电主轴的工作原理

电电主主轴轴的的工工作作原原理理 目前 随着电气传动技术 变频调速技术 电动机矢量控制技术等 的迅速发展和 日趋完善 高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化 基本上取消了带轮 传动和齿轮传动 机床主轴由内装式电动机直接驱动 从而把机床主传动链的长度缩短 为零 实现了机床的 零传动 这种主轴电动机与机床主轴 合二为一 的传 动结构形式 使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来 因此可做成 主轴单元 俗称 电主轴 ElectricSpindle Motor Spindle 由于当前电主轴主 要采用的是交流高频电动机 故也称为 高频主轴 High FrequencySpindle 由于没有中间传动环节 有时又称它为 直接传动主轴 Direct Drive Spindle 电主轴的优点 电主轴具有结构紧凑 重量轻 惯性小 振动小 噪声低 响应快等优点 而且转 速高 功率大 简化机床设计 易于实现主轴定位 是高速主轴单元中的一种理想结构 电主轴轴承采用高速轴承技术 耐磨耐热 寿命是传统轴承的几倍 产品特性 高转速 高精度 低噪音 内圈带锁口的结构更适合喷雾润滑 主要用途 数控机床 机电设备 微型电机 压力转子 步进电机 电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体 的新技术电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为 一体的新技术 它与直线电机技术 高速刀具技术一起 将会把高速加工推向一个新时 代 电主轴是一套组件 它包括电主轴本身及其附件 电主轴 高频变频装置 油雾润 滑器 冷却装置 内置编码器 换刀装置 电主轴所融合的技术 高速轴承技术 电主轴通常采用复合陶瓷轴承 耐磨耐热 寿命是传统轴承的几 倍 有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承 内外圈不接触 理论上寿命无限 高速电机技术 电主轴是电动机与主轴 融合在一起的产物 电动机的转子即 为主轴的旋转部分 理论上可以把电主轴看作一台高速电动机 关键技术是高速度下的 动平衡 润滑 电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑 也可以采用脂润滑 但相应的 速度要打折扣 所谓定时 就是每隔一定的时间间隔注一次油 所谓定量 就是通过一 个叫定量阀的器件 精确地控制每次润滑油的油量 而油气润滑 指的是润滑油在压缩 空气的携带下 被吹入陶瓷轴承 油量控制很重要 太少 起不到润滑作用 太多 在 轴承高速旋转时会因油的阻力而发热 冷却装置 为了尽快给高速运行的电主轴 散热 通常对电主轴的外壁通以循 环冷却剂 冷却装置的作用是保持冷却剂的温度 内置脉冲编码器 为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹 电主轴内置一脉冲编码器 以实现准确的相角控制以及与进给的配合 自动换刀装置 为了应用于加工中心 电主轴配备了自动换刀装置 包括碟形簧 拉刀油缸等 高频变频装置 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速 必须用一高频 变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机 变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹 什什么么是是电电主主轴轴 电电主主轴轴有有什什么么优优点点 电主轴 概述 高速数控机床 CNC 是装备制造业的技术基础和发展方向之一 是装备制造 业的战略性产业 高速数控机床的工作性能 首先取决于高速主轴的性能 数控机床高 速电主轴单元影响加工系统的精度 稳定性及应用范围 其动力性能及稳定性对高速加 工起着关键的作用 高速主轴单元的类型主要有电主轴 气动主轴 水动主轴等 不同类型的高速 主轴单元输出功率相差较大 目前 随着电气传动技术 变频调速技术 电动机矢量控制技术等 的迅速发展和 日趋完善 