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数控机床的电机部件

2022-01-17

1.刀架

作为数控车床的关键功能部件,动力刀架有着非常重要的功能,主要用来实现夹持刀具、储备刀具和自动的换取刀具的功能。数控刀架在市场上通常被分为低、中、高三种,分类是主要依据于使用场合来决定的。低档次的刀架一般只有电力作为动力,简称为电动刀架,由于只采用电机的力矩作为刀架转动力矩的力量之源,所以不能承载太多的功能,但结构上的简单也使得这种低档的电动刀架的承载能力较强,其低档简单性决定了其不能适用于高精度多要求的机床上,只能在经济简易的机床上使用。中档的刀架则有了一定的提升,种类也较多,主要有液压刀架、伺服刀架和双选电动刀架。

根据刀架的名称可知,液压刀架主要是以液压马达或者液压缸作为动力之源,伺服则用伺服电机作为动力之源,在控制和精度上都有更高要求,转的更快、重复定位精度更高。这种中档的刀架由于其性能的适用性和价格的实用性,被广泛的应用到普通的机床上。高档的数控刀架相比于中档的刀架,有着更为优良的性能水平,主要表现在精度保持性和高精度加工方面,其高度自动化也是高档刀架的发展方向,这种刀架主要应用于对精度要求较高的高级数控机床上。

动力刀架的发展历史要追溯到上世纪的80年代,随着三十多年的发展,作为数控机床的关键零部件,其重要程度越来越得到重视,动力刀架使用的可靠性和性能上的稳定性在整机的可靠性水平中占据重要作用。当今世界上的刀架生产企业集中于德国、意大利、英国等欧洲较为发达的国家,由于发展历史较为悠久,技术积累比较雄厚,科研团队也是很好,他们所设计和制造出来的刀架可靠性能更高。世界上比较的刀架生产商有德国的肖特、意大利的巴拉法第以及杜普马帝克,他们占据着中高端的市场。

2.进给伺服

伺服驱动系统采用位置控制、速度控制和电流控制的三环结构组成。图1伺服驱动系统原理框图

(1)电流环

电流环作为系统里面一环,是整个伺服系统的底层数据采样环节,离散电流环采样周期越短,伺服刚性就可以提高的越高,伺服的控制性能就会越好。电流环是内环,所以电流环才是控制的根本,是一切控制直接的执行者。广义上来讲,做伺服调整的终目标,就是要保证无论在高低速情况,加工多么复杂零件,都要尽可能确保电流的稳定(电流环输出的电流谐波分量小),不要波动太大,电流响应速度快等。

只有电流的稳定,才能保证转矩的稳定,后才能确保终的加工效果。此外,电流环由于高速处理周期,还肩负着对控制异常的细节检测,电流环作为内环必须满足比速度环和位置环更高的响应周期,以便能精确实时的控制由于转速变化而对应的交流电频率,即能够跟得上速度环发来的指令处理,及时做出响应。


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(2)速度环

速度环保证电机的转速与指令值相一致、消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。速度指令与反馈的电机实际转速相比较,其差值通过速度调节器直接产生q轴指令电流控制电机加速、减速或匀速,从而使电机的实际转速与指令值保持一致。速度环是连接电流环和位置环的中间环节,合理提高速度环増益是整个伺服调试的核心。速度环是将整个电流环作为被控制对象的。转矩是速度与惯量的乘积为了确保转矩的稳定,速度与合理的负载惯量比才是根本。所以,速度环的作用就是确保速度的稳定。速度与负载惯量比直接影响电流环的稳定。做伺服调整关键的一个参数就是速度环增益(Kv)。

速度环增益是对给定速度与反馈速度经过比较后的差值放大倍数。显然这个倍数越大,对速度变化的分辨率就越高。分辨率越高,那么对速度波动的鉴别能力与扭转能力就越强(因为负反馈的实质就是对差值进行不断的校正,直至为0为止),这个对速度的扭转能力非常关键,它表示着这个系统对外界负载的抗干扰能力,速度增益越大,表示系统对外界抗干扰能力就越强,那么抑制速度波动的能力就越强,显然光洁度就要越好了(在无振动前提下)。所以越大的速度环增益,代表着精确的速度控制能力,代表着精确的转矩力道,代表着佳的表面光洁特性,它与位置环一起,代表着机械的佳响应性。

(3)位置环

位置环的根本任务是使执行机构对位置指令的精确跟踪,它能产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过设定的目标位置与电机准确定位的实际位置相比较,利用其偏差通过位置调节器来产生电机的速度指令。当给定量随机变化时,系统能使被控量准确无误地跟踪并复现给定量。从伺服驱动系统原理框图中可看出,位置环是三环里面的外环,是后的调整对象。控制着包括电流环与速度环在内的所有对象。

一般情况下,先确定电流环与速度环,后确定位置环,所以经过插补之后的位置指令,位置环是确保加工结果是否满足要求的重要的终的决定因素。评价一台机床加工性能的好坏,主要表现在对加工零件的表面光洁度与轮廓精度两方面,而轮廓精度从系统角度来讲,就是由位置环决定。在确保了位置环的输入指令之后,与通过反馈回来的反馈位置进行差值放大,即得到位置误差。显然,类似速度环增益,位置环增益描述的是对位置变化的精确分辨能力。它的作用是来描述系统的静态精度与动态跟踪性能的。位置环増益KP设定越大,对位置变化的鉴别能力与扭转能力就越高,则机械的滞后将得到大大改善,动态跟随性能就越强。配合速度环的高响应,终才使得定位精度得以提升。 


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