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高速電火花穿孔機中伺服系統技術應用

  作为高速電火花穿孔機機床的執行機構,伺服系統集電力電子器件、控制、驅动及保護为一體,并随着數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步,经曆了從步進到直流,進而到交流的發展曆程。數控機床中的伺服系統種類繁多。

  伺服系統是以機械運动的驅动設備一電动機为控制對象,以控制器为核心,以電力電子功率變換裝置为執行機構,在自动控制理論的指導下組成的電氣傳动自动控制系統。这類系統控制電动機的轉矩、轉速和轉角,将電能轉換为機械能,實現機械的運动要求。數控穿孔機機床中,伺服系統接收數控系統發出的位移、速度指令,经變換、放調與整大後,由電动機和機械傳动機構驅动機床坐标軸、主軸等,帶动工作台及刀架,通過軸的聯动使刀具相對工件産生各種複雜的機械運动,從而加工出用戶要求的複雜形狀工件。

  1,伺服系統的結構

  從基本結構看,伺服系統主要由控制器、功率驅动裝置、反饋裝置和電动機組成。控制器按照數控系統的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差,調節控制量;功率驅动裝置作为系統的主回路,一方面按控制量的大小将電網中的電能作用到電动機上,調節電动機轉矩的大小;另一方面按電动機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換为電动機所需的交流電或直流電;電动機則按供電大小拖动機械運轉。

  考慮伺服系統在數控穿孔機機床中的應用,本文按機床中傳动機械的不同将其分为進給伺服與主軸伺服。

  2 進給伺服系統的特性

  進給伺服以數控穿孔機機床的各坐标为控制對象,産生機床的切削進給運动。为此,要求進給伺服能快速調節坐标軸的運动速度,并能精确地進行位置控制。具體要求其調速範圍寬、位移精度高、穩定性好、动态響應快。根據系統使用的電动機,進給伺服可細分为步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

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  (1)步進伺服系統

  步進伺服是一種用脈沖信号控制,并将脈沖信号轉換成相應角位移的控制系統。其角位移與脈沖數成正比,轉速與脈沖頻率成正比,通過改變脈沖頻率可調節電动機的轉速。如果停機後某些繞組仍保持通電狀态,則系統還具有自鎖能力。步進電动機每轉1周都有固定的步數,如500步、1000步、50000步等,理論上其步距誤差不會累計。

  步進伺服結構簡單,符合系統數字化發展需要,但精度差、能耗高、速度低,且其功率越大移动速度越低。特别是步進伺服易于失步,使其主要用于速度與精度要求不高的经濟型數控機床及舊設備改造。但近年發展起来的恒斬波驅动、PWM驅动、微步驅动、超微步驅动和混合伺服技術,使步進電动機的高、低頻特性得到很大提高,特别是随着智能超微步驅动技術的發展,将把步進伺服的性能提高到新的水平。

  (2)直流伺服系統

  直流伺服的工作原理建立在電磁定律基礎上。與電磁轉矩相關的是互相獨立的兩個變量:主磁通與電樞電流,分别控制勵磁電流與電樞電流,可方便地進行轉矩與轉速控制。另一方面,從控制角度看,直流伺服的控制是一個單輸人單輸出的單變量控制系統,经典控制理論完全适用于这種系統,因此,直流伺服系統控制簡單,調速性能優異,在數控機床的進給驅动中曾占據主導地位。

  然而,從實際運行考慮,直流伺服電动機引人了機械換向裝置,其成本高、故障多、維護困難,经常因碳刷産生的火花而影響生産,并對其他設備産生電磁幹擾。同時,機械換向器的換向能力限制了電动機的容量和速度。電动機的電樞在轉子上,使得電动機效率低、散熱差。为改善換向能力、減小電樞的漏感,轉子變得短粗,影響了系統的动态性能。

  (3)交流伺服系統

  針對直流電动機的缺陷,如果将其做“里翻外”的處理,即把電驅繞組裝在定子、轉子为永磁部分,由轉子軸上的編碼器測出磁極位置,就構成永磁無刷電动機,同時,矢量控制方法的實用化使交流伺服系統具有良好的伺服特性。其寬調速範圍、高穩速精度、快速动态響應及四象限運行等良好的技術性能,使其动、靜态特性可與直流伺服系統相媲美。同時可實現弱磁高速控制,拓寬了系統的調速範圍,适應了高性能伺服驅动的要求。

  目前,在數控中走絲切割機床進給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統,有三種類型:模拟形式、數字形式和軟件形式。模拟伺服用途單一,隻接收模拟信号,位置控制通常由上位機實現;數字伺服可實現一機多用,如做速度、力矩、位置控制,可接收模拟指令和脈沖指令,各種參數均以數字方式設定,穩定性好,具有較豐富的自診斷、報警功能;軟件伺服是基于微處理器的全數字伺服系統,其将各種控制方式和不同規格、功率的伺服電機的監控程序以軟件實現。使用時可由用戶設定代碼與相關的數據即自动進人工作狀态。配有數字接口,改變工作方式、更換電动機規格時,隻需重設代碼即可,故也稱萬能伺服。

