直線進給伺服驅(qū)動技術(shù)及其控制模式

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1、直線進給伺服驅(qū)動技術(shù)及其控制模式

2、第1內(nèi)容顯示中從數(shù)控機床的誕生到現(xiàn)在，其進給驅(qū)動技術(shù)經(jīng)歷了由步進電機驅(qū)動的開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)、及目前廣泛應用的交流伺服系統(tǒng)三個階段。雖然進給驅(qū)動技術(shù)在不斷發(fā)展變化，但其基本的傳動形式始終是“旋轉(zhuǎn)電動機+滾珠絲杠”模式，對于刀具和工作臺等被控對象是直線形式的運動路徑，只能借助于機械變換中間環(huán)節(jié)“間接”地獲得最終的直線運動，由此帶來一系列的問題：首先，中間變換環(huán)節(jié)導致傳動系統(tǒng)的剛度降低，尤其細長的滾珠絲杠是剛度的薄弱環(huán)節(jié)，起動和制動初期的能量都消耗在克服中間環(huán)節(jié)的彈性變

3、形上，而且彈性變形也是數(shù)控機床產(chǎn)生機械諧振的根源。其次，中間環(huán)節(jié)增大了運動的慣量，使系統(tǒng)的速度、位移響應變慢；而制造精度的限制，不可避免地存在間隙死區(qū)與磨擦，使系統(tǒng)非線性因素增加，增大了進一步提高系統(tǒng)精度的難度。隨著大功率電力半導體技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的發(fā)展，控制器件和控制原則的不斷更新和完善，特別是P調(diào)制技術(shù)的廣泛應用，使得采用三環(huán)結(jié)構(gòu)(位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán))的位置伺服系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)日臻成熟，在實現(xiàn)快速、準確定位等方面已達到相當高的水準。但隨著高速和超高速精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展，要求數(shù)控機床有一個反應快

4、速靈敏、高速輕便的進給驅(qū)動系統(tǒng)。而傳統(tǒng)的驅(qū)動方式所能達到的最高進給速度與超高速切削要求相差甚遠。為適應現(xiàn)代加工技術(shù)發(fā)展的需要，采用直線伺服電動機直接驅(qū)動工作臺來替代“旋轉(zhuǎn)電動機+滾珠絲杠”模式，從而消除中間變換環(huán)節(jié)的直線進給伺服驅(qū)動新技術(shù)應運而生。一、直線進給伺服驅(qū)動技術(shù)及其應用現(xiàn)狀直線進給伺服驅(qū)動是采用直線交流伺服電動機實現(xiàn)。直線交流伺服電動機可視為將旋轉(zhuǎn)電動機定子沿徑向剖開，并將圓周展開成直線作初級，用一導電金屬平板代替轉(zhuǎn)子作次級，就構(gòu)成了直線電動機。在初級中嵌入三相繞組制成動子，與機床移動工作臺相連，次級作為

5、定子固定在機床導軌上，兩者之間保持約1mm的氣隙。目前已開始應用于數(shù)控機床上的直線電動機主要有感應式直線交流伺服電動機和永磁式直線交流伺服電動機。1.感應式直線交流伺服電動機感應式直線交流伺服電動機通常由SP變頻供電，采用次級磁場定向的矢量變換控制技術(shù)，對其運動位置、速度、推力等參量進行快速而又準確的控制。由于感應式直線伺服電動機的初級鐵心長度有限，縱向兩端開斷，在兩個縱向邊緣形成“端部效應”(endeffect)，使得三相繞組之間互感不相等，引起電動機的運行不對稱。消除這種不對稱的方法有三種：同時使用三臺相同的電

6、動機，將其繞組交叉串聯(lián)，這樣可獲得對稱的三相電流；對于不能同時使用三臺電動機的場合，可采用增加極數(shù)的辦法來減小各相之間的差別；在鐵心端部外面安裝補償線圈。2.永磁式直線伺服電動機永磁式直線伺服電動機的次級是采用高能永磁體，電動機采用矩形波或正弦波電流控制，由IGBT組成的電壓源逆變器供電，P調(diào)制。當向動子繞組中通入三相對稱正弦電流后，直線電動機產(chǎn)生沿直線方向平移并呈正弦分布的行波磁場，與永磁體的勵磁磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力，推動動子沿行波磁場運動的相反方向作直線運動。其控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是PID組成的速度—電流雙閉

7、環(huán)控制，直接受控的是電流，通常采用id=0的控制策略，使電磁推力與id具有線性關(guān)系。二、直線進給伺服驅(qū)動技術(shù)最大的優(yōu)點直線進給伺服驅(qū)動技術(shù)最大的優(yōu)點是具有比旋轉(zhuǎn)電動機大得多的加、減速度(可達10～30倍)，能夠在很高的進給速度下實現(xiàn)瞬時達到設定的高速狀態(tài)和在高速下瞬時準確停止運動。加減速過程的縮短，可改善加工表面質(zhì)量，提高刀具使用壽命和生產(chǎn)效率；減少了中間環(huán)節(jié)，使傳動剛度提高，有效地提高了傳動精度和可靠性，而且進給行程幾乎不受限制。三、直線進給伺服驅(qū)動的應用現(xiàn)狀作為一種嶄新的進給驅(qū)動技術(shù)，其優(yōu)越的高速性能和極高的動

8、態(tài)性能，使其在生產(chǎn)當中迅速得到廣泛應用。在上個世紀90年代中期：首先由德國Ex—cell—o公司開發(fā)的XHC240型高速臥式加工中心，3個進給軸均首次采用感應式直線交流伺服電動機直接驅(qū)動；接著美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心HVM4800和HVM600,X、Y、Z軸均采用永磁式同步直線伺服電動機驅(qū)動；日本三井精機公司生產(chǎn)的高速工具磨床，上下快速移動的Z軸亦是采用直線伺服電動機驅(qū)動。特別是在1999年的巴黎國際EMO(Electromechanicaloptical)博覽會上展出的高速加工中心，最

9、高速度達400m/min，成為新一代數(shù)控機床的代表性技術(shù)。我國臺灣省上銀科技公司也已將直線伺服電動機用于三坐標測量機上，實現(xiàn)三軸直接驅(qū)動?，F(xiàn)在世界各國的著名機床制造商(如日本的Mazak公司和韓國的大宇公司)都紛紛推出直線伺服電機驅(qū)動的數(shù)控機床，而德國的DMG公司在2001年便已銷售采用直線伺服電機驅(qū)動的數(shù)控機床約1000臺，2002年達到近2000臺。各種