高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化 基本上取消了带轮 传动和齿轮传动 机床主轴由内装式电动机直接驱动 从而把机床主传动链的长度缩短 为零 实现了机床的 零传动 这种主轴电动机与机床主轴 合二为一 的传 动结构形式 使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来 因此可做成 主轴单元 俗称 电主轴 Electric Spindle Motor Spindle 由于当前电主轴 主要采用的是交流高频电动机 故也称为 高频主轴 High Frequency Spindle 由于没有中间传动环节 有时又称它为 直接传动主轴 Direct Drive Spindle 电主轴 具有结构紧凑 重量轻 惯性小 振动小 噪声低 响应快等优点 而且转 速高 功率大 简化机床设计 易于实现主轴定位 是高速主轴单元中的一种理想结构 电电主主轴轴概概述述 主轴 是直接体现机床性能的关键部件 目前 数控机床大量采用内装变频电动机的 主轴部件 它是一种机电一体化的功能部件 其电动机转子与主轴是一体的 无需任何 机械连接 改变供电的频率 就可以实现主轴调速 这种模块化 系列化的功能部件称为电主轴 通常由具有设计和制造高速 高精度 变频调速电主轴丰富经验的专业公司提供 产品质量和供货容易获得保证 变频 电主轴 制造商通常提供不同结构和用途的系列产品 变频电主轴 按 其轴承结构可分为滚动轴承电主轴 静压轴承电主轴和磁浮轴承电主轴 按其变频范围 可分为高速 30 1500Hz 和低速 10 40 Gs 交交流流伺伺服服驱驱动动器器 Gs 系列交流伺服驱动器 让机床拥有非凡品质 Gs 交流伺服驱动器是北京超同步科技有限公司自主研发 生产的新一代交流 伺服驱动器 它完全继承Ga 驱动器的优点 同时在驱动技术和控制精度上有 大幅度提高 是目前国内具有领先水平的交流伺服产品 该产品设计超前 功能全 面 应用广泛 是各种数控机床驱动 主轴 首选的驱动产品 Gs 系列交流伺服驱动器采用双dsp 技术完全实现伺服电机的全闭环控制 集速度控制 位置控制 转矩控制于一体 作为机床动力轴驱动系统 可以方便地 实现高速 高精度铣削 车削 磨削等加工 在重切削方面比传统驱动更胜一筹 同时由于卓越的控制性能 完全有能力参与坐标轴的插补控制 完成刚性攻丝 螺 纹切削 c 轴控制等功能 还可以实现诸如多头铣床等设备的伺服同步驱动 Gs 系列交流驱动器接口丰富 操作简便 标准应用可免调试 给机床设计工程 师的选型 设计 调试等工作提供极大的便利 方便地与国内外各大知名品牌的数 控系统接口 使您的机床设计更灵活 充分张显竞争优势 Gs 系列驱动器作为大功率的伺服驱动单元 完全有能力和交流同步驱动器在重 型机床的坐标轴控制方面进行角逐 同时其良好的性价比优势 更让我们相信她完 全可以让您的立车卧镗 龙门设备等尽显非凡优势 发布日期 2011 4 7 返 回 友情链接友情链接 伺伺服服电电机机与与步步进进电电机机区区别别 伺伺服服电电机机 伺伺服服系系统统 比比步步进进电电机机精精度度高高 步进电机属于伺服电机的一种 而伺服系统与步进电机才有区别 伺服系统通常用在高精度微移动场合 以及高精度场合 而步进电机则使用在要求并不 太高的场合 其二者的造价目前伺服系统略高于步进电机 但已经是越来越便宜了 伺服系统其优越性远高于步进电机 只是造价目前看来还略高一些而已 步步进进电电机机和和交交流流伺伺服服电电机机性性能能比比较较 步进电机是一种离散运动的装置 它和现代数字控制技术有着本质的联系 在目前国内 的数字控制系统中 步进电机的应用十分广泛 随着全数字式交流伺服系统的出现 交 流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中 为了适应数字控制的发展趋势 运动 控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机 虽然两者在控 制方式上相似 脉冲串和方向信号 但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异 现就二者的使用性能作一比较 一一 控控制制精精度度不不同同 两相混合式步进电机步距角一般为3 6 1 8 五相混合式步进电机步距角一 般为0 