2010年資產(chǎn)評(píng)估師《機(jī)電設(shè)備評(píng)估》考點(diǎn)精講:第五章(6)

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第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
    一、概述
    伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱伺服系統(tǒng)(Serve system),是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
    伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。
    (一)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類
    按控制對(duì)象和使用目的
     進(jìn)給伺服系統(tǒng)
       用于控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng),是一種精密的位置跟蹤、定位系統(tǒng),它包括速度控制和位置控制。
    主軸伺服系統(tǒng)
       用于控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率,一般只以速度控制為主。
    輔助伺服系統(tǒng)
       用在各類加工中心或多功能數(shù)控機(jī)床中,用來控制刀庫(kù)、料庫(kù)等輔助系統(tǒng),一般多采用簡(jiǎn)易的位置控制。
    按伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論
       數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。
    按驅(qū)動(dòng)部件的動(dòng)作原理
       電液控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng),其中,電氣控制系統(tǒng)分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
    按反饋比較控制方式
       脈沖比較、相位比較、幅值比較和全數(shù)字等伺服系統(tǒng)。
    (二)數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求
    對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求:
    高精度
       要求伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確定位,即定位誤差特別是重復(fù)定位誤差要小,并且伺服系統(tǒng)的跟隨精度高,即跟隨誤差小。一般定位精度達(dá)到μm級(jí),高的要求達(dá)到±0.01~±0.005μm。
    快速響應(yīng),無超調(diào)
       加工過程中,為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量,要求加(減)速度足夠大,以便縮短伺服系統(tǒng)過渡過程時(shí)間。一般電動(dòng)機(jī)速度從零變到速,或從速降至零,時(shí)間在200毫秒以下,甚至小于幾十毫秒。
    調(diào)速范圍寬
       為保證在任何情況下都能得到切削條件,要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍(至少達(dá)到1:1000,有些高性能系統(tǒng)已能達(dá)到1:100000)。而且通常是無級(jí)調(diào)速。
    低速大轉(zhuǎn)矩
       具有較強(qiáng)的過載能力。力矩波動(dòng)要小,一般允許的波動(dòng)數(shù)在3%左右。
    可靠性高
       對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng),性能穩(wěn)定,使有壽命長(zhǎng),平均無故障間隔時(shí)間長(zhǎng)。
    對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求:
    主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅應(yīng)該具有寬的調(diào)速范圍,而且能在盡可能寬的速度范圍內(nèi)保持恒功率輸出。為了滿足不同數(shù)控機(jī)床的加工要求,還對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出一些特殊要求,如:
    為了能在數(shù)控車床等機(jī)床上加工螺紋,要求主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制;
    為了保證端面加工的表面粗糙度,要求數(shù)控車床、磨床等機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有恒線速切削功能;
    在加工中心上,由于自動(dòng)換刀的需要,要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高精度的停位控制功能;
    有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有角度的控制功能。
    【例題·單選題】數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(?。┑恼f法是錯(cuò)誤的。
    A.包括速度控制和位置控制
    B.在低速時(shí)應(yīng)該輸出大轉(zhuǎn)矩
    C.應(yīng)該響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬
    D.具有恒線速切削功能
    『正確答案』D
    『答案解析』數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是:1.高精度;2.快速響應(yīng),無超調(diào);3.調(diào)速范圍寬;4.低速轉(zhuǎn)矩大;5.可靠性高。
    【例題·單選題】(2007)數(shù)控機(jī)床不要求進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有(?。┑墓δ?。
    A.快速響應(yīng)
    B.調(diào)速范圍寬
    C.低速大轉(zhuǎn)矩
    D.在寬調(diào)速范圍內(nèi)保持恒功率輸出
    『正確答案』D
    『答案解析』數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是高精度,快速響應(yīng)、無超調(diào),調(diào)速范圍寬,低速轉(zhuǎn)矩大,可靠性高。
    二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)
    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制。比較簡(jiǎn)單,控制和維修也比較方便。由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高,且步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率和速度也不高,因此這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅用于小容量、速度低和精度不太高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和電加工機(jī)床、計(jì)算機(jī)的打印機(jī)、繪圖儀等外部設(shè)備。
