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搖臂鉆床伺服電動(dòng)機(jī)及速度控制


日期:2009年11月03 來(lái)源:沈陽(yáng)第一機(jī)床廠 關(guān)鍵字:搖臂鉆床
    驅(qū)動(dòng)元件<即伺服電動(dòng)機(jī))是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,它接受控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的進(jìn)給指令信r,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛑本位移,以驅(qū)動(dòng)搖臂鉆床的進(jìn)給部件實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)。而這種運(yùn)動(dòng)要能進(jìn)、能退,能快、能慢,既精確又靈敏。伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的性能在很大程度卜影響進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能。它應(yīng)滿足下列要求。
    (])調(diào)速范圍寬
    調(diào)速范圍指搖臂鉆床要求驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。由于搖臂鉆床所使用的刀具、被加廠零件的精度和加工要求的不同,要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有足夠的調(diào)速范圍,般搖臂鉆床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)給速度為1~24rrdmin,即在1:24 000的調(diào)速范圍內(nèi),速度均勻、穩(wěn)定、無(wú)爬行。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)(零速)時(shí),電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩能夠鎖什伺服電動(dòng)機(jī),以滿足定位精度的要求。
    (2)精度高電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度均勻、穩(wěn)定、無(wú)爬行,響應(yīng)特性要好。啟動(dòng)或升速時(shí)要很快達(dá)到穩(wěn)定值(即前沿陡,上升牢人);停止或減速時(shí)能迅速、準(zhǔn)確地停下來(lái),這種過(guò)渡過(guò)程多在200ms以小有的甚至小于幾十毫秒。而且要保證傳動(dòng)系統(tǒng)的最末端執(zhí)行件的最小位移量(或最小設(shè)定單位)、定位精度、重復(fù)定位精度都在O,OD~O.0001mm范圍內(nèi)。
    (3)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性奸 當(dāng)負(fù)載變化時(shí),電動(dòng)機(jī)的輸出速度應(yīng)基本不變。低速運(yùn)動(dòng)和加下時(shí),應(yīng)有足夠的負(fù)載徘力和過(guò)載能力;因?yàn)闄C(jī)床是在低速情況下進(jìn)行重切削,即在低速進(jìn)給時(shí)電動(dòng)機(jī)要有較大獻(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出,而且還要求電動(dòng)機(jī)在數(shù)分鐘之內(nèi)過(guò)載4—6倍而不損壞。電動(dòng)機(jī)能承受頻繁啟動(dòng)停止和正/反向運(yùn)動(dòng)。
    (4)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低,使用維修簡(jiǎn)便由于搖搖臂鉆床臂鉆床進(jìn)給伺服系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的特殊要求,早期只好改進(jìn)直流電動(dòng)機(jī),使之轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小、過(guò)載能力較強(qiáng)、換向性能較好、靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性有所改善;隨后又進(jìn)一步最大限度地減少電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,獲得最好的快速特性,出現(xiàn)了小慣量直流電動(dòng)機(jī),至今在法國(guó)的數(shù)扦機(jī)床上仍有應(yīng)用。在搖臂鉆床的閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)中,主要采用交/直流伺服電動(dòng)機(jī),20世紀(jì)70~80年代十期以直流伺服電動(dòng)機(jī)為主,到80年代后期交流伺服驅(qū)動(dòng)逐漸形成了主流。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(主要是功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī))儀在一些經(jīng)濟(jì)型的開(kāi)環(huán)搖臂鉆床和舊設(shè)備改造上仍有所應(yīng)用。
    1.直流伺服電動(dòng)機(jī)及其工作特性
    (1)直流伺服電動(dòng)機(jī)
    搖臂鉆床直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)為了達(dá)到同時(shí)控制速度和位置,一般采用三閉環(huán)控制方式。三閉環(huán)是指電樞電流閉環(huán)、速度閉環(huán)和位置閉環(huán),如圖4-5所示。電流反饋‘‘般采用取樣電阻、霍爾集成電路傳感器等。速度反饋一般采用測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī),它與直流伺服電動(dòng)機(jī):直接連接,一般裝在電動(dòng)機(jī)的后面與該電動(dòng)機(jī)做成一體。位置反饋若采用轉(zhuǎn)角位置檢測(cè)裝置則為半閉環(huán),若采用直線位置檢測(cè)裝置則為全閉環(huán)。
    ①直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類
    直流伺服電動(dòng)機(jī)就其工作原琿來(lái)說(shuō),雖然搖臂鉆床,j普通直流電動(dòng)機(jī)相同,但由于普通直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大、動(dòng)態(tài)特性差、調(diào)速范圍不寬等—些因素?zé)o法滿足位置伺服系統(tǒng)的控制要求。因而直流伺服電動(dòng)機(jī)在其結(jié)構(gòu)性能上有較大不同,通常直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同,可分為磁式和永磁式兩種。電磁式采用勵(lì)磁繞組勵(lì)磁,而永磁式則采用永久磁鐵勵(lì)磁。按勵(lì)磁繞組與電樞繞組的連接方式不同,電磁式又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種形式:按搖臂鉆床電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的不同,又有小慣量、中慣量和大慣量之分;按結(jié)構(gòu)不同又分為有槽式、無(wú)槽式、印制式、杯式及無(wú)刷式等,它們的主要差別是在轉(zhuǎn)子上。  F面分別對(duì)它們的結(jié)構(gòu)和性能作一介紹。
     ⑵.有槽式直流伺服電動(dòng)機(jī)
    有槽式直流伺服電動(dòng)機(jī)具有傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)于由薄的硅鋼片或電丁鋼沖制、疊裝而成。各片之間相互絕緣,因此縱向不會(huì)有電流流通。搖臂鉆床轉(zhuǎn)子的外圓有很多槽,樞繞組繞制在槽中,轉(zhuǎn)子上的槽和軸線有—定的夾角以減小齒和極柵司的齒槽效應(yīng)產(chǎn)牛的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)脈動(dòng)。
    這種轉(zhuǎn)子的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固(因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩不是直接作用在線圈上,而是作用在鐵芯上),但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大,因此機(jī)電的時(shí)間常數(shù)也較人。
