數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)與監(jiān)測(cè)講義

1、數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)與監(jiān)測(cè)第一節(jié) 概述 一、伺服系統(tǒng)的概念v數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是以機(jī)械位移為直節(jié)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，也可稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一種是進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以直線運(yùn)動(dòng)為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運(yùn)動(dòng)，以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主。本章只介紹第一種伺服系統(tǒng)。vCNC裝置是數(shù)控機(jī)床發(fā)布命令的“大腦”，而伺服驅(qū)動(dòng)則為數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”，它能夠準(zhǔn)確的執(zhí)行來(lái)自CNC裝置的運(yùn)動(dòng)指令。驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)部件和速度控制單元組成。驅(qū)動(dòng)部件由交流或直流電動(dòng)機(jī)、位置監(jiān)測(cè)元件及相關(guān)的機(jī)械傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)部件組成。v伺服系統(tǒng)的控

2、制方法主要分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方法。它實(shí)際上是指伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制的三種方式。v開(kāi)環(huán)控制只有從發(fā)出的位置指令輸入到最后的位置輸出的前向通道控制，而沒(méi)有測(cè)量實(shí)際位置輸出的反饋通道。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu)就是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)例。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整維護(hù)方便、工作可靠、成本低，但每一指令脈沖的進(jìn)給誤差、傳動(dòng)鏈的誤差間隙、導(dǎo)軌滑動(dòng)時(shí)摩擦力的不均衡等造成的誤差等最終都反映到實(shí)際位移中去，使得定位精度較低。此外，它的速度低，低速平穩(wěn)性差，效率也較低。電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大v如果在電動(dòng)機(jī)軸或絲桿上安

3、裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器反饋轉(zhuǎn)角的變化，則系統(tǒng)變成了半閉環(huán)系統(tǒng)。這樣，與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比，半閉環(huán)系統(tǒng)，提高了精度，但它檢測(cè)的反饋信號(hào)來(lái)自于系統(tǒng)中某一個(gè)非最終輸出的環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)無(wú)法對(duì)這一環(huán)節(jié)到最終控制目標(biāo)之間的誤差自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋v在前向控制通道的基礎(chǔ)上在加上直接檢測(cè)最終輸出的反饋控制通道就形成了閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。檢測(cè)元件通常為直線感應(yīng)同步器和光柵等直線行位檢元件，安裝在最終的移動(dòng)目標(biāo)工作臺(tái)上。v伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。數(shù)控機(jī)床的最高移動(dòng)速度，跟蹤速度

4、，定位精度等重要的指標(biāo)都取決于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。它一直是數(shù)控機(jī)床研究的重要課題之一。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋 二、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求v 數(shù)控機(jī)床完成各種不同的加工任務(wù)，對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，可概括為以下幾點(diǎn)要求。 1.精度高 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。直接影響機(jī)的定位精度和重復(fù)定位精度，因而對(duì)零件的加工精度影響很大。精密加工的數(shù)控機(jī)床要求定位和輪廓切削精度都比較高，一般允許偏差在0.010.001mm之間，甚至到0.1um。 2.調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍R

5、n為 Rn=nmax/nmin 式中nmax 、nmin 額定負(fù)載時(shí)的最高、最低轉(zhuǎn)速，單位為r/min。v 對(duì)一般的數(shù)控機(jī)床而言，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍Rn為1:24000就足夠了，即在124000mm/min調(diào)速范圍內(nèi)速度能夠均衡、穩(wěn)定、無(wú)爬行地工作。較為先進(jìn)的機(jī)床可以獲得更大的調(diào)速范圍。 3.快速響應(yīng) 為了保證輪廓切削形狀精度和表面粗糙度，除了保證較高的定位精度外，還要求跟蹤指令信號(hào)響應(yīng)快，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十ms。 4.低速大轉(zhuǎn)矩 切削加工的特點(diǎn)一般是在低速時(shí)進(jìn)行重切削。為適應(yīng)加工要求對(duì)伺服系統(tǒng)要求低速大轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)具有這一特性，可以簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，使傳動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)得道簡(jiǎn)化系統(tǒng)

