清華大學出版社 數控技術及應用 第6章

第6章數控機床的電氣驅動數控機床動力源的性能直接關系到數控機床的性能，本章主要介紹數控機床動力源普遍使用的電動機，包括作為進給驅動的步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機以及作為主軸驅動的交流感應電動機。26.1數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，在數控機床中多使用電動機作為動力源。機床動力源根據用途可分為三種類型：提供切削速度的主軸驅動動力源，進給驅動動力源，以及輔助運動驅動動力源。36.1.1主軸驅動動力源驅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經濟地提供足夠的能量和速度，因此大部分數控機床的主運動由電動機驅動，而不用液壓馬達驅動。在20世紀80年代末期，已經出現了主軸轉速高達20000r/min的車床，在這么高的轉速下，主軸軸承采用特殊的陶瓷軸承。為了實現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。交流感應電動機是最可靠、維護最簡單、并且最經濟的一種電動機，三相交流電動機改變轉向也比較容易，如果使用極對數可變的電動機，還可以獲得350，700，1400，2800r/min等四個轉速等級。自1984年以來，由于變頻調速技術的發(fā)展，變頻調速交流感應電動機的使用越來越多。在需要調速的場合，通常使用直流電動機。直流電動機可以在無級調速時輸出足夠的功率。為了將交流電轉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進給驅動動力源在普通機床中，通常由主軸帶動齒輪鏈驅動進給運動。在數控加工中，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。與主軸驅動動力源相比，進給驅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輔助運動驅動動力源通常使用交流感應電動機作為輔助運動驅動動力源，這些輔助運動包括冷卻泵、除屑、驅動液壓馬達等，在這些應用場合，只需要進行開/關控制。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，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移的電動機。步進電動機轉動的角位移量和轉速分別與電脈沖數和電脈沖頻率成正比。通過調節(jié)電脈沖數和電脈沖頻率，就可以控制步進電動機的角位移和轉速。有的步進電動機在停機后，還可以具有自鎖能力。步進電動機每轉過一周都有固定的步數，從理論上說不會產生步距誤差的累積。步進電動機的最大缺點是容易失步(失步包括丟步和越步。丟步是指轉子前進的步數小于電脈沖數；越步是指轉子前進的步數多于電脈沖數)，特別是在大負載和轉速較高時，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濟型數控機床的進給驅動。76.2.1步進電動機的分類步進電動機分為反應式和混合式兩大類反應式步進電動機的轉子是由一般鐵磁性材料制作的，而混合式步進電動機的轉子帶有永久磁鋼。反應式步進電動機又稱磁阻式步進電動機，根據不同的分相結構形式，又分為單段反應式步進電動機和多段反應式步進電動機。單段反應式步進電動機是按徑向分相的，而多段反應式步進電動機是按軸向分相的，以單段反應式步進電動機的使用最為廣泛。與反應式步進電動機相比，混合式步進電動機的轉矩體積比大，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矩的應用場合，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，轉子永久磁鋼能產生自動定位轉矩，雖然這一轉矩比繞組通電時產生的轉矩小得多，但它能使斷電時轉子保持在原來的位置，這是一種非常有用的特性。對于反應式步進電動機而言，由于其轉子上沒有永久磁鋼，所以轉子的機械慣量比混合式步進電動機轉子慣量低，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。轉子上有四個均勻分布的齒。當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，轉子將在空間轉過θs角，θs=30o，使轉子齒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，轉子又將在空間轉過30o角，使轉子齒1、3和定子極C、C′對齊，如圖6.1(c)所示。如此循環(huán)往復，并按A→B→C→A的順序通電，電動機便按一定的方向轉動。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A相繞組通電時，和單三拍運行的情況相同，轉子齒1、3和定子極A、A′對齊，如圖6.2(a)所示。當A、B相繞組同時通電時，轉子齒2、4又將在定子極B、B′的吸引下，使轉子沿逆時針方向轉動，直至轉子齒1、3和定子A、A′之間的作用力被轉子齒2、4和定子極B、B′之間的作用力所平衡為止(圖6.2(b))。當斷開A相繞組而只有B相繞組接通電源時，轉子將繼續(xù)沿逆時針方向轉過一個角度使轉子齒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，轉子有40個齒。當A極下的定、轉子齒對齊時，B極和C極下的齒就分別和轉子齒相錯三分之一的轉子齒距。反應式步進電動機的轉子齒數zr基本上由步距角的要求所決定。但是為了能實現上述“自動錯位”，轉子的齒數就必須滿足一定條件，而不能為任意數值。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)的快速響應及工作的可靠性。126.2.4步進電動機的驅動電源常見的驅動電源主要有三種類型：高低壓雙電源型、恒流斬波型和調頻調壓型。這三種類型的驅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，定子齒和轉子齒相對位置不斷發(fā)生變化，因而在繞組中產生了旋轉電動勢，這將導致繞組電流波形的頂部下凹。如圖6.12所示。3.調頻調壓型如果能設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電周期內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，它的應用效果將變差?！罢{頻調壓型”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矩。136.2.5步進電動機的選用首先，應考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當量小。但是脈沖當量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。故應兼顧精度與速度的要求來選定系統(tǒng)的脈沖當量。在脈沖當量確定以后，又可以此為依據來選擇步進電動機的步距角和傳動機構的傳動比。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，負載轉矩也將引起步進電動機的定位誤差。我們應將步進電動機的步距誤差、負載引起的定位誤差和傳動機構的誤差全部考慮在內，使總的誤差小于數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載轉矩之間關系的曲線和反映轉矩與連續(xù)運行頻率之間關系的曲線。這兩條曲線是選用步進電動機的重要依據。一般將反映起動頻率與負載轉矩之間關系的曲線稱為起動矩頻特性，將反映轉矩與連續(xù)運行頻率之間關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載計算數控機床進給系統(tǒng)的伺服電動機是根據負載條件來進行選擇的。加在電動機軸上的負載有兩種：負載轉矩和負載慣量。負載轉矩包括切削轉矩和摩擦轉矩。1.負載轉矩的計算加到電動機軸上的負載轉矩通常由下述方程式計算：2.進給伺服電動機慣量與負載慣量的匹配(1) 加速轉矩Ma等于加速度a乘以總慣量J(電動機慣量+負載慣量)，即Ma=aJ。(2) 數控機床進給系統(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直線運動，當物體起、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矩為加速轉矩，也可稱為慣量轉矩。156.3.2直流伺服電動機的特點與工作原理永磁式寬調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) 大慣量結構使其具有大的熱容量，可以允許較長的過載工作時間；(3) 低速高轉矩特性和大慣量結構，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，開關頻率也為常值，根據控制信號的大小來改變每一周期內“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，完成電動機的轉速控制，這就是直流PWM調速的基本原理。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)準備好信號PRDY。(2)速度控制單元準備好信號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)速度調節(jié)器(2)電流調節(jié)器(3)PWM調制器(4)驅動電路(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變成寬度可調的方波脈沖，然后施加到電動機電樞兩端。5.脈沖寬度調制器脈沖寬度調制器是產生PWM脈沖的環(huán)節(jié)，它產生的PWM脈沖經驅動電路放大后，驅動主回路(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常采用的倍頻式脈寬調制器(與前述的倍頻式晶體管斬波器相對應)。圖6.16是倍頻式脈寬調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“