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第三節(jié)　數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)

一、概述

伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。

對于數(shù)控機(jī)床，如果說CNC裝置是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮機(jī)構(gòu)”，那么伺服系統(tǒng)便是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”，能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)出的運(yùn)動命令。

二、步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動

(一)步進(jìn)電動機(jī)(重點(diǎn))

Ⅰ：原理：

步進(jìn)電動機(jī)是一種同步電動機(jī)，是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移(或直線位移)的執(zhí)行元件。這種電動機(jī)，每施加一個(gè)電脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，稱為一步。脈沖數(shù)增加，角(或直線)位移隨之增加;脈沖頻率高，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就快，反之則慢;分配脈沖的相序改變，電動機(jī)便反轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電動機(jī)繞組所加電源既不是恒定直流，也不是正弦交流，而是脈沖電壓，所以有時(shí)也稱為脈沖電動機(jī)。

Ⅱ:反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)

電動機(jī)定子有A、B、C三對磁極。在相應(yīng)的磁極上繞有A、B、C三相控制繞組。

(1)當(dāng)A、B、C三對磁極的繞組依次輪流通過直流電時(shí)，則A、B、C三對磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

首先，當(dāng)A相繞組通電，B、C兩相斷電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒1、3分別被定子磁極A—A’吸引而對齊。

然后，A相斷電，B相通電，于是轉(zhuǎn)子的2、4兩齒被定子磁極B—B’吸引，這時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30，接下去B相斷電，C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與定子磁極C-C′軸線對齊，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)過了30。

這種按A→B→C→A→B→C→A…順序輪流通電的方式稱為三相單三拍。“三相”是指定子有三相繞組A、B、C，“單”是指每次只有一相繞組單獨(dú)通電，“三拍”是指經(jīng)過三次經(jīng)過切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)。每一拍，即輸入一個(gè)脈沖信號，都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，稱之為步距角θs。

(2)計(jì)算公式如下：

步距角　Θs=360/mkz

m ——步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù);

k ——與通電方式有關(guān)的系數(shù)，如單拍或雙拍是為1，單、雙拍是為2;

z ­——不僅電動機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。

(3)步進(jìn)電動機(jī)也可以采用三相單、雙拍通電方式，通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A……

轉(zhuǎn)速：　n=60f/NZ (轉(zhuǎn)/分)

N =mk —運(yùn)行拍數(shù)

即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)。

步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，步距角也就越小，位置精確度就越高。

三、直流伺服電動機(jī)及其速度控制

直流伺服電動機(jī)具有良好的調(diào)速性能，尤其是他勵(永磁)直流伺服電動機(jī)，其機(jī)械特性比較硬，即負(fù)載增加時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的降幅很小。

1.直流主軸電動機(jī)。直流主軸電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同。

在基本速度nj以下為恒轉(zhuǎn)矩范圍，在基本速度nj以上為恒功率范圍。通常恒轉(zhuǎn)矩速度范圍與恒功率速度范圍之比為1:2。

2.進(jìn)給直流伺服電動機(jī)。在數(shù)控機(jī)床的直流進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，多采用永磁直流伺服電動機(jī)作為驅(qū)動元件。

3.工作曲線：

伺服電動機(jī)的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時(shí)換向極限線劃分成三個(gè)區(qū)域：

Ⅰ 區(qū)為連續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合都可以長時(shí)間連續(xù)工作。

Ⅱ 區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電動機(jī)只能按允許的工作時(shí)間和斷電時(shí)間間歇工作。

Ⅲ 區(qū)為加速和減速區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電動機(jī)只能作加速或減速，工作極短的時(shí)間。

四、交流伺服電動機(jī)及其速度控制

直流伺服電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。因此，20世紀(jì)80年代中期以來，交流伺服電動機(jī)得到飛速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)正在逐步取代直流伺服系統(tǒng)。

1.交流主軸電動機(jī)。

(1)是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的鼠籠式三相異步電動機(jī)。

(2)特點(diǎn)：

沒有外殼，定子鐵芯直接暴露在空氣中，而且有軸向通風(fēng)孔，以利于電動機(jī)冷卻、縮小電動機(jī)體積。

轉(zhuǎn)子做成細(xì)長型，以便減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。

尾部都同軸安裝有脈沖發(fā)生器(或脈沖編碼器)。

(3)交流主軸電動機(jī)的功率一速度特性曲線與直流主軸電動機(jī)相類似

在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，在基本速度以上為恒功率區(qū)域。

2.永磁同步交流伺服電動機(jī)。

(1)主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測部件三部分組成：

(2)當(dāng)定子三相繞組接上電源后，就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場吸引永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：n =60f/P

式中： f—— 電源頻率; P——磁極對數(shù)。

本章歷年題型：

1.(單選題)(2008年)交流主軸電動機(jī)是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的鼠籠式三相異步電動機(jī)。它的( )仍與普通鼠籠式三相異步電動機(jī)的相同。

A.定子鐵芯結(jié)構(gòu)

B.外形

C.定子繞組構(gòu)造形式

D.外殼

答案：C

2.(多選題)(2008年)下列關(guān)于CNC裝置內(nèi)裝型PLC的說法中，正確的是( )。

A.它可以具有自己的專用微處理器

B.它可以采用單獨(dú)的電源和地線

C.它可以單獨(dú)制成一塊印刷電路板

D.它可以使用本身的I/O接口與機(jī)床側(cè)的I/O連接

E.它可以傳輸高級控制功能

答案：ACE

3.(綜合題)目前，在我國企業(yè)使用的數(shù)控機(jī)床中，已有相當(dāng)數(shù)量的機(jī)床由于機(jī)械精度下降、電氣控制元件損壞(有些已買不到)等原因處于停用或半停用狀態(tài)。若要繼續(xù)有效利用這些設(shè)備，就必須針對其具體情況進(jìn)行再生改造。

試問：

從舊數(shù)控機(jī)床的剩余價(jià)值、改造費(fèi)用、改造方案以及企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)狀況等方面敘述應(yīng)如何對其進(jìn)行技術(shù)改造。

答案：

(1)正確估計(jì)被改造數(shù)控機(jī)床的剩余價(jià)值

(2)對是否值得改造做出判斷

(3)對舊數(shù)控機(jī)床進(jìn)行再生改造

(4)再生改造與企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)狀況相適應(yīng)

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