斬波步進電動機在運行的過程中，定子齒和轉(zhuǎn)子齒相對位置不斷發(fā)生變化，因而在繞組中產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)電動勢，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，這樣也可以達到在高頻運行時，動態(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)動放大器，其電路比較簡單，成本低。采用“恒流斬波型”脈沖功率放大器是為了解決電動機繞組電流頂部凹陷的問題。在電動機的運行頻率較低時，“恒流斬波型”脈沖功率放大器的應(yīng)用效果是很好的，但是在電動機以較高的頻率運行時，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“低頻低壓，高頻高壓”的辦法來同時兼顧電動機在高、低運動頻率時對電動機繞組電壓的要求，這種脈沖功率放大器，有效地提高了電動機在以較高頻率運行時的轉(zhuǎn)矩。136.2.5步進電動機的選用首先，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)來選擇步進電動機的步距角和傳動機構(gòu)的傳動比。步進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)矩也將引起步進電動機的定位誤差。我們應(yīng)將步進電動機的步距誤差、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。146.3進給伺服電動機6.3.1進給伺服電動機的負(fù)載計算數(shù)控機床進給系統(tǒng)的伺服電動機是根據(jù)負(fù)載條件來進行選擇的。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。156.3.2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)，使其可以與機床進給絲杠直接連接；(4) 一般沒有換相極和補償繞組，通過仔細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。166.3.2直流伺服電動機的特點與工作原理1.直流PWM調(diào)速的基本原理利用大功率晶體管(簡稱GTR)作為斬波器，其電源為直流固定電壓，開關(guān)頻率也為常值，根據(jù)控制信號的大小來改變每一周期內(nèi)“接通”和“斷開”的時間長短，即改變“接通”脈寬，使直流電動機電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變其平均電壓，完成電動機的轉(zhuǎn)速控制，這就是直流PWM調(diào)速的基本原理。如圖6.14所示，直流電動機電樞兩端電壓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(1)位置環(huán)準(zhǔn)備好信號PRDY。(2)速度控制單元準(zhǔn)備好信號VRDY。(3)使能信號ENBL。3.速度控制單元的組成及其功用圖6.15為直流伺服電動機的速度控制單元電氣回路組成框圖。由圖可見，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)動電路(5)晶體管直流斬波器(6)直流伺服電動機及其速度檢測元件176.3.2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。186.3.3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“