72 0 36 也有一些高性能的步进电机步距角更小 如四通公司生产的一 种用于慢走丝机床的步进电机 其步距角为0 09 德国百格拉公司 BERGER LAHR 生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1 8 0 9 0 72 0 36 0 18 0 09 0 072 0 036 兼容了两相和五相混合式 步进电机的步距角 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证 以松下全数字式交流伺服电 机为例 对于带标准2500 线编码器的电机而言 由于驱动器内部采用了四倍频技 术 其脉冲当量为360 10000 0 036 对于带17 位编码器的电机而言 驱动器 每接收217 131072 个脉冲电机转一圈 即其脉冲当量为360 131072 9 89 秒 是步距角为1 8 的步进电机的脉冲当量的1 655 二二 低低频频特特性性不不同同 步进电机在低速时易出现低频振动现象 振动频率与负载情况和驱动器性能有关 一般 认为振动频率为电机空载起跳频率的一半 这种由步进电机的工作原理所决定的低频振 动现象对于机器的正常运转非常不利 当步进电机工作在低速时 一般应采用阻尼技术 来克服低频振动现象 比如在电机上加阻尼器 或驱动器上采用细分技术等 交流伺服电机运转非常平稳 即使在低速时也不会出现振动现象 交流伺服系统具有 共振抑制功能 可涵盖机械的刚性不足 并且系统内部具有频率解析机能 FFT 可检测出机械的共振点 便于系统调整 三三 矩矩频频特特性性不不同同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降 且在较高转速时会急剧下降 所以其最高工作 转速一般在300 600RPM 交流 伺服电机为恒力矩输出 即在其额定转速 一般 为 2000RPM 或 3000RPM 以内 都能输出额定转矩 在额定转速以上为恒功率输 出 四四 过过载载能能力力不不同同 步进电机一般不具有过载能力 交流伺服电机具有较强的过载能力 以松下交流 伺服系统为例 它具有速度过载和转矩过载能力 其最大转矩为额定转矩的三倍 可用 于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩 步进电机因为没有这种过载能力 在选型时为 了克服这种惯性力矩 往往需要选取较大转矩的电机 而机器在正常工作期间又不需要 那么大的转矩 便出现了力矩浪费的现象 五五 运运行行性性能能不不同同 步进电机的控制为开环控制 启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象 停止 时转速过高易出现过冲的现象 所以为保证其控制精度 应处理好升 降速问题 交流 伺服驱动系统为闭环控制 驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样 内部构成位 置环和速度环 一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象 控制性能更为可靠 六六 速速度度响响应应性性能能不不同同 步进电机从静止加速到工作转速 一般为每分钟几百转 需要200 400 毫秒 交流伺服系统的加速性能较好 以松下MSMA 400W 交流伺服电机为例 从静 止加速到其额定转速3000RPM 仅需几毫秒 可用于要求快速启停的控制场合 综上所述 交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机 但在一些要求不高的场合也 经常用步进电机来做执行电动机 所以 在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求 成本等多方面的因素 选用适当的控制电机 FANUC 的伺服驱动装置 2007 06 23 14 08 37 阅读数 418 一 前言一 前言 伺服装置是数控数控系统的重要组成部分 伺服技术的发展建立在控制理论 电机驱动及电力电子等技术的基础上 上世纪 50 年代初 世界笫一台 NC 机 床的进给驱动采用液压驱动 由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统 