6、剛性加強(qiáng)，使傳動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)質(zhì)量和傳動(dòng)精度得到提高。 4.高性能的伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)是伺服系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)元件。為滿足上述要求，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求應(yīng)該是：從最低速度到最高速度能平滑運(yùn)轉(zhuǎn)，具有大的、較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力、響應(yīng)快，還要求能承受平凡的啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。v進(jìn)給驅(qū)動(dòng)用的伺服電動(dòng)機(jī)主要有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，直流和交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)是機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的一個(gè)方向。自80年代中期開(kāi)始，交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)得到了迅速的發(fā)展。今天，一些先進(jìn)的國(guó)家?guī)缀跞坎捎媒涣鬟M(jìn)給驅(qū)動(dòng)。交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)是以異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的交流電動(dòng)機(jī)，而所采用的異步電動(dòng)機(jī)多為批量生產(chǎn)的普通結(jié)構(gòu)形式的異步電動(dòng)機(jī)，可以預(yù)見(jiàn)，交流調(diào)

7、速電動(dòng)機(jī)將是最有發(fā)展前途的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置。第二節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用v步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的驅(qū)動(dòng)元件。給一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就回轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步，所以稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。有由于它輸入的是脈沖電流，也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。v步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有精度高，慣性小的特點(diǎn)，對(duì)各種干擾因素不敏感，誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累，轉(zhuǎn)過(guò)360以后其積累誤差為“0”。它主要用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，也可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。按勵(lì)磁方式的不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為反應(yīng)式、永磁式、感應(yīng)式和混合式等。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理具有反應(yīng)式和永磁式兩種電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，在同樣的勵(lì)磁電流下，它可以產(chǎn)生

8、更大的轉(zhuǎn)矩。目前這種電動(dòng)機(jī)以在數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用普遍，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，是我們分析的重點(diǎn)對(duì)向。 一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理v 圖6-2所示為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。它的定子和轉(zhuǎn)子鐵心通常由硅鋼片疊成。定子上有A、B、C三對(duì)磁極，在相對(duì)應(yīng)的磁極上繞有A、B、C三向控制繞組。假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒，齒寬與定子的極靴寬相等，相鄰兩齒所對(duì)應(yīng)的空間角度為齒距角。 齒距角Ot為 Ot=360/Zr 式中Zr轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 在圖6-2所示的三相(A、B、C)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中，Zr=4,齒距角Ot=90。表6-1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角精度分級(jí) 步距角 1級(jí)精度 2級(jí)精度 sTam，在電磁轉(zhuǎn)矩作

9、用下，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步矩角到達(dá)新的平衡位置n，此時(shí)，Tbn=T1。顯然，如果負(fù)載T1Tq，A、B相的切換無(wú)法使轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置n，而產(chǎn)生“失步“現(xiàn)象。不同相數(shù)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不同，一般相數(shù)越多，拍數(shù)越多，則氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。v根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、拍數(shù)選取起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，見(jiàn)表6-3。表中Tmax為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩。 3、起動(dòng)頻率和起動(dòng)特性v起動(dòng)頻率是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不失步起動(dòng)所能施加的最高控制脈沖頻率。在電動(dòng)機(jī)空載情況下，成為空載起動(dòng)頻率。在有負(fù)載情況下，不失步起動(dòng)所允許的最高頻率將大大降低。例如70BF3型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)頻率是1400Hz，當(dāng)負(fù)載為最大轉(zhuǎn)矩Tmax的0.55倍時(shí)，起動(dòng)頻率下降

10、到50Hz。表6-3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)、拍數(shù)、最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩表運(yùn)行方式 相數(shù) 3456拍數(shù) 3648510612Tq/Tmax 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 v步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶一定負(fù)載起動(dòng)后，連續(xù)緩慢提高脈沖頻率直到不丟步運(yùn)行的最高頻率稱為運(yùn)行頻率。它比起動(dòng)頻率大得多。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常采用升降速控制，起停時(shí)頻率降低，正常運(yùn)行時(shí)，頻率升高。圖6-7表示了負(fù)載轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率的關(guān)系。 頻率選擇時(shí)因滿足下式 ftfop (6-4)v式中 ft步進(jìn)電動(dòng)機(jī)極限起動(dòng)頻率； fop要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高起動(dòng)頻率。 4、連續(xù)運(yùn)行頻率v步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中一般均