  交流伺服已占據了機床進給伺服的主導地位,并随着新技術的發展而不斷完善,具體體現在三方面:①系統功率驅动裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發展,智能化功率模塊得到普及與應用;②基于微處理器嵌人式平台技術的成熟,将促進先進控制算法的應用;③網絡化制造模式的推廣及現場總線技術的成熟,将使基于網絡的伺服控制成为可能。

  (4)直線伺服系統

  直線伺服系統采用一種直接驅动方式(direct drive),與傳統的旋轉傳动方式相比,最大特點是取消了電动機到工作台間的一切機械中間傳动環節,即把機床進給傳动鍊的長度縮短为零。这種“零傳动” 方式帶来了旋轉驅动方式無法达到的性能指标,如加速度可达29.4m/s 以上,为傳統驅动裝置的lO一2O倍,進給速度是傳統的4—5倍。從電动機的工作原理来講,直線電动機有直流、交流、步進、永磁、電磁、同步和異步等多種方式;而從結構来講,又有动圈式、动鐵式、平闆型和圓筒型等形式。目前應用到數控機床上的主要有高精度高頻向小行程直線電动機與大推力長行程高精度直線電动機兩類。

  直線伺服是高速高精數控機床的理想驅动模式,受機床廠家重視,技術發展迅速。

  3, 主軸伺服系統的特性

  主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率,因此,隻需完成主軸調速及正反轉功能。但當要求機床有螺紋加工、準停和恒線速加工等功能時,對主軸也提出了相應的位置控制要求,因此,要求其輸出功率大,具有恒轉矩段及恒功率段,有準停控制,主軸與進給聯动。與進給伺服一樣,主軸伺服经曆了從普通三相異步電动機傳动到直流主軸傳动。随微處理器技術和大功率晶體管技術的進展,現在又進人了交流主軸伺服系統的時代。

  (1)交流異步伺服系統

  交流異步伺服通過在三相異步電动機的定子繞組中産生幅值、頻率可變的正弦電流,該正弦電流産生的旋轉磁場與電动機轉子所産生的感應電流相互作用,産生電磁轉矩,從而實現中走絲切割的旋轉。其中,正弦電流的幅值可分解为給定或可調的勵磁電流與等效轉子力矩電流的矢量和;正弦電流的頻率可分解为轉子轉速與轉差之和,以實現矢量化控制。

  交流異步伺服通常有模拟式、數字式兩種。與模拟式相比,數字式伺服加速特性近似直線,時間短,且可提高主軸定位控制時系統的剛性和精度,操作方便,是機床主軸驅动采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問題:①轉子發熱,效率較低,轉矩密度較小,體積較大;②功率因數較低,因此,要獲得較寬的恒功率調速範圍,要求較大的逆變器容量。

  (2)交流同步伺服系統

  近年来,随着高能低价永磁體的開發和性能的不斷提高,使得采用永磁同步調速電动機的交流同步伺服系統的性能日益突出,为解決交流異步伺服存在的問題帶来了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比,永磁同步電动機轉子溫度低,軸向連接位置精度高,要求的冷卻條件不高,對機床環境的溫度影響小,容易达到極小的低限速度。即使在低限速度下也可作恒轉矩運行,特别适合強力切削加工。同時,其轉矩密度商、轉动慣量小、动态響應特性好,特别适合高生産率運行。較易达到很高的調速比,允許同一機床主軸具有多種加工能力,既可以加工像鋁一樣的低硬度材料,也可以加工很硬很脆的合金,为機床進行最優切削創造了條件。

  (3)電主軸

  電主軸是電动機與主軸融合在一起的産物,它将主軸電动機的定子、轉子直接裝入主軸組件的内部,電动機的轉子即为主軸的旋轉部分,由于取消了齒輪變速箱的傳动與電动機的連接,實現了主軸系統的一體化、“零傳动”。因此,具有結構緊湊、質量輕、慣性小、动态特性好等優點,可改善機床的动平衡,避免振动和噪聲,在超高速切削機床上得到廣泛應用。

  從理論上講,電主軸作为高速電动機,既可使用異步交流感應電动機,也可使用永磁同步電动機。電主軸的驅动一般使用矢量控制的變頻技術,通常内置一脈沖編碼器来實現廂位控制及與進給的準确配合。由于電主軸的工作轉速極高,對其散熱、动平衡、潤滑等提出了特殊的要求。在應用中必須妥善解決才能确保電主軸高速運轉和精密加工。 

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發布時間:2012/5/8 9:24:39 點擊率:2382 [返回上一頁]
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