所产生的力 约为 20 1 而且惯性低 反应快 因此初期的 NC 系统的进给 伺服装置大多采用液压驱动装置 当时的日本富士通公司计算机控制部 以后 发展为 FANUC 公司 从麻省理工学院学习了笫一台 NC 技术后 用电液脉冲电 机作为数控机床进给驱动系统 70 年代初期 由于石油危机 加上液压对环 境的污染以及系统笨重 效率低等原因 美国 GETTYS 公司开发出直流大惯量 伺服电机 这种伺服电机静力矩和起动力矩大 并在 NC 机床上得到了应用 性能良好 另一方面 1974 年 FANUC 公司在开发新的低噪声 大扭矩电液脉冲电机 时 遇到了技术困难 而电液脉冲电机原先是使 FANUC 数控系统市场占有率 高到几乎接近独占鳌头的主要原因 当时担任公司社长的稻叶先生反复思考 我是技术人员 同时也是经营者 作为技术人员 我作为电液脉冲电机的 发明者而感到自豪 自信 但是作为经营者 我必须反复自问 电液脉冲电 机就这样原封不动地持续下去而没有危机吗 通过调查 我确信有新的电机来 取代电液脉冲电机 于是当即做出了 割爱 的果断决择 废弃使用多年 的电液脉冲电机驱动方案 同时转而从美国 GETTYS 公司引进大惯量直流伺服 电机制造技术 并立即进行商品化 从此 在世界最大的 CNCCNC 公司 开环的系统由闭环的系统取代 液压的 驱动系统由电气驱动系统取代 这件事 一直在 NC 业界传为美谈 在这之后 FANUC 又成功地把交流伺服电机应用在数控机床上 然后不断推出新的驱动装 置 如直线电机 高速内装电机 直接驱动电机等 提高了数控机床的性能 简化了数控机床的机械结构 二 数控机床对驱动装置的要求二 数控机床对驱动装置的要求 数控机床主要有两种驱动装置 进给伺服驱动装置和主轴驱动装置 这 两种驱动装置在很大程度上决定了数控机床的性能优劣 数控机床对进给伺服装置的要求数控机床对进给伺服装置的要求 机械特性的要求 要求伺服装置静态和动态的速降小 刚度大 伺服系统伺服系统的刚度与机床机 械构件的刚度有相同的意义 即在外部干扰力 切削力 重力等外力 作用下 这些力从工作部件传到电机轴上产生的转角位置变化 用 C 表示单位外力矩 作用下的位移 T 1 式中 q 为工作部件角位移量 T 为外加扰动力矩 要求 很小 甚至 为零 即通电之后 伺服装置处于闭环状态 要求任何外力不使机床的工作 部件发生位移 在限度以内 数控机床加工中有时从插补运动过渡到某一轴 的直线运动或旋转运动 如果待工作的轴伺服刚性不好 加工精度同样得不 到保证 这是显然的 伺服刚性通常是以对扰动力矩的响应来综合调节系统 快速相应的要求 这在轮廓加工 特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格 调速范围的要求 这可以使数控数控机床适用于各种不同的刀具 加工材质 适应于各种不同 的加工工艺 在机床加工时 当工作部件处于停止状态 也即进给电机的速 度虽然为零 但要求伺服电机仍然具有转矩 这样才能 锁住 工作部件 因此 进给伺服装置仍然处于 伺服 状态 从理论上说 进给驱动的调速 范围为无穷大 或者说 进给的调速范围越大越好 比如 FANUC 的 15 系统速 度范围可达 1 000 000 000 1 输出转矩的要求 一定的输出转矩 并要求一定的过载转矩 机床进给机械负载的性质主 要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力 因此主要是 恒转矩 的性质 数控机床对主轴驱动装置的要求数控机床对主轴驱动装置的要求 足够的输出功率 数控机床的主轴负载性质近似于 恒功率 也就是当机床的主轴转速 高时 输出转矩较小 主轴转速低时 输出转矩大 即要求主轴驱动装置 也要具有 恒功率 的性质 可是当主轴电机工作在额定功率 额定转速时 按照一般电机的原理 不可能在电机为额定功率下进行恒功率的宽范围调速 因此 往往在主轴的机械部分需增加一或二档机械变速档 以提高低速的转 矩 扩大恒功率的调速范围 或者降低额定输出功率 扩大恒功率调速范围 调速范围的要求 为保证数控机床适用于各种不同的刀具 加工材质 适应于各种不同的 加工工艺 要求主轴驱动装置具有一定的调速范围 对主轴的驱动装置 一 般较低的要求为 1 100 高的要求为 1 1 000 以上 速度精度的要求 一般要求静差度小于 5 