11、處在連續(xù)脈沖運(yùn)行狀態(tài)，控制脈沖的變化及對(duì)它的影響可分為三個(gè)區(qū)段： （1）脈沖頻率極低 這時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行為連續(xù)的單步運(yùn)動(dòng)。一般電動(dòng)機(jī)由一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)變化到另一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子要在新的穩(wěn)定點(diǎn)附近來(lái)回振蕩若干次，最后才穩(wěn)定下來(lái)。當(dāng)輸入的脈沖時(shí)間間隔大于電動(dòng)機(jī)振蕩衰減時(shí)間時(shí)，第二個(gè)脈沖還沒(méi)到來(lái)時(shí)，前一次的脈沖已經(jīng)完畢，轉(zhuǎn)子處在穩(wěn)定位置，其運(yùn)行過(guò)程如圖6-8a所示，每一步都和單步運(yùn)動(dòng)一樣。這種狀態(tài)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠跟隨輸入脈沖可靠的工作。 （2）脈沖頻率很高 這時(shí)脈沖間隔短，在前一步還沒(méi)有振蕩結(jié)束，后一個(gè)脈沖就已經(jīng)來(lái)臨，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)平滑的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，如圖6-8所示。 （3）低頻共振 當(dāng)脈沖頻率介于及

12、低頻和高頻之間，容易接近于電動(dòng)機(jī)本身的振蕩頻率，這時(shí)電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，甚至失步無(wú)法工作。這就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻共振丟步現(xiàn)象。一般不允許步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在共振頻率下運(yùn)行。為減少這一共振現(xiàn)象，很多步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的阻尼器，消耗振動(dòng)能量，限制振幅。 5、應(yīng)用舉例v下面舉一個(gè)模擬工作臺(tái)的例子。工作臺(tái)的縱向軸是導(dǎo)程P=1.25mm的普通絲桿副，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)一對(duì)降速齒輪副與絲桿連接。設(shè)絲桿軸向的負(fù)載Fa=500N；最大進(jìn)給速度vmax=0.8m/min；脈沖當(dāng)量=0.002mm/step；傳動(dòng)的總效率是0.255。請(qǐng)選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。v設(shè)選用的徚進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角s=0.75/step （1）確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

13、的起動(dòng)力矩Tq 當(dāng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)力矩Tq作用下轉(zhuǎn)一個(gè)步矩角 s時(shí)，所作的功為 WD=Tq*s/3602 工作臺(tái)克服負(fù)載Fa、位移所做的功 Wa=Fa* 根據(jù)能量守恒 WD=Wa 得 Tq=360*Fa/2*s*=360*0.002*5000/2*3.14*0.75。*0.255N.mm=2997.3N.mm （2）確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax 為滿足最小步矩要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工方式，根據(jù)表6-3得Tq/Tmax=0.866，則 Tmax=299.73/0.866N.cm=346.11N.cm （3）確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率fmax=1000*vmax/60*=1000*0.8/60*0.

14、002Hz=6650Hz 根據(jù)以上參數(shù)選電動(dòng)機(jī)100BF003。它的Tmax=800N.cm,s=0.75/1.5fmax=7000。 三、脈沖分配v由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理知，要使電動(dòng)機(jī)正常的一步一步地運(yùn)行，控制脈沖必須按一定的順序分別供給電動(dòng)機(jī)各相，例如三相單拍驅(qū)動(dòng)方式，供給脈沖的順序?yàn)锳-B-C-A或A-C-A，也可稱為環(huán)形脈沖分配。脈沖分配有兩種方式：一種是硬件脈沖分配，另一種是軟件分配，是由計(jì)算機(jī)的軟件完成的。 1.脈沖分配器v脈沖分配器可以用門(mén)電路及邏輯電路構(gòu)成，提供符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制指令所需的順序脈沖。目前已經(jīng)有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的脈沖分配器供選擇。按其電路結(jié)構(gòu)不同可分

15、為T(mén)TL集成電路和CMOS集成電路。v目前市場(chǎng)提供的國(guó)產(chǎn)TTL脈沖分配器有三相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均為18個(gè)管腳的直插式封裝。CMOS集成脈沖分配器也有不同型號(hào)，例如CH250型用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，封裝形式為本16腳直插式。v這兩種脈沖分配器的工作方式基本相同，當(dāng)各個(gè)引腳連接好之后，主要通過(guò)一個(gè)脈沖輸入端，控制步進(jìn)的速度；一個(gè)輸入端控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向；并有與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)相同數(shù)目的輸出端分別控制電動(dòng)機(jī)的各相。 2.軟件脈沖分配v在計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通常采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。圖6-9所示是一個(gè)8031單片機(jī)與步進(jìn)

