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首 頁 >> 技術文章 >>數控機床用主軸伺服系統
數控機床用主軸伺服系統
日期: 2009-02-18
  

        數控機床的主軸系統和進給系統有很大的差別。根據機床主傳動的工作特點,早期的機床主軸傳動全部採用三相非同步電動機加上多級變速箱的結構。隨著技術的不斷發展,機床結構有了很大的改進,從而對主軸系統提出了新的要求,而且因用途而異。在數控機床中,數控車床占42%,數控鑽鏜銑床占33%,數控磨床、衝床占23%,其他只占2%。為了滿足量大面廣的前兩類數控機床的需要,對主軸傳動提出了下述要求:主傳動電動機應有2.2250kW的功率範圍;要有大的無級調速範圍,如能在11001000範圍內進行睌鉒x調速和110的琤\率調速;要求主傳動有四象限的驅動能力;為了滿足螺紋車削,要求主軸能與進給實行同步控制;在加工中心上為了自動換刀,要求主軸能進行高精度定向停位控制,甚至要求主軸具有角度分度控制功能等等。

       主軸傳動和進給傳動一樣,經歷了從普通三相非同步電動機傳動到直流主軸傳動,而隨著微處理器技術和大功率電晶體技術的進展,現在又進入了交流主軸伺服系統的時代,目前已很少見到在數控機床上有使用直流主軸伺服系統了。但是國內生產的交流主軸伺服系統的產品尚很少見,大多採用進口產品。

       交流伺服電動機有永磁式同步電動機和籠型非同步電動機兩種結構形式,而且絕大多數採用永磁式同步電動機的結構形式。而交流主軸電動機的情況則不同,交流主軸電動機均採用非同步電動機的結構形式,這是因為,一方面受永磁體的限制,當電動機容量做得很大時,電動機成本會很高,對數控機床來講無法接受採用;另一方面,數控機床的主軸傳動系統不必像進給伺服系統那樣要求如此高的性能,採用成本低的非同步電動機進行向量閉環控制,完全可滿足數控機床主軸的要求。但對交流主軸電動機性能要求又與普通非同步電動機不同,要求交流主軸電動機的輸出特性曲線(輸出功率與轉速關係)是在基本速度以下時為睌鉒x區域,而在基本速度以上時為琤\率區域。

       交流主軸控制單元與進給系統一樣,也有類比式和數位式兩種,現在所見到的交流主軸控制單元大多都是數位式的。下圖示出了交流主軸控制單元的框圖。

1-速度指令 2-速度回饋 3-比例積分回路 4-絕對值回路 5-負載表 6-函數發生器

7VF變換器 8-微處理器 9DA強勵磁 10DA振幅器 11-乘法器 12-電流指令回路

13-電流控制回路 14PWM控制回路 15PWM變換器 16-脈衝發生器 17-四倍回路

18-微分回路 19FV變換器 20-同步整流電路

       它們的工作過程簡述如下:由數控系統來的速度指令(如10V時相當於6000r/min4500r/min)在比較器中與檢測器的信號相與之後,經比例積分回路3將速度誤差信號放大作為轉矩指令電壓輸出,再經絕對值回路4使轉矩指令電壓永遠為正。然後經函數發生器6(它的作用是當電動機低速時提高轉矩指令電壓),送到VF變換器7,變成誤差脈衝(如10V相當於200kHz)。該誤差脈衝送到微處理器8並與四倍回路17送來的速度回饋脈衝進行運算。在此同時,交預先寫在微處理器部件中的ROM中的資訊讀出,分別送出振幅和相位信號,送到DA強勵磁9DA振幅器10DA強勵磁回路用於控制增加定子電流的振幅,而DA振幅器用於產生與轉矩指令相對應的電動機定子電流的振幅。它們的輸出值經乘法器11之後形成定子電流的振幅,送給U相和V相的電流指令回路12。另一方面,從微處理器輸出的UV兩相的相位(即sinθ和sin(θ-120°))也被送到U相和V相的電流指令回路12,它實際上也是一個乘法器,通過它形成了U相和V相的電流指令。這個指令與電機電流回饋信號相與之後的誤差,經放大後送至PWM控制回路14,變成頻率為3kHz的脈寬信號。而W相信號則由IuIv兩信號合成產生。上述脈衝信號經PWM變換器15控制電動機的三相交流電流。脈衝發生器16是一個速度檢測器,用來產生每轉256個脈衝的正、余弦波形,然後經四倍回路17變成1024脈衝/r。它一方面送微處理器,另一方面經FV變換器19作為速度回饋送到比較器2,並與速度指令進行比較。但在低速時,由於FV變換器的線性度較差,所以此時的速度回饋信號由微分電路18和同步整流電路20產生。

 

 

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