更高的要求为小于 1 如果速降过大 则加工 的质量就会受影响 比如光洁度就不好 快速的要求 主轴驱动装置有时也用在定位功能上 这就要求它也具有一定的快速性 二 驱动电机的发展二 驱动电机的发展 进给伺服用电机 从直流电机到交流电机 从旋转电机到直线电机对于 电动机 其输出转矩 T 的大小与激磁磁感应强度 B1和电枢磁感应强度 B2的大 小及 B1 B2之间夹角 q 的正弦成比例 即 T k B1 B2 sin 2 其中 k 为比例系数 直流电机由于电刷的位置在几何中心线上 所以 90 因此控制简单 可以输出较大的力矩 得到了广泛的应用 但是直 流电机电刷容易磨损 需要经常更换 这就给维修造成困难 于是又开发了 交流伺服电机 由于交流电机 90 为了提高性能 采用交流电机伺服 控制理论和数字信号处理器可以对三相交流感应电机进行矢量控制以得到 q 90 对于交流同步机结构的伺服电机 同样也可以采用矢量控制的方法 并通过控制磁场夹角的方法得到 90 由于它的特性可以与直流电机相当 因此 进给伺服应用的电机大多数采用这种电机 图 1 直线电机与直接驱动伺服电机 采用电伺服技术的初期阶段 指令的控制为模拟控制 这种控制方法漂 移大 精度差 由于数字控制可以克服上述缺点 因此越来越多地得到应用 当前 FANUC 最大的伺服电机 3000HVis 规格如下 额定输出功率 250kW 最大功率 530kW 堵转转矩 3000Nm 最大输出转矩为 5300Nm 最高转 速为 2000r min 目前 也是世界上最大的伺服电机 这种电机主要应用在数数 控控注塑机和冲压机上 原先 这些机械主要采用液压驱动 传统设计和制造的 NC 机床受制于标准驱动装置及控制器 使加工的精度 和速度受到限制 在上世纪 80 年代末出现了直线伺服电机 它由两个元件组 成 电磁力直接作用于移动元件而无需机械连接 没有螺距周期误差 精度 完全依赖于反馈系统和分级的支承 由全数字伺服驱动器供电 刚性高 频 响好 因而可获得高速度 比如 L17000C3 2is 的直线电机 最大推力可达 17000N 连续推力 3400N 4080N 6800N 分别对应自然冷 气冷 水冷 速度可达 4m s 加速度 30g 分辨率可达 0 01 m 甚至更高 直线电机与旋转电机相比 主要有如 下几个特点 一是结构简单 由于直线电机不需要有旋转运动变成直线运动 的附加装置 因而使得系统本身的结构大为简化 重量和体积大大地减少 二是定位精度高 在需要直线运动的地方 直线电机可以实现直接传动 因 而可以消除中间环节所带来的各种定位误差 故定位精度高 三是反应速度 快 灵敏度高 可做到滑块和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触 这 就消除了定子 滑块间的接触摩擦阻力 因而大大地提高了系统的灵敏度 快速性和随动性 四是工作安全可靠 寿命长 在数控机床上把低速力矩电机直接作为旋转工作台是伺服技术的又一个 发展 传统的旋转工作台一般是通过高速伺服电机带动降速齿轮 蜗轮 蜗 杆副进行降速 传动链长 噪声大 需要维修 在采用直接驱动的伺服电机 后 由于加大了电机转子直径 采用稀土金属作为磁极材料 因此可以获得 大转矩 并对磁路进行最佳设计 以减少低速的转矩脉动 表 1 是齿轮传动 工作台和直接驱动工作台性能比较 表 1 齿轮工作台和直接驱动工作台性能比较 项目齿轮工作台直接驱动工作台 速度低高 加速度低高 伺服刚度 例 如 位置增益 一般高 抗干扰相对强相对弱 夹紧转矩大相对小 定位精度 高 主要决定于编码器 分辨率和降速机械 高 主要决定于编码器分辨 率 机械刚度和轴承刚度 机械噪声大低 维修必需 由于机械磨损 基本不必要 装配相对容易需要思考 由于磁拉力 冷却一般不需要 自然冷 气冷 液冷 决定于 连续转矩和散热情况 外形尺寸不紧凑 电机外装 紧凑 电机内装 当前 FANUC 工作台的内装式伺服电机 D3000 150is 具体规格如下 最大 输出转矩可达 3000Nm 连续额定转矩可达 1200Nm 最大转速为 150r min 外 形高度为 160mm 外径为 565mm 主轴电机主轴电机 由于交流异步电机变频调速容易实现恒转矩 恒功率的功能 又没有直 流电机的炭刷 因此很快就被采用在数控数控机床的主轴上 随着数控机床速度 的提高 为了简化传动链 