16、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接口的框圖。P1口的三個(gè)引腳經(jīng)過(guò)光電隔離/功率放大后，分別與電動(dòng)機(jī)的A、B、C三相連接。當(dāng)采用三相六拍方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的通常順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的順序?yàn)锳-AC-C-CB-B-BA-A。它們的環(huán)形分配如表6-4所示。蛇P1的某口為高電平時(shí)，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)相通電。步序 導(dǎo)電相 工作狀態(tài) 數(shù)值（16進(jìn)制） 程序的數(shù)據(jù)表 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) C B A TAB A0 0 1 01HTAB0 DB01HA B0 1 1 03HDB03H B0 1 0 02H DB02H B C1 1 0 06HDB06H C1 0 0 04HDB04H C A1 0 1 05HTA

17、B5 DB05H v把表中的數(shù)值按順序存入內(nèi)存的EPROM中，并分別設(shè)定表頭的地址為T(mén)AB0。計(jì)算機(jī)的P1口按從表頭開(kāi)始逐步加1的順序變化，電動(dòng)機(jī)正相旋轉(zhuǎn)，如果按從TAB5，逐步減1的順序變化，電動(dòng)機(jī)則反轉(zhuǎn)。圖6-10是控制電動(dòng)機(jī)方向、速度的子程序流程圖和源程序。v子程序的如口、出口如下： 入口：R6：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步數(shù)； R5：正反轉(zhuǎn)控制，R5=0時(shí)為正，R50或R50時(shí)為反； R7：TAB數(shù)據(jù)表指針。 以上參數(shù)在主程序中給定。v出口：R7：子程序結(jié)束時(shí)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，供下次調(diào)用時(shí)參考。v源程序如下：vSBU1： MOV DPTR，#TABv AJMP REDO ；轉(zhuǎn)移去判斷正反轉(zhuǎn)vDRIVER：

18、 MOV，R7 ；驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)v MOV A，A+DPTRv MOV P1，Av ACALL DELAY ；調(diào)延時(shí)子程序 v DJNZ R6，REDO ；距離不為0轉(zhuǎn)移 v MOV R7，A ；為0保存指針后返回v RETvREDO： CJNE R5，#00，NON ；如為反轉(zhuǎn)則轉(zhuǎn)移v CJNE R7，#05，L1 ；正轉(zhuǎn)：指針不到數(shù)組尾轉(zhuǎn)移v MOV R7，#00H ；否則指針清零v AJMP DRIVERvL1： INC R7 ；指針加1v AJMP DRIVERvNON： CJNE R7，#00H，L2 ；反轉(zhuǎn)：指針不在數(shù)組首轉(zhuǎn)移v MOV R7，#05H ；否則指針置5v AJMP

19、DRIVERvL2： DEC R7 ；指針減1vTAB： DB 01H，03H，02H，06H，04H，05Hv這里省略了延時(shí)子程序，通過(guò)改變延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的速度。在以計(jì)算機(jī)為控制核心的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中采用軟件進(jìn)行脈沖分配已形成趨勢(shì)。雖然軟件脈沖分配增加了編程的復(fù)雜程度，但它省去了環(huán)形脈沖分配器，系統(tǒng)減少了器件，降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。 四、驅(qū)動(dòng)電源及速度控制v環(huán)型脈沖分配器輸出的電流很小，必需經(jīng)過(guò)功率放大。過(guò)去常采用高低壓驅(qū)動(dòng)電源，現(xiàn)在則多采用恒流斬波和調(diào)頻調(diào)壓等形式的驅(qū)動(dòng)電源。 1.高低壓驅(qū)動(dòng)電源v隨著頻率增大，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力下降，如圖6-11所示，當(dāng)某一相繞組通

