任務2交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的電路設計、驅(qū)動器的安裝與接線

《數(shù)控維修技術》任務二交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的電路設計、驅(qū)動器的安裝與接線《數(shù)控維修技術》知識目標1．了解伺服系統(tǒng)的基本概念；2．熟悉數(shù)控機床常用的位置檢測元件和交流伺服電機；3．熟悉FANUC0imateTC交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的接口布局；4．掌握各接口的編號與作用；5.掌握各接口與數(shù)控系統(tǒng)其他功能部件的連接方法。

技能目標1.熟悉FANUC0imateTC交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的接口布局；2.掌握各接口與數(shù)控系統(tǒng)其他功能部件的連接方法；3.能讀懂機床電氣原理圖并熟悉實訓裝置的實際接線。

教學目標《數(shù)控維修技術》一.數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述

如果說數(shù)控裝置是數(shù)控機床的“大腦”，是發(fā)布命令的指揮機構(gòu)，那么，伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機床的“四肢”，是執(zhí)行機構(gòu)，它忠實而準確地執(zhí)行由數(shù)控裝置發(fā)出的運動命令，控制數(shù)控機床運動部件的速度和位移，加工出所需工件的外形和尺寸。伺服系統(tǒng)的性能是影響數(shù)控機床的精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)（ServoSystem）是以機床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)或伺服機構(gòu)。通常數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是指進給伺服系統(tǒng)，它是數(shù)控系統(tǒng)和機床機械傳動部件的連接環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分，包含機械傳動、電氣驅(qū)動、檢測、自動控制等方面的內(nèi)容。在數(shù)控機床上，伺服驅(qū)動系統(tǒng)接收來自數(shù)控系統(tǒng)插補裝置或插補軟件生成的進給脈沖指令，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，將其精確轉(zhuǎn)化為機床工作臺相對于切削刀具的運動，直接反映機床坐標軸跟蹤運動指令和實際定位的性能。另外當要求機床有螺紋加工、準停和恒線速加工等功能時，就對主軸提出了相應的位置控制要求，此時主軸驅(qū)動控制系統(tǒng)可稱為主軸伺服系統(tǒng)?！稊?shù)控維修技術》1.數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類（1）按調(diào)節(jié)理論分類:可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。（2）按使用直流伺服電動機和交流伺服電動機分類:可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。（3）按進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動分類:可分為進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。而主軸伺服系統(tǒng)一般是指主軸驅(qū)動控制，滿足主軸調(diào)速及正、反轉(zhuǎn)功能即可。此外，刀庫的位置控制是為了在刀庫的不同位置選擇刀具，與進給坐標軸的位置控制相比，性能要低得多，故稱為簡易位置伺服系統(tǒng)。（4）按反饋比較控制方式分類:可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)、幅值比較伺服系統(tǒng)和全數(shù)字伺服系統(tǒng)。從位置控制的角度看，開環(huán)控制不需要位置檢測與反饋;閉環(huán)和半閉環(huán)控制需要有位置檢測與反饋環(huán)節(jié)，它們是基于反饋控制原理工作的?！稊?shù)控維修技術》2.伺服系統(tǒng)的組成閉環(huán)伺服系統(tǒng)一般由位置環(huán)和速度環(huán)組成。內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，由伺服電動機、伺服驅(qū)動裝置、測速裝置及速度反饋組成;外環(huán)是位置環(huán)，由數(shù)控系統(tǒng)中的位置控制、位置檢測裝置及位置反饋組成。在位置控制中，根據(jù)插補運算得到的位置指令（即一串脈沖或二進制數(shù)據(jù)），與位置檢測裝置反饋來的機床坐標軸的實際位置相比較，形成位置偏差，經(jīng)變換得到速度給定電壓。在速度控制中，伺服驅(qū)動裝置根據(jù)速度給定電壓和速度檢測裝置反饋的實際轉(zhuǎn)速對伺服電動機進行控制，以驅(qū)動機床傳動部件。閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)由位置檢測裝置、位置控制模塊、伺服驅(qū)動裝置、伺服電動機及機床進給傳動鏈組成?！稊?shù)控維修技術》2.伺服系統(tǒng)的組成《數(shù)控維修技術》3.數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求（1）可逆運行在加工過程中，機床工作臺根據(jù)加工軌跡的要求，需要頻繁的正向運行或反向運行，同時要求在方向變化時，不應有反向間隙和運動的損失。（2）高精度包括位移精度和定位精度。