精品第四章进给与主轴.docx
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精品第四章进给与主轴
第四章、进给系统及主轴系统
4。
1概述
数控机床的进给伺服系统的主要任务是接收数控系统发出的速度和位置信号,通过对信号进行功率放大、变换与调节等处理,最终控制伺服电机的力、速度和移动位置,通过机械传动机构驱动机床坐标轴,带动工作台及刀架,通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动。
机床进给伺服系统由位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大部分组成。
位置控制部分一般与数控装置集成在一起,因此,进给伺服系统主要指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分,将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。
从控制原理上伺服系统包括电流控制环、速度控制环和位置控制环三环控制的系统。
电流环保证伺服系统的电流具有最佳动态响应,稳定电机的力矩,是三环结构的内环,速度环和位置环完成对速度和位置的调节,使伺服按照控制系统的要求控制电机的速度和移动的位置.4.1.1伺服系统的特性为了满足数控机床的系统控制要求,进给伺服系统一般要具备以下技术特性:
(1)高精度 为了保证零件加工质量和提高效率,要保证数控机床的定位精度和加工精度。
因此,在位置控制中要求有高的定位精度;而在速度控制中,要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力,即要求静态和动态速降尽可能小。
(2)快速响应 为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度,除了要求有较高的定位精度外,还要求系统有良好的快速响应特性,即要求跟踪指令信号的响应要快,位置跟踪误差(位置跟踪精度)要小。
(3)宽调速范围 它是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速之比.对于一般的数控机床而言,要求进给伺服系统能在0~24m/min下都能正常工作.
(4)低速大转矩 根据机床低速时进行重切削的加工特点,要求在低速时进给伺服系统有大的转矩输出.
4.1.2伺服电机的特性:
进给伺服系统的执行元件--伺服电动机也应具备以下特性来满足系统的要求:
(1)电动机在整个转速范围内都能平滑地运转,转矩波动要小,特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象.
(2)电动机应有一定的过载能力,以满足低速、大转矩的要求。
(3)为了满足快速响应的要求,电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时间常数和起动电压。
(4)电动机应能承受频繁的起动、制动和反转
4.1.3伺服系统的结构及分类
伺服系统的电气结构主要由三部分组成:
控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。
控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差,调节控制量;功率驱动装置作为系统的主回路,一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上,调节电动机转矩的大小,另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电;电动机则按供电大小拖动机械运转.
根据驱动电动机的类型,可将其分为步进伺服、直流伺服和交流伺服;根据控制器实现方法的不同,可将其分为模拟伺服和数字伺服;根据控制器中闭环的多少,可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。
4.1。
4进给伺服系统的现状与展望
目前,进给伺服可分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。
(1)步进伺服系统
步进伺服是一种用脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。
其角位移与脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比,通过改变脉冲频率可调节电动机的转速.如果停机后某些绕组仍保持通电状态,则系统还具有自锁能力.步进电动机每转一周都有固定的步数,如500步、1000步、50000步等等,从理论上讲其步距误差不会累计。
步进伺服结构简单,但精度差、能耗高、速度低,且其功率越大移动速度越低。
特别是步进伺服易于失步,主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。
近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术,使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高。
(2)直流伺服系统
直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。
与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流,它们分别控制励磁电流与电枢电流,可方便地进行转矩与转速控制。
另一方面从控制角度看,直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统,经典控制理论完全适用于这种系统,因此,直流伺服系统控制简单,调速性能优异,在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位.
然而,直流伺服电动机引入了机械换向装置.其成本高,故障多,维护困难,经常因碳刷产生的火花而影响生产,并对其他设备产生电磁干扰。
同时机械换向器的换向能力,限制了电动机的容量和速度。
电动机的电枢在转子上,使得电动机效率低,散热差.为了改善换向能力,减小电枢的漏感,转子变得短粗,影响了系统的动态性能。
(3)交流伺服系统
针对直流电动机的缺陷,仍按直流电机原理,结构上做“里翻外”的处理,即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分,由转子轴上的编码器测出磁极位置,就构成了永磁无刷电动机,同时随着矢量控制方法的实用化,使交流伺服系统具有良好的伺服特性.其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能,使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。
同时可实现弱磁高速控制,拓宽了系统的调速范围,适应了高性能伺服驱动的要求。
目前,在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统,有三种类型:
模拟形式、数字形式和软件形式。
模拟伺服用途单一,只接收模拟信号,位置控制通常由上位机实现。
数字伺服可实现一机多用,如做速度、力矩、位置控制。
可接收模拟指令和脉冲指令,各种参数均以数字方式设定,稳定性好。
具有较丰富的自诊断、报警功能。
软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统.其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。
使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。
配有数字接口,改变工作方式、更换电动机规格时,只需重设代码即可,故也称万能伺服。
交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位,并随着新技术的发展而不断完善,具体体现在三个方面。
一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展,智能化功率模块得到普及与应用;二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟,将促进先进控制算法的应用;三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟,将使基于网络的伺服控制成为可能.