20、電時(shí)，三極管VT1導(dǎo)通，繞組已經(jīng)加上電壓，但是繞組中的電流是按著指數(shù)規(guī)律上升，并將電源的一部分能量轉(zhuǎn)換成勢(shì)能存儲(chǔ)在繞組中，電流的時(shí)間常數(shù)為 Ti=Lm/R （6-5） 式中 Lm步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相繞組的平均電感量； R通電回路的電阻，包括繞組電阻，功率放大器輸出級(jí)的內(nèi)阻及串聯(lián)電阻。v當(dāng)繞組斷電，存儲(chǔ)于繞組中的勢(shì)能將以直線形式釋放出來(lái)，電流按指數(shù)規(guī)律下降，其時(shí)間常數(shù)為 Tu=Lm/Rd (6-6) 式中 Rd放電回路電阻，它包括繞組，續(xù)流二級(jí)管正相電阻等v這使得繞組中電流只能緩慢的增加和下降，即電流波形有不陡的前沿和后沿。當(dāng)輸入頻率較低時(shí)，每相繞組通電和斷電的周期T較長(zhǎng)，電流I的波形比較接近于理想的

21、矩行波，如圖6-12a所示。當(dāng)頻率升高后，周期T縮短，電流I來(lái)不及上升到穩(wěn)定值就下降，電流的幅值降低，各相繞組電流幾乎同時(shí)存在，如圖6-12b致使負(fù)載能力下降，嚴(yán)重時(shí)不能起動(dòng)。為了提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，必須使電流波形前后沿更陡些。v在單一電壓型電源中，可以在繞組回路中串聯(lián)一個(gè)電阻R0，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流增長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)變小，為 Ti=Lm/R+Ro (6-7)v這樣，電流波形的上升沿變陡，消耗了一部分功率。為了使電流波形更陡，在電阻Ro兩端并聯(lián)電容C，由于電容上的電壓不能突變，在繞組通電瞬間相當(dāng)于R0短路，電源電壓全部加在電動(dòng)機(jī)控制繞組上，電流迅速提高。二極管VD及串聯(lián)電阻R1形成放電回路，繞

22、組斷電速度放慢，減小電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)三極管VT1。這種驅(qū)動(dòng)電源線路簡(jiǎn)單，供放元件小，成本低，但功耗大，只適用于小功率的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。為了彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，常采用高低壓切換型電源。v圖6-13a所示是一個(gè)高低壓切換型電源的原理圖，當(dāng)有輸入的控制型號(hào)u后，三極管VT1，VT2的基極有電壓輸入，使VT1和VT2導(dǎo)通，在高壓電源u1的作用下，二極管VD1承受反相電壓，使低電壓源不起作用。因此，電流I可以迅速上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)a點(diǎn)時(shí)，利用定時(shí)電路使VT1截止，這時(shí)切換為低壓電源u2起作用，此時(shí)繞組中的電流如圖6-13b中ab短所示。這種電源的電動(dòng)機(jī)繞組不需串聯(lián)電阻，電源功耗小，電流波形得到了很大改善矩平特性很好。起動(dòng)和

23、運(yùn)行頻率得到較大的提高。 2.恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源v雙電壓功放電路缺點(diǎn)是在高低連接處出現(xiàn)谷點(diǎn)，引起力矩在谷點(diǎn)時(shí)下降，而斬波型功放電路克服了這一缺點(diǎn)，并提高 二塑料導(dǎo)軌v鑲粘塑料導(dǎo)軌，已廣泛用于數(shù)控機(jī)床上，其摩擦系數(shù)小，且動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象；耐磨性，抗撕傷能力強(qiáng)；加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好，工藝簡(jiǎn)單，成本低，并有良好的自潤(rùn)滑性和抗震性。塑料導(dǎo)軌多與鑄鐵導(dǎo)軌或淬硬鋼導(dǎo)軌相配使用。 1.塑料導(dǎo)軌的類(lèi)型及特點(diǎn)v近年來(lái)國(guó)內(nèi)已研制了數(shù)十種塑料基體的復(fù)合材料用于機(jī)床導(dǎo)軌，其中比較引人注目的為應(yīng)用較廣的填充PTEE（聚四氟乙烯）軟帶材料，例如美國(guó)霞板（Shanban）公司的得爾塞（Turcite-

