從數(shù)控機(jī)床的誕生到現(xiàn)在,其進(jìn)給驅(qū)動技術(shù)經(jīng)歷了由步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用的交流伺服系統(tǒng)三個階段。雖然進(jìn)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(jī)+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(yùn)動路徑,只能借助于機(jī)械變換中間環(huán)節(jié)“間接”地獲得最終的直線運(yùn)動,由此帶來一系列的問題:
首先,中間變換環(huán)節(jié)導(dǎo)致傳動系統(tǒng)的剛度降低,尤其細(xì)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)的彈性變形上,而且彈性變形也是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生機(jī)械諧振的根源。
其次,中間環(huán)節(jié)增大了運(yùn)動的慣量,使系統(tǒng)的速度、位移響應(yīng)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(jìn)一步提高系統(tǒng)精度的難度。
隨著大功率電力半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)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pwm調(diào)制技術(shù)的廣泛應(yīng)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(zhǔn)確定位等方面已達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)。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(jī)床有一個反應(yīng)快速靈敏、高速輕便的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)。而傳統(tǒng)的驅(qū)動方式所能達(dá)到的最高進(jìn)給速度與超高速切削要求相差甚遠(yuǎn)。為適應(yīng)現(xiàn)代加工技術(shù)發(fā)展的需要,采用直線伺服電動機(jī)直接驅(qū)動工作臺來替代“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)+滾珠絲杠”模式,從而消除中間變換環(huán)節(jié)的直線進(jìn)給伺服驅(qū)動新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
直線進(jìn)給伺服驅(qū)動技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀
直線進(jìn)給伺服驅(qū)動是采用直線交流伺服電動機(jī)實現(xiàn)。直線交流伺服電動機(jī)可視為將旋轉(zhuǎn)電動機(jī)定子沿徑向剖開,并將圓周展開成直線作初級,用一導(dǎo)電金屬平板代替轉(zhuǎn)子作次級,就構(gòu)成了直線電動機(jī)。在初級中嵌入三相繞組制成動子,與機(jī)床移動工作臺相連,次級作為定子固定在機(jī)床導(dǎo)軌上,兩者之間保持約1mm的氣隙。目前已開始應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上的直線電動機(jī)主要有感應(yīng)式直線交流伺服電動機(jī)和永磁式直線交流伺服電動機(jī)。
感應(yīng)式直線交流伺服電動機(jī)
感應(yīng)式直線交流伺服電動機(jī)通常由spwm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(yùn)動位置、速度、推力等參量進(jìn)行快速而又準(zhǔn)確的控制。由于感應(yīng)式直線伺服電動機(jī)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(yīng)”(end effect),使得三相繞組之間互感不相等,引起電動機(jī)的運(yùn)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動機(jī),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(jī)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(bǔ)償線圈。
永磁式直線伺服電動機(jī)
永磁式直線伺服電動機(jī)的次級是采用高能永磁體,電動機(jī)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,pwm調(diào)制。當(dāng)向動子繞組中通入三相對稱正弦電流后,直線電動機(jī)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(yùn)動的相反方向作直線運(yùn)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。
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