FANUC的伺服驅(qū)動(dòng)裝置
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:2371
0 前言
1 數(shù)控機(jī)床對驅(qū)動(dòng)裝置的要求
- 數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服裝置的要求
- 機(jī)械特性的要求
- 要求伺服裝置靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的速降小、剛度大。伺服系統(tǒng)的剛度與機(jī)床機(jī)械構(gòu)件的剛度有相同的意義,即在外部干擾力(切削力、重力等外力)作用下,這些力從工作部件傳到電機(jī)軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位置變化。用C 表示單位外力矩作用下的位移:
d=Dq/T (1)
- 式中,Dq為工作部件角位移量,T為外加擾動(dòng)力矩。要求d很小,甚至為零,即通電之后,伺服裝置處于閉環(huán)狀態(tài),要求任何外力不使機(jī)床的工作部件發(fā)生位移(在限度以內(nèi))。數(shù)控機(jī)床加工中有時(shí)從插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過渡到某一軸的直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),如果待工作的軸伺服剛性不好,加工精度同樣得不到保證,這是顯然的。伺服剛性通常是以對擾動(dòng)力矩的響應(yīng)來綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
- 快速相應(yīng)的要求
- 這在輪廓加工,特別對曲率大的加工對象進(jìn)行高速加工時(shí)要求較嚴(yán)格。
- 調(diào)速范圍的要求
- 這可以使數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì);適應(yīng)于各種不同的加工工藝。在機(jī)床加工時(shí),當(dāng)工作部件處于停止?fàn)顟B(tài),也即進(jìn)給電機(jī)的速度雖然為零,但要求伺服電機(jī)仍然具有轉(zhuǎn)矩,這樣才能“鎖住”工作部件;因此,進(jìn)給伺服裝置仍然處于“伺服”狀態(tài)。從理論上說,進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的調(diào)速范圍為無窮大;蛘哒f,進(jìn)給的調(diào)速范圍越大越好。比如FANUC的15系統(tǒng)速度范圍可達(dá)1,000,000,000:1。
- 輸出轉(zhuǎn)矩的要求
- 一定的輸出轉(zhuǎn)矩,并要求一定的過載轉(zhuǎn)矩。機(jī)床進(jìn)給機(jī)械負(fù)載的性質(zhì)主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力,因此主要是“恒轉(zhuǎn)矩”的性質(zhì)。
- 要求伺服裝置靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的速降小、剛度大。伺服系統(tǒng)的剛度與機(jī)床機(jī)械構(gòu)件的剛度有相同的意義,即在外部干擾力(切削力、重力等外力)作用下,這些力從工作部件傳到電機(jī)軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位置變化。用C 表示單位外力矩作用下的位移:
- 機(jī)械特性的要求
- 數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)裝置的要求
- 足夠的輸出功率
- 數(shù)控機(jī)床的主軸負(fù)載性質(zhì)近似于“恒功率”,也就是當(dāng)機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高時(shí),輸出轉(zhuǎn)矩較;主軸轉(zhuǎn)速低時(shí), 輸出轉(zhuǎn)矩大; 即要求主軸驅(qū)動(dòng)裝置也要具有“恒功率”的性質(zhì)?墒钱(dāng)主軸電機(jī)工作在額定功率、額定轉(zhuǎn)速時(shí),按照一般電機(jī)的原理,不可能在電機(jī)為額定功率下進(jìn)行恒功率的寬范圍調(diào)速。因此,往往在主軸的機(jī)械部分需增加一或二檔機(jī)械變速檔,以提高低速的轉(zhuǎn)矩,擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍;或者降低額定輸出功率,擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍。
- 調(diào)速范圍的要求
- 為保證數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì),適應(yīng)于各種不同的加工工藝,要求主軸驅(qū)動(dòng)裝置具有一定的調(diào)速范圍。對主軸的驅(qū)動(dòng)裝置,一般較低的要求為1:100,高的要求為1:1,000以上。
- 速度精度的要求
- 一般要求靜差度小于5%,更高的要求為小于1%。如果速降過大,則加工的質(zhì)量就會受影響,比如光潔度就不好。
- 快速的要求
- 主軸驅(qū)動(dòng)裝置有時(shí)也用在定位功能上,這就要求它也具有一定的快速性。
- 足夠的輸出功率
2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展