24、B）塑料導(dǎo)軌軟帶及我國(guó)的TSF軟帶。Turcite-B自潤(rùn)滑復(fù)合材料是在聚四氟乙烯中填充50%的青銅粉，據(jù)稱還加有二硫化鉬、玻璃纖維和氧化物制成帶狀復(fù)合材料。具有優(yōu)異的減磨、抗咬傷性能，不會(huì)損壞配合面，吸振性能好，低速無(wú)爬行，并可在干摩擦下工作。 v塑料導(dǎo)軌軟帶與其他導(dǎo)軌相比，有以下特點(diǎn)： 1) 摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定 比鑄鐵導(dǎo)軌副低一個(gè)數(shù)量級(jí)。 2) 動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相近 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導(dǎo)軌副好。 3) 吸收振動(dòng) 具有良好的阻尼性。 4) 耐磨性好 有自身潤(rùn)滑作用，無(wú)潤(rùn)滑油也能工作。 5) 化學(xué)穩(wěn)定性好 耐磨、耐低溫，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑及各種有機(jī)溶液。 6) 維護(hù)修理方便 軟帶耐磨，

25、損壞后更換容易。 7) 經(jīng)濟(jì)性好 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，約為滾動(dòng)導(dǎo)軌成本的1/20，為三層復(fù)合材料DU導(dǎo)軌成本的1/4。v2.Turcite-B塑料軟帶的工作特性貼塑導(dǎo)軌的摩擦特性 如圖7-27所示的摩擦系數(shù)速度特性曲線可知，其動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差很小，而且摩擦系數(shù)速度特性曲線的斜率是正斜率，并具有良好的自潤(rùn)滑性，所以在短油或干摩擦下也不致拉傷導(dǎo)軌面。塑料導(dǎo)軌的pv值 pv值是摩擦副的重要技術(shù)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)機(jī)床導(dǎo)軌尺寸時(shí)，應(yīng)根據(jù)滑動(dòng)速度v與比壓p之值按圖7-28所示pv線圖選取，使p與v的交點(diǎn)處于曲線的下方。如滿足不了要求，可加大導(dǎo)軌面積，以降低比壓p值來(lái)滿足要求，一般導(dǎo)軌的比壓p=0.1Mpa0.2

26、Mpa。貼塑導(dǎo)軌的承載能力 Turcite-B軟帶的變形小，在比壓p為14Mpa，溫度為50C時(shí)其變形不得超過(guò)原有厚度的5%。在機(jī)床導(dǎo)軌上使用時(shí)，在任何情況下的變形率都應(yīng)低于1%。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)床導(dǎo)軌尺寸時(shí)應(yīng)注意減小導(dǎo)軌的比壓，以獲得較高的運(yùn)動(dòng)精度。此種軟帶的厚度有0.8mm、1.6mm及3.2mm等幾種。根據(jù)承載變形宜選用厚度小的規(guī)格，如考慮到加工余量，一般選用厚度為1.6mm(約1/16)為宜。貼塑導(dǎo)軌的其他性能 Turcite-B軟帶粘結(jié)剪切強(qiáng)度高達(dá)7Mpa；彈性模量小于金屬材料，可防止振動(dòng)，減少噪音；導(dǎo)軌副的磨損量小，若采用定時(shí)定量潤(rùn)滑，可進(jìn)一步提高導(dǎo)軌的使用壽命。 3.塑料軟帶的應(yīng)用

27、及粘貼工藝v塑料導(dǎo)軌副多為塑料/金屬。塑料軟帶一般粘貼在短的動(dòng)導(dǎo)軌上，不受導(dǎo)軌形式的限制，各種組合形式的滑動(dòng)導(dǎo)軌均可粘貼。粘貼工藝如下：金屬導(dǎo)軌平面加工 粘貼軟帶的導(dǎo)軌面可刨或可銑加工成兩邊帶支邊的表面粗糙度Ra25m12.5m的凹槽或平面，槽邊各留3mm10mm寬的擋邊。槽深一般可選軟帶厚度的1/22/3。如加工成平面，要在兩邊臨時(shí)粘接幾個(gè)等高墊塊，防止粘接軟帶加壓時(shí)移位。膠層固化后再去掉墊塊。配對(duì)金屬導(dǎo)軌面的粗糙度要求Ra0.4m0.8m，太大使軟帶產(chǎn)生劃痕，太小則不能形成聚四 乙稀轉(zhuǎn)移膜，會(huì)使軟帶加快磨損。對(duì)磨導(dǎo)軌面硬度要求在25HRC以上。軟帶切成形及清洗 粘接前按導(dǎo)軌面的幾何尺寸將軟

