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搖臂鉆床伺服電動機及速度控制

日期：2009年11月03　來源：沈陽第一機床廠　關鍵字：搖臂鉆床
    驅動元件<即伺服電動機)是伺服系統(tǒng)的關鍵部件，它接受控制系統(tǒng)發(fā)來的進給指令信r，并將其轉變?yōu)榻俏灰苹蛑本�位移，以驅動搖臂鉆床的進給部件實現所要求的運動。而這種運動要能進、能退，能快、能慢，既精確又靈敏。伺服驅動電動機的性能在很大程度卜影響進給伺服系統(tǒng)的性能。它應滿足下列要求。
    (])調速范圍寬
    調速范圍指搖臂鉆床要求驅動電動機能提供的最高轉速和最低轉速之比。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，要求進給驅動有足夠的調速范圍，般搖臂鉆床的進給驅動系統(tǒng)的進給速度為1~24rrdmin，即在1：24 000的調速范圍內，速度均勻、穩(wěn)定、無爬行。而當電動機停止運動(零速)時，電動機的電磁轉矩能夠鎖什伺服電動機，以滿足定位精度的要求。
    (2)精度高電動機運轉速度均勻、穩(wěn)定、無爬行，響應特性要好。啟動或升速時要很快達到穩(wěn)定值(即前沿陡，上升牢人)；停止或減速時能迅速、準確地停下來，這種過渡過程多在200ms以小有的甚至小于幾十毫秒。而且要保證傳動系統(tǒng)的最末端執(zhí)行件的最小位移量(或最小設定單位)、定位精度、重復定位精度都在O，OD~O．0001mm范圍內。
    (3)電動機的負載特性奸 當負載變化時，電動機的輸出速度應基本不變。低速運動和加下時，應有足夠的負載徘力和過載能力；因為機床是在低速情況下進行重切削，即在低速進給時電動機要有較大獻轉矩輸出，而且還要求電動機在數分鐘之內過載4—6倍而不損壞。電動機能承受頻繁啟動停止和正／反向運動。
    (4)電動機的結構簡單、制造容易、成本低，使用維修簡便由于搖搖臂鉆床臂鉆床進給伺服系統(tǒng)對驅動電動機的特殊要求，早期只好改進直流電動機，使之轉動慣量較小、過載能力較強、換向性能較好、靜態(tài)特性和動態(tài)特性有所改善；隨后又進一步最大限度地減少電樞的轉動慣量，獲得最好的快速特性，出現了小慣量直流電動機，至今在法國的數扦機床上仍有應用。在搖臂鉆床的閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)中，主要采用交／直流伺服電動機，20世紀70~80年代十期以直流伺服電動機為主，到80年代后期交流伺服驅動逐漸形成了主流。步進電動機(主要是功率步進電動機)儀在一些經濟型的開環(huán)搖臂鉆床和舊設備改造上仍有所應用。
    1．直流伺服電動機及其工作特性
    (1)直流伺服電動機
    搖臂鉆床直流電動機伺服系統(tǒng)為了達到同時控制速度和位置，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速發(fā)電動機，它與直流伺服電動機：直接連接，一般裝在電動機的后面與該電動機做成一體。位置反饋若采用轉角位置檢測裝置則為半閉環(huán)，若采用直線位置檢測裝置則為全閉環(huán)。
    ①直流伺服電動機的分類
    直流伺服電動機就其工作原琿來說，雖然搖臂鉆床，j普通直流電動機相同，但由于普通直流電動機的轉動慣性大、動態(tài)特性差、調速范圍不寬等—些因素無法滿足位置伺服系統(tǒng)的控制要求。因而直流伺服電動機在其結構性能上有較大不同，通常直流伺服電動機按勵磁方式不同，可分為磁式和永磁式兩種。電磁式采用勵磁繞組勵磁，而永磁式則采用永久磁鐵勵磁。按勵磁繞組與電樞繞組的連接方式不同，電磁式又分為并勵、串勵和復勵三種形式：按搖臂鉆床電動機轉子的轉動慣量的不同，又有小慣量、中慣量和大慣量之分；按結構不同又分為有槽式、無槽式、印制式、杯式及無刷式等，它們的主要差別是在轉子上。  F面分別對它們的結構和性能作一介紹。
     ⑵．有槽式直流伺服電動機
    有槽式直流伺服電動機具有傳統(tǒng)的結構形式，這種電動機的轉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，因此縱向不會有電流流通。搖臂鉆床轉子的外圓有很多槽，樞繞組繞制在槽中，轉子上的槽和軸線有—定的夾角以減小齒和極柵司的齒槽效應產牛的旋轉磁場脈動。
