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伺服系統(tǒng)在數(shù)控車(chē)床上的解決方案
概述:
控(NumericalControl,簡(jiǎn)稱(chēng)NC)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)控制技術(shù),是用數(shù)字信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。在數(shù)控技術(shù)中引進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù),稱(chēng)為CNC(ComputerNumericalControl),CNC具有柔性好、功能強(qiáng)、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好以及易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化等特點(diǎn),使數(shù)控技術(shù)在質(zhì)的方面完成了一次飛躍。
數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn):
數(shù)控機(jī)床是具有兩軸聯(lián)動(dòng)、半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床。機(jī)床具有高剛性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和吸震性,以保證高精度的切削加工。對(duì)控制進(jìn)給軸X、Z軸的伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)要求有高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及精確的定位精度,使機(jī)床的刀架移動(dòng)快速、穩(wěn)定且定位精度高。
對(duì)于機(jī)床的主軸,必須是高速、高剛性的主軸,有快速的啟停特性,有著高效率及低噪音的設(shè)計(jì),這樣可以使零件的加工效率高、精度高,高速也就意味著高的生產(chǎn)效率。
交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與變頻的區(qū)別及工作原理:
主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu),其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的S碼速度指令及M碼輔助功能指令,驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行切削加工。數(shù)控加工中心對(duì)主軸有較高的控制要求,首先要求在大力矩、強(qiáng)過(guò)載能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬范圍無(wú)級(jí)變速,其次要求在自動(dòng)換刀動(dòng)作中實(shí)現(xiàn)定角度停止(即準(zhǔn)停),這使加工中心主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比一般的變頻調(diào)速系統(tǒng)或小功率交流伺服系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)整定上具有更大的難度。主軸的驅(qū)動(dòng)可以使用交流變頻或交流伺服2種控制方式,交流變頻主軸能夠無(wú)級(jí)變速但不能準(zhǔn)停,需要另外裝設(shè)主軸位置傳感器,配合CNC系統(tǒng)PMC (指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC)的邏輯程序來(lái)完成準(zhǔn)停速度控制和定位停止;交流伺服主軸本身即具有準(zhǔn)停功能,其自身的軸控PLC信號(hào)可直接連接至CNC系統(tǒng)的PMC,配合簡(jiǎn)捷的PMC邏輯程序即可完成準(zhǔn)停定位控制,且后者的控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。
交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主軸驅(qū)動(dòng)單元、主軸電動(dòng)機(jī)和檢測(cè)主軸速度與位置的旋轉(zhuǎn)編碼器3部分組成,主要完成閉環(huán)速度控制,但當(dāng)主軸準(zhǔn)停時(shí)則完成閉環(huán)位置控制。由于數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)功率較大,所以主軸電動(dòng)機(jī)采用鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式,旋轉(zhuǎn)編碼器可以在主軸外安裝,也可以與主軸電動(dòng)機(jī)做成一個(gè)整體,主軸驅(qū)動(dòng)單元的閉環(huán)控制、矢量運(yùn)算均由內(nèi)部的高速信號(hào)處理器及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。CNC系統(tǒng)向主軸驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出速度指令驅(qū)動(dòng)單元將該指令與旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)出的實(shí)際速度相比較,經(jīng)數(shù)字化的速度調(diào)節(jié)器和磁鏈函數(shù)發(fā)生器運(yùn)算,得到轉(zhuǎn)子當(dāng)前的希望力矩與希望磁鏈?zhǔn)噶吭俜謩e與實(shí)際力矩、磁鏈運(yùn)算結(jié)果相比較,且經(jīng)過(guò)力矩、磁鏈調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到等效直流電動(dòng)機(jī)(兩相旋轉(zhuǎn)軸系)的轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量換進(jìn)入兩相靜止軸系,最后經(jīng)2/3矢量變換進(jìn)入三相靜止軸系,得到變頻裝置的三相定子電流希望值,通過(guò)控制SPWM驅(qū)動(dòng)器及IGBT變頻主回路使負(fù)載三相電流跟隨希望值,就可以完成主軸的速度閉環(huán)控制。
系統(tǒng)設(shè)計(jì):
數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)架構(gòu)
(1)主軸系統(tǒng):H600伺服主軸系統(tǒng)(4.5KW)
(2)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):滾珠絲杠+彈性連軸器+直線滾動(dòng)導(dǎo)軌+DB100系列伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
(3)系統(tǒng)是合作商杭州正嘉系統(tǒng)610TC
以下是驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)各接頭連接圖:
伺服性能分析
對(duì)于主軸伺服H600 快速響應(yīng):速度環(huán)250us,位置環(huán)500us, 支持電子凸輪及電子齒輪,支持工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT,支持17位編碼器,多種編碼器接口,支持類(lèi)型包括:增量式光電編碼器、串行通訊編碼器、正余弦編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器。在該機(jī)床上的應(yīng)用H600伺服高效穩(wěn)定性保證了機(jī)床的主軸高性能。
對(duì)于進(jìn)給軸X、Z的伺服性能的要求主要是伺服系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及較高的定位精度。DB100系列伺服基于DSP+FPGA+IPM的硬件平臺(tái),有著穩(wěn)定性好、可靠性高、響應(yīng)快、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn),速度響應(yīng)頻寬為500HZ;具有共振抑制功能,可以精確調(diào)諧,消除震動(dòng);控制精度可以達(dá)到1個(gè)脈沖,最大的輸入頻率可以達(dá)到500Kpps,這都很好的保證了進(jìn)給軸所需驅(qū)動(dòng)的要求。
結(jié)束語(yǔ):
使用御能動(dòng)力H600主軸伺服及DB100通用進(jìn)給系列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)控車(chē)床能達(dá)到數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的性能要求。主軸高速穩(wěn)定,進(jìn)給軸具有啟停迅速,運(yùn)行平穩(wěn)、提高切削精度與效率等良好的特點(diǎn)。