28、帶切割成形，適當(dāng)考慮工藝裕量。軟帶表面需經(jīng)過(guò)處理，先用各種清洗劑包括丙酮將軟帶洗凈，在該牌號(hào)指定的去處不可粘性的溶液中按時(shí)浸透，再用丙酮和水等清洗后干燥備用。粘接及加工 粘接時(shí)，將該牌號(hào)軟帶指定的膠粘劑按規(guī)定工藝用刮刀分別涂布于軟帶表面和粘接軟帶導(dǎo)軌面上，使膠層中央略高于四周。粘接層厚度0.1mm左右，接觸壓力為0.05Mpa0.1MPa。粘貼好之后，把運(yùn)動(dòng)部件翻轉(zhuǎn)就位扣壓在靜導(dǎo)軌上，利用運(yùn)動(dòng)部件自身重量或外加一定重量，使固化壓力達(dá)0.1Mpa0.15MPa。經(jīng)24h室溫固化，將運(yùn)動(dòng)部件吊起翻轉(zhuǎn)，用小木錘輕敲整條軟帶。若敲打時(shí)各處聲響音調(diào)一致，說(shuō)明粘接質(zhì)量好。然后檢查動(dòng)靜導(dǎo)軌的接觸精度，讓導(dǎo)軌

29、副對(duì)研或機(jī)械加工，并刮削到接觸面的斑點(diǎn)符合要求（著色點(diǎn)面積達(dá)50%以上）為止。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可在軟帶上開(kāi)出油槽，油槽一般不開(kāi)穿軟帶，寬度5mm左右。并可用儀器測(cè)出軟帶導(dǎo)軌的實(shí)際摩擦系數(shù)。v貼塑導(dǎo)軌有逐漸取代滾動(dòng)導(dǎo)軌的趨勢(shì)，不僅適用于數(shù)控機(jī)床，而且還適用于其他各種類(lèi)型機(jī)床導(dǎo)軌，它在舊機(jī)床修理和數(shù)控化改裝中可以減少機(jī)床結(jié)構(gòu)的修改，因而更加擴(kuò)大了塑料導(dǎo)軌的應(yīng)用領(lǐng)域。 三、交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介v支流伺服電動(dòng)機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但它由于裝有電刷和換向片，尺寸較大且必須定期維修，特別是受換向器限制，容量較小，電樞電壓較低，很多特性參數(shù)隨速度而變化，因而限制了支流伺服電動(dòng)機(jī)高速度、大容量的發(fā)展。v70年代以來(lái)

30、，隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流伺服電動(dòng)機(jī)具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及良好的技術(shù)性能。目前國(guó)外已有系列化的交流伺服電動(dòng)機(jī)，我國(guó)已研制出此種電動(dòng)機(jī)。v交流伺服電動(dòng)機(jī)采用了全封閉無(wú)刷構(gòu)造，不需要定期檢查維修。定子省去了鑄造件殼體，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小。定子鐵心較一般電動(dòng)機(jī)開(kāi)槽多且深，絕緣可靠，磁場(chǎng)均勻?？蓪?duì)定子鐵心直接冷卻，散熱效果好，因而傳動(dòng)機(jī)械部分的熱量少，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。轉(zhuǎn)子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可得到高的轉(zhuǎn)矩/慣量比。因此交流伺服電動(dòng)機(jī)以其高性能、大容量得到了廣泛的應(yīng)用。v交流伺服電動(dòng)機(jī)提高其性能的關(guān)鍵在于解決對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)，目前采用的是一種新的控制方法，利用微機(jī)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)作矢量變換控制。第四節(jié) 常用位置檢測(cè)裝置 一、概述 1.位置檢測(cè)裝置的要求v在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，必須利用位置檢測(cè)裝置把機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移量隨時(shí)檢測(cè)出來(lái)，與給定的控制值進(jìn)行比較，從而控制驅(qū)動(dòng)元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)（或刀具）按規(guī)定的軌跡和坐標(biāo)移動(dòng)。因此，位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件之一，它對(duì)于