    這種轉子的主要特點是結構牢固(因為電磁轉矩不是直接作用在線圈上，而是作用在鐵芯上)，但轉子轉動慣量較大，因此機電的時間常數也較人。
    ⑶．無槽式直流伺服電動機
    無槽式直流伺服電動機通常稱做小慣量直流電動機。搖臂鉆床它與有槽式電動機的區(qū)別在于其轉子表面無槽，而是直接將電樞繞組固定在圓筒形鐵芯的表面上。這種電動機—般采用永久磁鐵勵磁。由于鐵芯表面有繞組，使轉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，勢必將永久磁鐵和電樞的鐵芯加長，所以這種電動機呈細長結構。由于電動機的轉動慣量與轉子直徑的平方成正比，因而這種電動機的轉動慣量非常小。無槽式自流剛R電動機具有下列特點：
    ●啟動轉矩人，轉矩／慣量比大；
    ●轉子轉動慣量小，電樞自感小，所以機電的時間常數小，僅為首通電動機的1／lo，閱此，動態(tài)響應特性好；
    ●低速時無爬行現象，換向性能良好。
    ⑷．動圈式直流伺服電動機
    動圈式直流伺服電動機是轉子不具有鐵芯的電動機搖臂鉆床。轉子結構有杯形、扁平形或直線形結構。t杯形轉子直流伺服電動機。這種電動機的轉了無鐵芯，電樞繞組按一定方式繞制成圓 筒形井同轉于上的電樞支架連在一起。由于轉子上沒有鐵芯，所以轉動慣量特別小。杯形直流伺服電動機有外磁式和內磁式兩種。外磁式是磁鐵在杯形繞組的外邊，而內 磁式是在里邊。外磁式機電時間常數很小，動態(tài)響應奸，功率可達幾千瓦。內磁式由 于碰鑰體積受到限制，轉矩較小，輸出功率一般只有幾十瓦。t扁平形電樞直流伺服電動機。這種電動機的電樞繞組做成扁平形，它又有盤繞形、印制繞組等結構形式。盤繞形電樞是用漆包線繞制而成，并剛環(huán)氧樹脂黏結成形-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機具有中等轉動慣量和中等輸出功率。總之，動圈式直流伺服電動機是性能良好的直流伺服電動機，具有轉矩脈動小、電感小、整流好、啟動轉矩大等特點。
    ⑸．無刷直流伺服電動機
    無刷直流伺服電動機沒有電刷，搖臂鉆床避免了電刷磨損、產生火花及引起噪聲等缺陷。它的整流靠晶體管之類的半導體開關器件來實現，其結構和一般有刷直流伺服電動機也不同，它的電樞是在定子上，而有刷直流伺服電動機的電樞都是在轉子lo無刷直流伺服電動機除了電子開關器件外，還需位置檢測元件來檢測轉子的位置，以控制電子開關換流。它具有單相、兩相、三相和四相繞組等。與有刷直流伺服電動機相比，它的壽命長、維修簡單，且電動機換向時不必改變端電壓極性，而只改變開關器件的開關狀態(tài)即可。
    ⑹．寬調速直流伺服電動機
    寬調速直流伺服電動機具有較人的轉動慣量，搖臂鉆床俗稱大慣量自流伺服電動機。采用大慣量的目的是為了便于直接與機床大慣量負載相匹配。而前述的小慣量直流伺服電動機，為了實現與機床慣量的匹配，通常需要齒輪減速機構。寬調速岜流伺服電動機內部多數裝有測速發(fā)電動機，在速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用很方便。寬調速直流電動機分電流檄磁和永久磁鐵兩類。電流激磁的優(yōu)點是激磁電流大小易于調整，便于安排補償繞組和換向器，故換向性能好，可在較寬的速度范圍內實現恒轉矩控制。永久磁鐵的優(yōu)點是：不需激磁，效率較高，低速時輸出力矩較人，尺寸小且溫升低。但由于無換向極和補償繞組，換向性能較差。寬調速直流伺服電動機具有下述優(yōu)點：，低速性能好，轉矩大，可以和機床進給絲杠直接連接，省掉鹵輪傳動機構，從而減小傳動誤差；，轉子慣量較大，易于和機床匹配，  搖臂鉆床，倥負載的影響變�。� ，轉子熱容量人，耐熱性能奸，因此過載性能強，允許過載轉矩達5—10倍；t機械特性和調速特性的線性度好，低速能輸出較大的力矩，因此調速范圍寬，電動機運行平穩(wěn)。
    直流電動機的工作原理直蒲問朋冉動朝與啪靖由動舶腫丁肛屈觀宕全相同。他激直流電動機轉子上的載流導體(即電樞繞組)，在定于磁場中受到電磁轉矩M的作用，使電動機轉子旋轉。

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