    (一)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種同步電動(dòng)機(jī),是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移(或直線位移)的執(zhí)行元件?!   ?BR>    【提示】脈沖數(shù)增加,角(或直線)位移隨之增加;脈沖頻率高,電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就快,反之則慢;分配脈沖的相序改變,電動(dòng)機(jī)便反轉(zhuǎn)。
    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組所加電源是脈沖電壓,也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多,有多種分類方法。若按工作原理分類,則可將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為:反應(yīng)式(磁阻式)、電磁式、永磁式和永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其中反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)比較常用。
    優(yōu)點(diǎn)
     ?。?)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速主要取決于脈沖的頻率,轉(zhuǎn)數(shù)取決于脈沖數(shù)。
    (2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距值不受各種干擾因素的影響。
    (3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過的角度(實(shí)際步距值)與理論步距值之間總有一定的誤差。從某一步到任何一步,也總會(huì)有一定的累積誤差,但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零。步距誤差不長(zhǎng)期積累。
    缺點(diǎn)
      過載能力比較差。
    1.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
    工作過程:當(dāng)A、B、C三對(duì)磁極的繞組依次輪流通過直流電時(shí),則A、B、C三對(duì)磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
    首先,當(dāng)A相繞組通電,B、C兩相斷電時(shí),轉(zhuǎn)子的齒1、3分別被定子磁極A—A’吸引而對(duì)齊。
    然后,A相斷電,B相通電,于是轉(zhuǎn)子的2、4兩齒被定子磁極B—B’吸引,這時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30o,接下去B相斷電,C相通電,轉(zhuǎn)子1、3齒與定子磁極C-C′軸線對(duì)齊,轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)過了30 o?! ?BR>    這種按A→B→C→A→B→C→A……順序輪流通電的方式稱為三相單三拍?!叭唷笔侵付ㄗ佑腥嗬@組A、B、C,“單”是指每次只有一相繞組單獨(dú)通電,“三拍”是指經(jīng)過三次經(jīng)過切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)。每一拍,即輸入一個(gè)脈沖信號(hào),都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)角度,稱之為步距角θs。
    2.永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
    由于在磁路中含有永久磁鋼,所以,永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組斷電后,仍有一定的定位轉(zhuǎn)矩。
    3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)有:
    步距精度
      空載時(shí),以單脈沖輸入,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差,以偏差的角度或相對(duì)百分?jǐn)?shù)來衡量。我國(guó)生產(chǎn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距精度一般在±10~±30分的范圍,有些可達(dá)±2~±5分。
    靜轉(zhuǎn)距
      轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),能與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的電磁轉(zhuǎn)矩稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。它是衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力的主要指標(biāo)。
    起動(dòng)頻率
      使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠由靜止定位狀態(tài)不失步地起動(dòng),并進(jìn)入正常運(yùn)行的控制脈沖頻率,稱為起動(dòng)頻率。在電動(dòng)機(jī)空載情況下,稱為空載起動(dòng)頻率。在有負(fù)載情況下,不失步起動(dòng)所允許的頻率將大大降低。
    連續(xù)運(yùn)行頻率
      步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后,其轉(zhuǎn)速將跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的控制脈沖的頻率,稱為連續(xù)運(yùn)行頻率的工作頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率隨負(fù)載的增大而下降,但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行頻率遠(yuǎn)高于其起動(dòng)頻率。
    (二)步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求
    1.電源的相數(shù)、電壓、電流、通電方式與步進(jìn)電機(jī)的要求相適應(yīng);
    2.滿足起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求;
    3.工作可靠、抗干擾能力強(qiáng);
    4.成本低,效率高,安裝和維護(hù)方便;
    驅(qū)動(dòng)電源由環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)器組成。
    【例題·單選題】(2009)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角,步距角與電動(dòng)機(jī)( )的說法是錯(cuò)誤的。
    A.轉(zhuǎn)子齒數(shù)成反比
    B.相數(shù)成反比
    C.運(yùn)行拍數(shù)成正比
    D.通電方式系數(shù)成反比
    『正確答案』C
    『答案解析』 ,所以步距角和運(yùn)行拍數(shù)(N),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)(m),轉(zhuǎn)子的齒數(shù)(Zr),通電方式有關(guān)的系數(shù)(K)均呈反比。