甚至采用 零传动 的结构 因而出现了电主轴 把机床的主轴与主轴电动机集成在一起 它的机械结构虽然很简单 但精度 和可靠性却要求很高 当前 一般内装主轴电机速度达到 12000 15000r min 电机采用三相异步电机的结构 并采用改变极对数的 方法改变分级变速 最近 又出现同步电机的结构 采用稀土磁铁 提高输 出转矩 设计最佳机床结构 还开发了宽范围恒功率的主轴电机 这有两种 方法 降低原有电机的功率 扩大恒功率调速范围 利用变极对数 达到恒 功率 采用 FANUC 主轴电机规格如表 2 表 2 FANUC 主轴电机规格 型号特点 额定功率范围 kW 速度范围 r min 基速 最大速 应用 i标准型 0 55 454 500 15 000车床 加工中心 ip宽范围恒功率 5 5 224 500 8 000车床 加工中心 iT 电机与机床主轴 直连 1 5 225 000 20 000车床 加工中心 iL 高精度直连 油 冷 3 5 2215 000 20 000车床 加工中心 iB内装 0 55 501 000 30 000车床 加工中心 iH高压供电 0 55 1004 000 20 000车床 加工中心 三 驱动装置的发展三 驱动装置的发展 FANUC 的驱动装置主要由 3 部分组成 电源 放大器 控制 电源主要把交流变为直流 把泵升电压送回电网或加以处理 在电源故 障时进行保护等功能 早期开发的晶闸管伺服系统伺服系统控制简单 速度范围能满足一般数控机床的 需要 由于晶闸管额定电流大 短时间过电流能力强 因此对大惯量直流伺 服电机可以发挥过负荷 高速 高加减速的特点 控制一般采用移相控制的 方法 晶闸管伺服系统的缺点是功率转换的频率较低 只能是电网的频率 50Hz 或者高达 300Hz 因此 其伺服装置低速电流波动较大 调速范围不大 快速响应慢 由于上述原因 从技术上 FANUC 又推出了 PWM 脉冲宽度调制 控制的电 路 比如 以固定的频率调制直流电源电压 V0 当方波的占空比 Dt T0变化 时 输出平均电压 V1为 V1 t T0 V0 3 虽然这种电压的波形也是脉动的 但是由于调制的频率可以达到很高 因此波形仍然可以很好 从上述原理看出 PWM 的特点可以使系统的快速性提 得很高 如果采用晶体管 其动态调节时间比可控硅快 但允许的电流较小 因此比较适合中 小功率的驱动电路 除了直流进给电机外 FANUC 的交流电机也采用 PWM 控制 交流电机的控 制 是通过交流 直流 交流的原理产生交流电压去控制交流电机 首先电 网的交流电压经过整流变成直流电压 供电给逆变器 它把直流磁路 减小 低速脉动 这种电机非常适合数控数控车床和数控齿轮机床的应用 除此以外 FANUC 还开发了与机床主轴直连的主轴电机 油冷主轴电机 为了简化变成交 流 而逆变器是由 PWM 控制的 通过 PWM 电路 变化交流电压的幅值 频率 低时 输出电压的幅值也低 频率高时 由于采用 PWM 的控制 输出电压的 幅值也高 这样就达到变频的同时也改变了电压 不但进给驱动系统采用这 个原理 而且交流主轴电机的调速也是如此 一般频率为 3kHz 10kHz 伺服技术的发展与电力电子技术的发展有关 上世纪 50 年代初使用的功 率电子器件为电子管 闸流管 体积大 寿命短 效率低 60 年代之后 又 相继出现了晶闸管 SCR 可控硅整流器 功率晶体管 GTR 功率场效应管 MOSFET 绝缘栅三极管 IGBT 智能功率模块 IPM 等 把功率放大 触发控制 驱动 保护电路集成在一起 这些器件的出现 大大提高了系统的控制性能 及集成度 可靠性 从而缩小了尺寸 降低了成本 四 控制技术的发展四 控制技术的发展 FANUC 为了提高伺服装置的性能和实现数控系统的功能 对控制技术不断 进行改进 其中最重要的控制功能为 HRV 控制 如图 2 所示 FANUC 的 CNCCNC 采 用交流伺服电机 实际流过绕组的电流为交流电流 这有二种方法可以进行 控制 1 电流控制环和控制都为 AC 量 2 通过坐标变换电流变量为 DC 量 进行控制 现在一般采用后者进行控制 也称矢量变换控制 矢量控制原理 为 交流电机中 转子由定子绕组感应的电流产生磁场 而定子电流含两个 成份 一个影响激磁磁场 另一个影响电机输出转矩 图 2 HRV 控制框图 这两个电流成份在定子耦合在一起 为了使交流电机应用在既需要速度 