数控的技术和应用[清华版-6-数控机床的电气驱动].ppt

第6章 数控机床的电气驱动 数控机床动力源的性能直接关系到数控机床的性能，本章主要介绍数控机床动力源普遍使用的电动机，包括作为进给驱动的步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机以及作为主轴驱动的交流感应电动机。 6.1 数控机床动力源的类型 机床的动力源可以是气动、液压或电动的，在数控机床中多使用电动机作为动力源。机床动力源根据用途可分为三种类型：提供切削速度的主轴驱动动力源，进给驱动动力源，以及辅助运动驱动动力源。 6.1.1 主轴驱动动力源 驱动主运动的动力源必须为主轴提供能量和较高的速度，因为电动机可以在很宽的工作范围内经济地提供足够的能量和速度，因此大部分数控机床的主运动由电动机驱动，而不用液压马达驱动。 在20世纪80年代末期，已经出现了主轴转速高达20000r/min的车床，在这么高的转速下，主轴轴承采用特殊的陶瓷轴承。为了实现高速主轴的无接触支承，还致力于开发电磁轴承。主轴最高转速受电动机功率、所采用的轴承以及润滑系统等几个方面的限制。 交流感应电动机是最可靠、维护最简单、并且最经济的一种电动机，三相交流电动机改变转向也比较容易，如果使用极对数可变的电动机，还可以获得350，700，1400，2800r/min等四个转速等级。 自1984年以来，由于变频调速技术的发展，变频调速交流感应电动机的使用越来越多。在需要调速的场合，通常使用直流电动机。直流电动机可以在无级调速时输出足够的功率。为了将交流电转换成直流电并且获得所需的速度，使用晶闸管进行可控整流。 6.1.2 进给驱动动力源 在普通机床中，通常由主轴带动齿轮链驱动进给运动。在数控加工中，由于需要使工件或刀具按一定的进给速度移动精确的距离，所以进给运动就不能由主轴带动齿轮链驱动了。刀具或工件的运动有两种独立的要求： (1)在切削加工时，刀具或工件的实际位置总是要尽可能接近参考信号的位置； (2)除了加工螺纹，进给速度不需要精确控制。 与主轴驱动动力源相比，进给驱动动力源的功率要小得多，一般1kW就足够了。此外，进给运动的速度比切削运动慢得多，一般工进是5~200mm/min，快进是5m/min。 6.1.3 辅助运动驱动动力源 通常使用交流感应电动机作为辅助运动驱动动力源，这些辅助运动包括冷却泵、除屑、驱动液压马达等，在这些应用场合，只需要进行开/关控制。 6.2 步进电动机 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的电动机。步进电动机转动的角位移量和转速分别与电脉冲数和电脉冲频率成正比。通过调节电脉冲数和电脉冲频率，就可以控制步进电动机的角位移和转速。有的步进电动机在停机后，还可以具有自锁能力。步进电动机每转过一周都有固定的步数，从理论上说不会产生步距误差的累积。步进电动机的最大缺点是容易失步(失步包括丢步和越步。丢步是指转子前进的步数小于电脉冲数；越步是指转子前进的步数多于电脉冲数)，特别是在大负载和转速较高时，更容易发生失步，同时步进电动机输出的功率也不太大。 目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动。 6.2.1 步进电动机的分类 步进电动机分为反应式和混合式两大类 反应式步进电动机的转子是由一般铁磁性材料制作的，而混合式步进电动机的转子带有永久磁钢。反应式步进电动机又称磁阻式步进电动机，根据不同的分相结构形式，又分为单段反应式步进电动机和多段反应式步进电动机。单段反应式步进电动机是按径向分相的，而多段反应式步进电动机是按轴向分相的，以单段反应式步进电动机的使用最为广泛。 与反应式步进电动机相比，混合式步进电动机的转矩体积比大，而且混合式步进电动机的步距角容易做得比较小，因此在工作空间受到限制、同时又需要小步距角和大转矩的应用场合，常常选用混合式步进电动机。 此外，混合式步进电动机在绕组未通电时，转子永久磁钢能产生自动定位转矩，虽然这一转矩比绕组通电时产生的转矩小得多，但它能使断电时转子保持在原来的位置，这是一种非常有用的特性。对于反应式步进电动机而言，由于其转子上没有永久磁钢，所以转子的机械惯量比混合式步进电动机转子惯量低，可以更快地加、减速。 6.2.2 步进电动机的工作原理 图6.1为说明三相反应式步进电动机的工作原理示意图。它的定子上有六个极，每极上都装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。 转子上有四个均匀分布的齿。当A相绕组通电时，因磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，使转子齿1、3和定子极A、A′对齐，如图6.1(a)所示。 A相断电，B相绕组通电时，转子将在空间转过θs角，θs=30o，使转子齿2、4和定子极B、B′对齐，如图6.l(b)所示。 如果再使B相断电，C相绕组通电时，转子又将在空间转过30o 角，使转子齿1、3和定子极C、C′对齐，如图6.1(c)所示。 如此循环