(三)交流伺服系統(tǒng)
針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的缺陷,如果將其做“里翻外”的處理,即把電驅(qū)繞組裝在定子、轉(zhuǎn)子為永磁部分,由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測(cè)出磁極位置,就構(gòu)成了永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī),同時(shí)隨著矢量控制方法的實(shí)用化,使交流伺服系統(tǒng)具有良好的伺服特性。其寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能,使其動(dòng)、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制,拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍,適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求。
目前,在機(jī)床進(jìn)給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統(tǒng),有三種類(lèi)型:模擬形式、數(shù)字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一,只接收模擬信號(hào),位置控制通常由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字伺服可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用,如做速度、力矩、位置控制??山邮漳M指令和脈沖指令,各種參數(shù)均以數(shù)字方式設(shè)定,穩(wěn)定性好。具有較豐富的自診斷、報(bào)警功能。軟件伺服是基于微處理器的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。其將各種控制方式和不同規(guī)格、功率的伺服電機(jī)的監(jiān)控程序以軟件實(shí)現(xiàn)。使用時(shí)可由用戶設(shè)定代碼與相關(guān)的數(shù)據(jù)即自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口,改變工作方式、更換電動(dòng)機(jī)規(guī)格時(shí),只需重設(shè)代碼即可,故也稱(chēng)萬(wàn)能伺服。
交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位,并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善,具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展,智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用;二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟,將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用;三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟,將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。
(四)直線伺服系統(tǒng)
直線伺服系統(tǒng)采用的是一種直接驅(qū)動(dòng)方式(Direct Drive),與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式相比,最大特點(diǎn)是取消了電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)間的一切機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種“零傳動(dòng)”方式,帶來(lái)了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo),如加速度可達(dá)3g以上,為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的10~20倍,進(jìn)給速度是傳統(tǒng)的4~5倍。從電動(dòng)機(jī)的工作原理來(lái)講,直線電動(dòng)機(jī)有直流、交流、步進(jìn)、永磁、電磁、同步和異步等多種方式;而從結(jié)構(gòu)來(lái)講,又有動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上的主要有高精度高頻響小行程直線電動(dòng)機(jī)與大推力長(zhǎng)行程高精度直線電動(dòng)機(jī)兩類(lèi)。
直線伺服是高速高精數(shù)控機(jī)床的理想驅(qū)動(dòng)模式,受到機(jī)床廠家的重視,技術(shù)發(fā)展迅速。在2001年歐洲機(jī)床展上,有幾十家公司展出直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速機(jī)床,快移速度達(dá)100~120m/min,加速度1.5~2g,其中尤以德國(guó)DMG公司與日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28種機(jī)型采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),年產(chǎn)1500多臺(tái),約占總產(chǎn)量的1/3。而MAZAK公司最近也將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心,切削速度8馬赫,主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min,快移速度500m/min,加速度6g。所有這些,都標(biāo)志著以直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為代表的第二代高速機(jī)床,將取代以高速滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)為代表的第一代高速機(jī)床,并在使用中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。
四、主軸伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及展望
主軸伺服提供加工各類(lèi)工件所需的切削功率,因此,只需完成主軸調(diào)速及正反轉(zhuǎn)功能。但當(dāng)要求機(jī)床有螺紋加 工、準(zhǔn)停和恒線速加工等功能時(shí),對(duì)主軸也提出了相應(yīng)的 位置控制要求,因此,要求其輸出功率大,具有恒轉(zhuǎn)矩段 及恒功率段,有準(zhǔn)??刂疲鬏S與進(jìn)給聯(lián)動(dòng)。與進(jìn)給伺服 一樣,主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)。隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展,現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時(shí)代。
(一)交流異步伺服系統(tǒng)
交流異步伺服通過(guò)在三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生幅值、頻率可變的正弦電流,該正弦電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。其中,正弦電流的幅值可分解為給定或可調(diào)的勵(lì)磁電流與等效轉(zhuǎn)子力矩電流的矢量和;正弦電流的頻率可分解為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差之和,以實(shí)現(xiàn)矢量化控制。
交流異步伺服通常有模擬式、數(shù)字式兩種方式。與模擬式相比,數(shù)字式伺服加速特性近似直線,時(shí)間短,且可提高主軸定位控制時(shí)系統(tǒng)的剛性和精度,操作方便,是機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個(gè)主要問(wèn)題:一是轉(zhuǎn)子發(fā)熱,效率較低,轉(zhuǎn)矩密度較小,體積較大;二是功率因數(shù)較低,因此,要獲得較寬的恒功率調(diào)速范圍,要求較大的逆變器容量。
(二)交流同步伺服系統(tǒng)
近年來(lái),隨著高能低價(jià)永磁體的開(kāi)發(fā)和性能的不斷提高,使得采用永磁同步調(diào)速電動(dòng)機(jī)的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出,為解決交流異步伺服存在的問(wèn)題帶來(lái)了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比,永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子溫度低,軸向連接位置精度高,要求的冷卻條件不高,對(duì)機(jī)床環(huán)境的溫度影響小,容易達(dá)到極小的低限速度。即使在低限速度下,也可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行,特別適合強(qiáng)力切削加工。同時(shí)其轉(zhuǎn)矩密度高,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好,特別適合高生產(chǎn)率運(yùn)行。較容易達(dá)到很高的調(diào)速比,允許同一機(jī)床主軸具有多種加工能力,既可以加工像鋁一樣的低硬度材料,也可以加工很硬很脆的合金,為機(jī)床進(jìn)行最優(yōu)切削創(chuàng)造了條件。
(三)電主軸
電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物,它將主 軸電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分,由于取消了齒輪變速箱的傳動(dòng)與電動(dòng)機(jī)的連接,實(shí)現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動(dòng)”。因此,其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn),并可改善機(jī)床的動(dòng)平衡,避免振動(dòng)和噪聲,在超高速切削機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。
從理論上講,電主軸為一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī),其既可使用異步交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī),也可使用永磁同步電動(dòng)機(jī)。電主軸的驅(qū)動(dòng)一般使用矢量控制的變頻技術(shù),通常內(nèi)置一脈沖編碼器,來(lái)實(shí)現(xiàn)廂位控制及與進(jìn)給的準(zhǔn)確配合。由于電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高,對(duì)其散熱、動(dòng)平衡、潤(rùn)滑等提出了特殊的要求。在應(yīng)用中必須妥善解決,才能確保電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)和精密加工。
五、結(jié)論
圍繞伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高,近年來(lái)發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。可以預(yù)見(jiàn)隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字伺服系統(tǒng)、直線電動(dòng)機(jī)及高速電主軸等將成為數(shù)控機(jī)床行業(yè)的關(guān)注的熱點(diǎn),并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。
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