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第三節(jié)　數控機床的伺服驅動系統(tǒng)

一、概述

伺服驅動系統(tǒng)是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。

對于數控機床，如果說CNC裝置是數控機床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮機構”，那么伺服系統(tǒng)便是數控機床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構”，能夠準確地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)出的運動命令。

二、步進電動機及其驅動

(一)步進電動機(重點)

Ⅰ：原理：

步進電動機是一種同步電動機，是一種將電脈沖信號轉換成角位移(或直線位移)的執(zhí)行元件。這種電動機，每施加一個電脈沖，其轉軸就轉過一個角度，稱為一步。脈沖數增加，角(或直線)位移隨之增加;脈沖頻率高，電動機旋轉速度就快，反之則慢;分配脈沖的相序改變，電動機便反轉。

步進電動機繞組所加電源既不是恒定直流，也不是正弦交流，而是脈沖電壓，所以有時也稱為脈沖電動機。

Ⅱ:反應式步進電動機

電動機定子有A、B、C三對磁極。在相應的磁極上繞有A、B、C三相控制繞組。

(1)當A、B、C三對磁極的繞組依次輪流通過直流電時，則A、B、C三對磁極就依次輪流產生磁場吸引轉子轉動。

首先，當A相繞組通電，B、C兩相斷電時，轉子的齒1、3分別被定子磁極A—A’吸引而對齊。

然后，A相斷電，B相通電，于是轉子的2、4兩齒被定子磁極B—B’吸引，這時轉子逆時針轉了30，接下去B相斷電，C相通電，轉子1、3齒與定子磁極C-C′軸線對齊，轉子又逆時針轉過了30。

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。“三相”是指定子有三相繞組A、B、C，“單”是指每次只有一相繞組單獨通電，“三拍”是指經過三次經過切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。每一拍，即輸入一個脈沖信號，都使轉子轉過一個角度，稱之為步距角θs。

(2)計算公式如下：

步距角　Θs=360/mkz

m ——步進電動機的相數;

k ——與通電方式有關的系數，如單拍或雙拍是為1，單、雙拍是為2;

z ­——不僅電動機轉子的齒數。

(3)步進電動機也可以采用三相單、雙拍通電方式，通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A……

轉速：　n=60f/NZ (轉/分)

N =mk —運行拍數

即步進電機轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和運行拍數。

步進電動機的轉子齒數多，步距角也就越小，位置精確度就越高。

三、直流伺服電動機及其速度控制

直流伺服電動機具有良好的調速性能，尤其是他勵(永磁)直流伺服電動機，其機械特性比較硬，即負載增加時，電動機轉速的降幅很小。

1.直流主軸電動機。直流主軸電動機的結構與普通直流電動機的結構基本相同。

在基本速度nj以下為恒轉矩范圍，在基本速度nj以上為恒功率范圍。通常恒轉矩速度范圍與恒功率速度范圍之比為1:2。

2.進給直流伺服電動機。在數控機床的直流進給伺服驅動系統(tǒng)中，多采用永磁直流伺服電動機作為驅動元件。

3.工作曲線：

伺服電動機的工作區(qū)域被溫度極限線、轉速極限線、換向極限線、轉矩極限線以及瞬時換向極限線劃分成三個區(qū)域：

Ⅰ 區(qū)為連續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內轉矩和轉速的任意組合都可以長時間連續(xù)工作。

Ⅱ 區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內電動機只能按允許的工作時間和斷電時間間歇工作。

Ⅲ 區(qū)為加速和減速區(qū)，在該區(qū)域內電動機只能作加速或減速，工作極短的時間。

四、交流伺服電動機及其速度控制

直流伺服電動機具有優(yōu)良的調速性能，但結構復雜，制造困難，成本高。因此，20世紀80年代中期以來，交流伺服電動機得到飛速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)正在逐步取代直流伺服系統(tǒng)。

1.交流主軸電動機。

(1)是經過專門設計的鼠籠式三相異步電動機。

(2)特點：

沒有外殼，定子鐵芯直接暴露在空氣中，而且有軸向通風孔，以利于電動機冷卻、縮小電動機體積。

轉子做成細長型，以便減小轉子的轉動慣量。

尾部都同軸安裝有脈沖發(fā)生器(或脈沖編碼器)。

(3)交流主軸電動機的功率一速度特性曲線與直流主軸電動機相類似

在基本速度以下為恒轉矩區(qū)域，在基本速度以上為恒功率區(qū)域。

2.永磁同步交流伺服電動機。

(1)主要由定子、轉子和檢測部件三部分組成：

(2)當定子三相繞組接上電源后，就產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場吸引永磁轉子同步旋轉。

轉子轉速為：n =60f/P

式中： f—— 電源頻率; P——磁極對數。

本章歷年題型：

1.(單選題)(2008年)交流主軸電動機是經過專門設計的鼠籠式三相異步電動機。它的( )仍與普通鼠籠式三相異步電動機的相同。

A.定子鐵芯結構

B.外形

C.定子繞組構造形式

D.外殼

答案：C

2.(多選題)(2008年)下列關于CNC裝置內裝型PLC的說法中，正確的是( )。

A.它可以具有自己的專用微處理器

B.它可以采用單獨的電源和地線

C.它可以單獨制成一塊印刷電路板

D.它可以使用本身的I/O接口與機床側的I/O連接

E.它可以傳輸高級控制功能

答案：ACE

3.(綜合題)目前，在我國企業(yè)使用的數控機床中，已有相當數量的機床由于機械精度下降、電氣控制元件損壞(有些已買不到)等原因處于停用或半停用狀態(tài)。若要繼續(xù)有效利用這些設備，就必須針對其具體情況進行再生改造。

試問：

從舊數控機床的剩余價值、改造費用、改造方案以及企業(yè)的實際生產狀況等方面敘述應如何對其進行技術改造。

答案：

(1)正確估計被改造數控機床的剩余價值

(2)對是否值得改造做出判斷

(3)對舊數控機床進行再生改造

(4)再生改造與企業(yè)的實際生產狀況相適應

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（責任編輯：中大編輯）