第六部分数控机床的电气驱动与电机().DOC

第六部分 数控机床的电气驱动与电机 1.机床动力源 机床动力源根据用途分为三种类型:提供切削速度的主轴驱动动力源，进给驱动动力源及辅助运动驱动动力源。数控机床中多使用电动机作为动力源。 (1)主轴驱动动力源: 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，所以大部分数控机床的主运动由电动机驱动。 一般不采用交流电动机直接驱动主轴。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。 (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，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: a.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； b.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。此外，进给运动的速度比切削运动慢得多。尽管进给运动的速度不高，但是，进给驱动动力源的控制精度和响应速度必须很高。 (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，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。 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。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。 步进电动机的分类: 步进电动机分反应式和混合式两大类。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。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，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。 (2)步进电动机的工作原理: 要求了解步进电动机的工作原理。以三相步进电动机为例，有三相单三拍、三相单—双六拍和三相双三拍通电方式。同一台步进电动机通电方式不同，运行时步距角也不同。采用单一双拍通电方式时，步距角要比单拍通电减少一半。在实际中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电，容易造成失步且运行的稳定性较差，所以很少用。通常用双三拍通电方式，它的步距角和单三拍通电方式相同。 反应式步进电动机的转子齿数z基本上由步距角的要求所决定。转子的齿数就必须满足一定条件，而不能为任意数值。当定子的相邻极属于不同的相时，在某一极下若定子和转子的齿对齐时，则要求在相邻极下的定子和转子之间应错开转子齿距的1/m,即它们之间的空间位置上错开角。由此可得出转子齿数应符合的条件: =0,1,2,3,…… 式中 ——步进电动机的定子极数； ——相数。 步进电动机的步距角由下式决定: 式中 ——状态系数，当采用单三拍或双三拍运行时取1,采用六拍通电方式时取2。若步进电动机通电的脉冲频率为,则步进电动机的转速(r/min)为: 电动机的相数和齿数越多，步距角就越小，又从上式可知，这种步进电动机在一定的脉冲频率下，转速亦越低。但相数越多，电源就越复杂，成本也越高。因此，步进电动机最多为6相。 (3)步进电动机的运行性能: a.静特性，主要指静态距角特性和最大静转矩特性。 b.动特性 步进电动机的动特性直接影响系统的快速响应及工作的可靠性。它与电动机的性能和负载性质有关，还和电源的特性及通电的方式有关，其中有些因素还是属于非线性的。 (a)步进运行状态时的动特性若电动机绕组通电脉冲的时间间隔大于步进电动机机电过渡过程所需的时间，这时电动机为步进状态。 (b)连续运行状态时的动特性当控制绕组的电脉冲频率增高，相应的时间间隔也减小，以至小于电动机机电过渡过程所需的时间，形成连续运行状态。实际上，步进电动机大都是在连续运行状态下工作的。在这样运行状态下电动机所产生的转矩称为动态转矩。 步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。步进电动机的最大动态转矩将小于最大静转矩，并随着脉冲频率的升高而降低。在步进