又需要转矩控制的场合 必须把影响转矩的电流成份解耦控制 采用磁通向 量控制法就可以分离这两个成份 并进行独立控制 HRV 就是基于后者的控 制 由于采用 DC 控制 它的控制特性不取决于电机的速度 即电流的频率 从速度控制的观点出发 这意味着由转矩指令决定的实际的转矩与电机的速 度无关 交流异步电机虽然价格便宜 结构简单 早期由于电力电子器件笨 重 落后 控制理论陈旧 控制性能差 所以交流电机很长时间没有在 NC 系 统上得到应用 随着电力电子技术的发展 1971 年 德国西门子的 Blaschke 发明了交流异 步机的磁通矢量控制法 1980 年 德国人 Leonhard 为首的研究小组在应用微 处理器的矢量控制的研究中取得进展 使矢量控制实用化 上世纪 70 年代 末 NC 机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机 对现代数控数控系统 伺服技 术取得的最大突破可以归结为 交流驱动取代直流驱动 数字控制取代模拟 控制 或者把它称为软件控制取代硬件控制 这两种突破的结果产生了交流 数字驱动系统 特别是数字信号处理器 DSP 的应用 系统的计算速度大大提 高 采样时间大大减少 使伺服系统性能改善 可靠性提高 调试方便 柔 性增强 因而推动了数控机床高精高速加工技术的发展 HRV 是 高响应矢量 High Respons Vector 的意义 所谓 HRV 控制是 对交流电机矢量控制从硬件和软件方面进行优化 以实现伺服装置的高性能 化 从而使数控机床的加工达到高速和高精 为了实现高速和高精 进给伺 服装置的 HRV 主要控制 1 对输入指令具有高精高速的响应 减少采样时间 对电流进行高精度检测 优化软件设计 对电流和速度进行控制 以加大速 度增益和位置增益 从而提高改善系统的性能 2 对外部的干扰具有良好 的鲁棒性 3 采用高精度编码器 4 设置 HRV 滤波器 减少机械谐振影 响 通过以上措施可使系统的速度增益达到 5000 位置增益达到 300 秒 而主轴伺服装置的 HRV 主要控制 1 设置 HRV 滤波器 减少机械谐振影响 加大速度增益 提高系统稳定性 2 精调加减速 提高同步性 3 降低高 速时绕组温升 五 采用数字伺服的自调谐技术 方便于调试五 采用数字伺服的自调谐技术 方便于调试 为了使用户方便调试 对伺服装置 FANUC 还设计了 Servo Guide 软件工具 它采用自调谐 self tuning 技术通过计算机可 自动地把伺服参数进行设定 并显示运转的波形 使伺服系统伺服系统方便 准确 快速地调试和进行维修 电主轴应用特点介绍 随着电气传动技术 变频调速技术 电动机矢量控制技术等 的迅速发展和日趋 完善 高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化 基本上取消了带轮传 动和齿轮传动 机床主轴由内装式电动机直接驱动 从而把机床主传动链的长度缩短 为零 实现了机床的 零传动 这种主轴电动机与机床主轴 合二为一 的传动结 构形式 使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来 因此可做成 主 轴单元 俗称 电主轴 Electric Spindle Motor Spindle 由于没有中间传 动环节 有时又称它为 直接传动主轴 Direct Drive Spindle 电主轴具有结构紧凑 重量轻 惯性小 振动小 噪声低 响应快等优点 而且转速 高 功率大 简化机床设计 易于实现主轴定位 是高速主轴单元中的一种理想结构 Kollmorgen S700 驱动器在电主轴控制上的应用介绍 S700 系列驱动器是科尔摩根高性能 大功率范围的全数字化智能驱动器 S700 驱 动器支持 Kollmorgen 的永磁伺服旋转电机 直接驱动旋转电机 直接驱动直线电机等 全系列电机产品 同时拥有卓越的第三方电机匹配驱动特性 能够方便地配置永磁伺 服电机及交流变频电机参数 进行有位置反馈或无反馈控制 支持高转速应用 支持电机最高运行速度可以达到 60 000RPM 二极电机 50 降容使用最高转速 可达 120 000RPM 二极电机 成功的应用案例 铣削电主轴 该客户的电主轴产品采用 Kollmorgen S700 驱动器 SIEMENS 内