(4)直线伺服系统
直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式,直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式(DirectDrive),与传统的旋转传动方式相比,最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节,即把机床进给传动链的长度缩短为零。
这种“零传动”方式,带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标,如加速度可达3g以上,为传统驱动装置的10~20倍,进给速度是传统的4~5
倍。
从电动机的工作原理来讲,直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式;而从结构来讲,又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。
目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。
4.1.5主轴伺服系统的现状及展望
主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率,因此,只需完成主轴调速及正反转功能。
但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时,对主轴也提出了相应的位置控制要求,因此,要求其输出功率大,具有恒转矩段及恒功率段,有准停控制,主轴与进给联动。
与进给伺服一样,主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。
随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展,现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。
(1)交流异步伺服系统
交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流,该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用,产生电磁转矩,从而实现电动机的旋转。
其中,正弦电流的幅值可分解为给定励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和;正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和,以实现矢量化控制。
交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。
与模拟式相比,数字式伺服加速特性近似直线,时间短,且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度,操作方便,是机床主轴驱动采用的主要形式。
然而交流异步伺服存在两个主要问题:
一是转子发热,效率较低,转矩密度较小,体积较大;二是功率因数较低,因此,要获得较宽的恒功率调速范围,要求较大的逆变器容量。
(2)交流同步伺服系统
近年来,随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高,使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出,为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。
与采用矢量控制的异步伺服相比,永磁同步电动机转子温度低,轴向连接位置精度高,要求的冷却条件不高,对机床环境的温度影响小,容易达到极小的低限速度.即使在低限速度下,也可作恒转矩运行,特别适合强力切削加工.同时其转矩密度高,转动惯量小,动态响应特性好,特别适合高生产率运行.较容易达到很高的调速比,允许同一机床主轴具有多种加工能力,既可以加工像铝一样的低硬度材料,也可以加工很硬很脆的合金,为机床进行最优切削创造了条件。
(3)电主轴
电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物,它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部,电动机的转子即为主轴的旋转部分,由于取消了齿轮变速箱与电动机的连接,实现了主轴系统的一体化、“零传动”。
因此,其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点,并可改善机床的动平衡,避免振动和噪声,在超高速切削机床上得到了广泛的应用.电主轴为一台高速电动机,其既可使用异步交流感应电动机,也可使用永磁同步电动机。
电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术,通常内置一脉冲编码器,来实现相位控制及与进给的准确配合。
由于电主轴的工作转速极高,对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求.
4.2步进伺服系统
4。
2.1步进伺服系统:
步进伺服系统属于开环系统,主要有步进电机和步进电机驱动单元.其方框图如下:
图中给出的是一个轴的步进伺服控制系统的组成:
数控装置的作用是按照指令的要求向伺服系统发出指令脉冲和方向信号,指令脉冲包括两方面的内容,移动的距离和运动的速度,发出脉冲的个数来反映移动的距离,发出脉冲的频率来代表运动的速度;环形分配器的作用根据指令方向,依次产生步进电机的各相的通电步骤,环形分配器分为硬件环分、软件环分两种;放大电路:
放大环形分配的各相指令,产生步进电机的各相的驱动电流;步进电机直接或通过齿轮箱带动丝杠,产生轴的直线运动。
4。
2。
2步进电机
(1)步进电机的结构与工作原理
步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位移(或线位移)的电磁装置,步进电动机的角位移与输入脉冲个数成正比,在时间上与输入脉冲同步。
因此只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。
无脉冲输入时,在绕组电源激励下,气隙磁场能使转子保持原有位置而处于自锁状态。
步进电动机按其输出扭矩的大小,可分为快速步进电动机与功率步进电动机;按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相;按其工作原理可以分为磁电式和反应式两大类。
下面介绍常用的反应式步进电动机的工作原理,现用图4—3来加以说明。
图a)A相通电 b)A相断电,B相通电c)B断电,C相通电
它的定子上有六个极,每极上都装有控制绕组,每两个相对的极组成一相.转子是四个均匀分布的齿,上面没有绕组。
当A相绕组通电时,因磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合,将使转子齿l、3和定子极A相对齐,如图4—3a所示。
A相断电,B相绕组通电时,转子将在空间转过α角,α=30°,使转子齿2、4和定子极B相对齐,如图4—3b所示.如果再使B断电,C相绕组通电时,转子又将在空间转过30°角,使转子齿l、3和定子极C相对齐,图4-3c所示。
如此循环往复,并按A—B—C—A的顺序通电,电动机便按一定的方向转动.电动机的转
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