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機床工作臺的位移量和該指令經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺實際位移量之間的符合程度。定位精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)的分辨率是指當伺服系統(tǒng)接收CNC送來的一個脈沖時，工作臺相應移動的單位距離，也稱脈沖當量。系統(tǒng)分辨率取決于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作性能和所使用的位置檢測元件。（3）調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指機械裝置要求電動機能提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比。為適應不同的加工條件，數(shù)控機床要求進給能在很寬的范圍內(nèi)無級變化。目前，先進水平是在進給速度范圍已達到脈沖當量為1μm的情況下，進給速度從0～240m/min連續(xù)可調(diào)。但對一般的數(shù)控機床而言，要求進給伺服系統(tǒng)在0～24m/min進給速度下都能工作在零速時，即工作臺停止運動時，要求電動機有電磁轉(zhuǎn)矩，以維持定位精度，使定位誤差不超過系統(tǒng)的允許范圍，即應處于伺服鎖住狀態(tài)。《數(shù)控維修技術》3.數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求（4）動態(tài)響應快無超調(diào)為保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度值，對位置伺服系統(tǒng)還要求有良好的快速響應特性，即跟蹤指令信號響應要快。這就要求:一、在伺服系統(tǒng)處于頻繁地起動、制動、加速、減速等動態(tài)過程中，為提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量，要求加、減速度足夠大，以縮短過渡時間;二、當負載突變時，過渡過程恢復時間要短且無振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。（5）有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性伺服系統(tǒng)在不同的負載情況下或切削條件發(fā)生變化時，應使進給速度保持穩(wěn)定。穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。（6）低速大轉(zhuǎn)矩低速時進給驅(qū)動有大的轉(zhuǎn)矩輸出，以滿足低速進給切削的要求?！稊?shù)控維修技術》二．進給伺服系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令，是通過進給伺服系統(tǒng)驅(qū)動機械執(zhí)行部件，最終實現(xiàn)精確的進給運動的，因此，進給伺服系統(tǒng)實際上是一種高精度的位置跟蹤與定位系統(tǒng)。它的性能決定了數(shù)控機床的許多性能，如最高移動速度、輪廓跟隨精度、定位精度等等?！稊?shù)控維修技術》1.一般對進給伺服系統(tǒng)有如下要求（1）精度高。伺服系統(tǒng)要具有較好的靜態(tài)特性和較高的伺服剛度，從而達到較高的定位精度，以保證機床具有較小的定位誤差與重復定位誤差。（2）快速響應，無超調(diào)。為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，在起、制動時，要求加速度足夠大，以縮短伺服系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。（3）調(diào)速范圍寬。在數(shù)控機床中，由于所用刀具、被加工材料、主軸轉(zhuǎn)速以及進給速度等加工工藝要求各有不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，要求進給驅(qū)動系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o限調(diào)速范圍（通常要大于1∶10000）。《數(shù)控維修技術》2.伺服驅(qū)動系統(tǒng)分類早期的數(shù)控機床采用電液伺服驅(qū)動的較多，而現(xiàn)代數(shù)控機床基本上都采用全電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。它可分為步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)三大類。（1）步進驅(qū)動系統(tǒng)一般與脈沖增量插補算法相配合，目前均選用功率型步進電動機作為驅(qū)動元件。步進驅(qū)動系統(tǒng)在我國經(jīng)濟型數(shù)控領域和老式機床改造中起到了極其重要的作用。（2）直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)從20世紀70年代到20世紀80年代中期，在數(shù)控機床領域占據(jù)主導地位。此類電動機大多配有晶閘管全控或半控橋SCR-D調(diào)速裝置。為適應部分數(shù)控機床（如鉆床、沖床等）頻繁起動、制動及快速定位要求，又開發(fā)了直流中小慣量伺服電動機以及大功率晶體管脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動裝置。（3）交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)應用于進給驅(qū)動的交流伺服電動機有交流同步電動機與異步電動機兩大類。由于數(shù)控機床進給驅(qū)動的功率一般不大（數(shù)百至數(shù)千瓦），而交流異步電動機的調(diào)速指標一般不如交流同步電動機，因此大多數(shù)進給伺服系統(tǒng)采用永磁式交流同步電動機?！稊?shù)控維修技術》三．數(shù)控機床的位置傳感器

檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。檢測裝置起著測量和反饋兩個作用。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，檢測裝置發(fā)出的反饋信號，送回計算機或?qū)Ｓ每刂破?，與設定值相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件正確運轉(zhuǎn)，直至偏差消除為止。《數(shù)控維修技術》1.數(shù)控機床檢測裝置的要求（1）工作可靠，抗干擾性強。（2）滿足精度和速度要求。（3）使用維護方便，適合機床運行環(huán)境。（4）經(jīng)濟性好?！稊?shù)控維修技術》2.檢測裝置的分類（1）數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置按被檢測的物理量分為位移、速度和電流三種類型。（2）按安裝的位置及耦合方式分為直接測量和間接測量兩種。（3）按測量方法分為增量式和絕對式兩種。增量式檢測方法只測量位移的增量，每移動一個測量單位就發(fā)出一個測量信號。其優(yōu)點是檢測裝置簡單，任何一個終點都可以作為測量起點。絕對值測量方式可以避免上述缺點，被測量的任何一點位置都以一個固定的零點作為基準，每一被測點都有一個相應的測量值。采用這種方式，分辨率要求愈高，結(jié)構(gòu)也愈復雜。（4）按檢測信號的類型分為模擬式和數(shù)字式兩種。（5）按信號轉(zhuǎn)換方式可分為光電效應、光柵效應、電磁感應、壓電效應、壓阻效應和磁阻效應等類檢測裝置。（6）按運動方式分為旋轉(zhuǎn)型和直線型檢測裝置。《數(shù)控維修技術》3.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器常用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式光電編碼器，如圖1—轉(zhuǎn)軸;2—LED;3—光欄板;4—零標志槽;5—光敏元件;6—光電碼盤;7—印制電路板;8—電源及信號線連接座《數(shù)控維修技術》3.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器光電編碼器由LED（帶聚光鏡的發(fā)光二極管）、光欄板、光電碼盤、光敏元件及信號處理電路（印制電路板）組成。其中，光電碼盤是在一塊玻璃圓盤上鍍上一層不透光的金屬薄膜，然后在上面制成圓周等距的透光與不透光相間的條紋，光欄板上具有和光電碼盤上相同的透光條紋。碼盤也可由不銹鋼薄片制成。當光電碼盤旋轉(zhuǎn)時，光線通過光欄板和光電碼盤產(chǎn)生明暗相間的變化，由光敏元件接收。光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周的條紋數(shù)有關，即分辨角，如條紋數(shù)為1024，則分辨角=360°/1024=0.352°。實際應用的光電編碼器的光欄板上有兩組條紋A和B，A組和B組的條紋彼此錯開1/4節(jié)距，兩組條紋相對應的光敏元件所產(chǎn)生的信號彼此相差90°相位，用于辨向。當光電碼盤正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90°，當光電碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90°，數(shù)控系統(tǒng)正是利用這一相位關系來判斷方向的?！稊?shù)控維修技術》四.交流伺服電動機