- 進(jìn)給伺服用電機(jī):從直流電機(jī)到交流電機(jī),從旋轉(zhuǎn)電機(jī)到直線電機(jī)對于電動(dòng)機(jī),其輸出轉(zhuǎn)矩T的大小與激磁磁感應(yīng)強(qiáng)度B1和電樞磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的大小及B1、B2之間夾角q的正弦成比例。即:
T=k(B1×B2×sinq) (2)
- 其中k為比例系數(shù);直流電機(jī)由于電刷的位置在幾何中心線上,所以q=90°;因此控制簡單,可以輸出較大的力矩,得到了廣泛的應(yīng)用。但是直流電機(jī)電刷容易磨損,需要經(jīng)常更換,這就給維修造成困難。于是又開發(fā)了交流伺服電機(jī)。由于交流電機(jī)q≠90°,為了提高性能,采用交流電機(jī)伺服控制理論和數(shù)字信號處理器可以對三相交流感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行矢量控制以得到q=90°;對于交流同步機(jī)結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī),同樣也可以采用矢量控制的方法,并通過控制磁場夾角的方法得到q=90°;由于它的特性可以與直流電機(jī)相當(dāng),因此,進(jìn)給伺服應(yīng)用的電機(jī)大多數(shù)采用這種電機(jī)。
表1 齒輪工作臺和直接驅(qū)動(dòng)工作臺性能比較 | ||
項(xiàng)目 |
齒輪工作臺 |
直接驅(qū)動(dòng)工作臺 |
速度 |
低 |
高 |
加速度 |
低 |
高 |
伺服剛度(例 如,位置增益) |
一般 |
高 |
抗干擾 |
相對強(qiáng) |
相對弱 |
夾緊轉(zhuǎn)矩 |
大 |
相對小 |
定位精度 |
高(主要決定于編碼器 分辨率和降速機(jī)械) |
高(主要決定于編碼器分辨 率、機(jī)械剛度和軸承剛度) |
機(jī)械噪聲 |
大 |
低 |
維修 |
必需(由于機(jī)械磨損) |
基本不必要 |
裝配 |
相對容易 |
需要思考(由于磁拉力) |
冷卻 |
一般不需要 |
自然冷/氣冷/液冷(決定于 連續(xù)轉(zhuǎn)矩和散熱情況) |
外形尺寸 |
不緊湊(電機(jī)外裝) |
緊湊(電機(jī)內(nèi)裝) |
由于交流異步電機(jī)變頻調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩、恒功率的功能,又沒有直流電機(jī)的炭刷,因此很快就被采用在數(shù)控機(jī)床的主軸上。隨著數(shù)控機(jī)床速度的提高,為了簡化傳動(dòng)鏈,甚至采用“零傳動(dòng)”的結(jié)構(gòu),因而出現(xiàn)了電主軸。把機(jī)床的主軸與主軸電動(dòng)機(jī)集成在一起,它的機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然很簡單,但精度和可靠性卻要求很高。當(dāng)前, 一般內(nèi)裝主軸電機(jī)速度達(dá)到12000~15000r /min;電機(jī)采用三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu),并采用改變極對數(shù)的方法改變分級變速。最近,又出現(xiàn)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu),采用稀土磁鐵,提高輸出轉(zhuǎn)矩,設(shè)計(jì)最佳機(jī)床結(jié)構(gòu),還開發(fā)了寬范圍恒功率的主軸電機(jī)。這有兩種方法:降低原有電機(jī)的功率,擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍;利用變極對數(shù),達(dá)到恒功率。采用FANUC主軸電機(jī)規(guī)格如表2。
表2 FANUC主軸電機(jī)規(guī)格 | ||||
特點(diǎn) |
額定功率范圍 kW) |
速度范圍(r/min) 基速-最大速) |
應(yīng)用 | |
標(biāo)準(zhǔn)型 |
0.55~45 |
4,500~15,000 |
車床、加工中心 | |
寬范圍恒功率 |
5.5~22 |
4,500~8,000 |
車床、加工中心 | |
電機(jī)與機(jī)床主軸 直連 |
1.5~22 |
5,000~20,000 |
車床、加工中心 | |
高精度直連,油 冷 |
3.5~22 |
15,000~20,000 |
車床、加工中心 | |
內(nèi)裝 |
0.55~50 |
1,000~30,000 |
車床、加工中心 | |
高壓供電 |
0.55~100 |
4,000~20,000 |
車床、加工中心 |
3 驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)展
V1=[Dt/T0]V0 (3)
4 控制技術(shù)的發(fā)展
圖2 HRV控制框圖 |
5 采用數(shù)字伺服的自調(diào)諧技術(shù),方便于調(diào)試
-
Lehmann數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的顯著優(yōu)勢
◆緊湊且質(zhì)量較輕 相對于傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的一個(gè)顯著優(yōu)勢:結(jié)構(gòu)極端緊湊,功率更不遜色分好,甚至更佳。 更少的干擾邊緣:(GD)-40%;(DD)-41% 可以極為方便地橫向操作軸(從上方) 可以十分迅速地夾緊切割刀具:最長的耐用時(shí)間
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