    ⑶.無(wú)槽式直流伺服電動(dòng)機(jī)
    無(wú)槽式直流伺服電動(dòng)機(jī)通常稱做小慣量直流電動(dòng)機(jī)。搖臂鉆床它與有槽式電動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于其轉(zhuǎn)子表面無(wú)槽,而是直接將電樞繞組固定在圓筒形鐵芯的表面上。這種電動(dòng)機(jī)—般采用永久磁鐵勵(lì)磁。由于鐵芯表面有繞組,使轉(zhuǎn)子鐵芯與極靴之間的氣隙加大,磁通容易泄漏。為了提供足夠大的磁通,勢(shì)必將永久磁鐵和電樞的鐵芯加長(zhǎng),所以這種電動(dòng)機(jī)呈細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)子直徑的平方成正比,因而這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常小。無(wú)槽式自流剛R電動(dòng)機(jī)具有下列特點(diǎn):
    ●啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩人,轉(zhuǎn)矩/慣量比大;
    ●轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,電樞自感小,所以機(jī)電的時(shí)間常數(shù)小,僅為首通電動(dòng)機(jī)的1/lo,閱此,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好;
    ●低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象,換向性能良好。
    ⑷.動(dòng)圈式直流伺服電動(dòng)機(jī)
    動(dòng)圈式直流伺服電動(dòng)機(jī)是轉(zhuǎn)子不具有鐵芯的電動(dòng)機(jī)搖臂鉆床。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有杯形、扁平形或直線形結(jié)構(gòu)。t杯形轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)了無(wú)鐵芯,電樞繞組按一定方式繞制成圓 筒形井同轉(zhuǎn)于上的電樞支架連在一起。由于轉(zhuǎn)子上沒(méi)有鐵芯,所以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特別小。杯形直流伺服電動(dòng)機(jī)有外磁式和內(nèi)磁式兩種。外磁式是磁鐵在杯形繞組的外邊,而內(nèi) 磁式是在里邊。外磁式機(jī)電時(shí)間常數(shù)很小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)奸,功率可達(dá)幾千瓦。內(nèi)磁式由 于碰鑰體積受到限制,轉(zhuǎn)矩較小,輸出功率一般只有幾十瓦。t扁平形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)的電樞繞組做成扁平形,它又有盤(pán)繞形、印制繞組等結(jié)構(gòu)形式。盤(pán)繞形電樞是用漆包線繞制而成,并剛環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)成形-印制。  繞組先用銅板沖制然后焊接而成,也有采用銅箔腐蝕而成的。扁平形電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)具有中等轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和中等輸出功率。總之,動(dòng)圈式直流伺服電動(dòng)機(jī)是性能良好的直流伺服電動(dòng)機(jī),具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、電感小、整流好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。
    ⑸.無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)
    無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電刷,搖臂鉆床避免了電刷磨損、產(chǎn)生火花及引起噪聲等缺陷。它的整流靠晶體管之類的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn),其結(jié)構(gòu)和一般有刷直流伺服電動(dòng)機(jī)也不同,它的電樞是在定子上,而有刷直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞都是在轉(zhuǎn)子lo無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)除了電子開(kāi)關(guān)器件外,還需位置檢測(cè)元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置,以控制電子開(kāi)關(guān)換流。它具有單相、兩相、三相和四相繞組等。與有刷直流伺服電動(dòng)機(jī)相比,它的壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)單,且電動(dòng)機(jī)換向時(shí)不必改變端電壓極性,而只改變開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)即可。
    ⑹.寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)
    寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)具有較人的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,搖臂鉆床俗稱大慣量自流伺服電動(dòng)機(jī)。采用大慣量的目的是為了便于直接與機(jī)床大慣量負(fù)載相匹配。而前述的小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī),為了實(shí)現(xiàn)與機(jī)床慣量的匹配,通常需要齒輪減速機(jī)構(gòu)。寬調(diào)速岜流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部多數(shù)裝有測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī),在速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用很方便。寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)分電流檄磁和永久磁鐵兩類。電流激磁的優(yōu)點(diǎn)是激磁電流大小易于調(diào)整,便于安排補(bǔ)償繞組和換向器,故換向性能好,可在較寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制。永久磁鐵的優(yōu)點(diǎn)是:不需激磁,效率較高,低速時(shí)輸出力矩較人,尺寸小且溫升低。但由于無(wú)換向極和補(bǔ)償繞組,換向性能較差。寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)具有下述優(yōu)點(diǎn):,低速性能好,轉(zhuǎn)矩大,可以和機(jī)床進(jìn)給絲杠直接連接,省掉鹵輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),從而減小傳動(dòng)誤差;,轉(zhuǎn)子慣量較大,易于和機(jī)床匹配,  搖臂鉆床,倥負(fù)載的影響變。 ,轉(zhuǎn)子熱容量人,耐熱性能奸,因此過(guò)載性能強(qiáng),允許過(guò)載轉(zhuǎn)矩達(dá)5—10倍;t機(jī)械特性和調(diào)速特性的線性度好,低速能輸出較大的力矩,因此調(diào)速范圍寬,電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。
    直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直蒲問(wèn)朋冉動(dòng)朝與啪靖由動(dòng)舶腫丁肛屈觀宕全相同。他激直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體(即電樞繞組),在定于磁場(chǎng)中受到電磁轉(zhuǎn)矩M的作用,使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

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