交流伺服電動機分為異步型和同步型兩種。異步型交流伺服電動機有三相和單相之分，也有籠型和線繞式之分，通常多用籠型三相感應電動機。因其結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流伺服電動機相比，質(zhì)量約輕1.2，價格僅為直流伺服電動機的1.3。它的缺點是不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流，因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。同步型交流伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流伺服電動機簡單。按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，同步型交流伺服電動機可分為電磁式及非電磁式兩類。非電磁式又可分磁滯式、永磁式和反應式。其中磁滯式和反應式同步伺服電動機存在效率低、功率因數(shù)差、制造容量不大等缺點，因而數(shù)控機床中多用永磁同步交流伺服電動機。永磁同步交流伺服電動機用永久磁鐵勵磁，與電勵磁相比，有構(gòu)造簡單、堅固、運行可靠、體積小、過載能力強等特點。尤其是近來永磁材料的發(fā)展，磁性能優(yōu)越，促進了永磁電動機在數(shù)控機床中的應用。永磁同步交流伺服電動機在數(shù)控機床中主要用作進給驅(qū)動。《數(shù)控維修技術》1.交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)永磁同步交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)如圖所示。主要是由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成。定子內(nèi)側(cè)有齒槽，槽內(nèi)裝有三相對稱繞組，其結(jié)構(gòu)與普通交流電動機的定子類似。定子上有通風孔，定子的外形多呈多邊形，且無外殼以利于散熱。轉(zhuǎn)子主要由多塊永久磁鐵和鐵心組成，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是極數(shù)多，氣隙磁通密度較高。《數(shù)控維修技術》1.交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)永磁同步交流伺服電動機結(jié)構(gòu)示意圖1—定子;2—永久磁鐵;3—軸向通風孔;4—轉(zhuǎn)軸;5—鐵心;6—定子三相繞組;7—脈沖編碼器;8—接線盒;9—壓板永磁同步交流伺服電動機的工作原理《數(shù)控維修技術》2.交流伺服電動機的工作原理

當三相定子繞組中通入三相交流電后，就會在定子與轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)速為n的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)速n稱為同步轉(zhuǎn)速。設轉(zhuǎn)子為兩極永久磁鐵，定子的旋轉(zhuǎn)磁場用一對旋轉(zhuǎn)磁極表示，由于定子的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵的磁力作用使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動，如圖4-32所示。當轉(zhuǎn)子加上負載轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)子軸線將落后定子旋轉(zhuǎn)磁場軸線一個θ角。當負載減小時，θ也減小;當負載增大時，θ也增大。只要負載不超過一定限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)速n（r/min）旋轉(zhuǎn)。同步轉(zhuǎn)速為

N=60f/p

式中，f———電源頻率;p———磁極對數(shù)《數(shù)控維修技術》2.交流伺服電動機的工作原理當負載超過一定限度后，轉(zhuǎn)子不再按同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，甚至可能不轉(zhuǎn)。這就是同步交流伺服電動機的失步現(xiàn)象，此負載的極限稱為最大同步轉(zhuǎn)矩。永磁交流同步伺服電動機的同步轉(zhuǎn)速與電源的頻率存在嚴格的對應關系，即在電源電壓和頻率固定不變時，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。當采用變頻電源供電時，可方便地獲得同頻率成正比的可變轉(zhuǎn)速?！稊?shù)控維修技術》五．FANUC公司的伺服驅(qū)動系統(tǒng)FANUC數(shù)控系統(tǒng)的伺服卡FSSB（FANUCSeriesServoBus）通過光纜與伺服模塊連接起來，通過光纜傳遞指令信號和接受位置反饋信號。這種連接最多可以連接4個軸。供電方式為三相200V-240V供電。智能電源管理模塊，碰到故障或緊急情況時，急停鏈生效，斷開伺服電源，確保系統(tǒng)安全可靠?？刂菩盘柤拔恢谩⑺俣鹊刃盘柾ㄟ^FSSB光纜總線傳輸，不易被干擾。電機編碼器為串行編碼信號輸出。《數(shù)控維修技術》1.FANUC伺服放大器的連接《數(shù)控維修技術》2.相關接口說明CZ4接口為三相交流200~240V電源輸入口，順序為U、V、W、地線。CZ5接口為伺服驅(qū)動器驅(qū)動電壓