智能制造裝備電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試張斌部分參考答案

思考與練習(xí)題1參考答案1.繪制數(shù)控車床的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖。操作操作面板I/O裝置系統(tǒng)鍵盤PLC數(shù)控裝置CNC機(jī)床I/O電路和裝置主軸驅(qū)動(dòng)器主軸電機(jī)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)器主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滾珠絲杠螺母檢測(cè)裝置X、Z等各進(jìn)給驅(qū)動(dòng)軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輔助裝置刀架卡盤2.討論數(shù)控機(jī)床主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)在數(shù)控機(jī)床上分別起什么作用？各自有什么特點(diǎn)？ 進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要控制工作臺(tái)或刀架沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，一般做直線運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)位置、速度雙閉環(huán)系統(tǒng)；主軸控制刀具的旋轉(zhuǎn)（如銑床、加工中心）或工件的旋轉(zhuǎn)（如數(shù)控車床），一般做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。3.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置、速度雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。4.比較數(shù)控機(jī)床的開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)各自的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。 開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢測(cè)裝置，主要是由功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，調(diào)試方便，成本很低。適應(yīng)于加工精度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)用光柵尺、感應(yīng)同步器或旋轉(zhuǎn)變壓器等位置檢測(cè)裝置檢測(cè)了機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位移，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差，具有很高的位置控制精度。位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難，主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測(cè)元件不直接安裝在最終的運(yùn)動(dòng)部件上，而是在伺服電動(dòng)機(jī)的軸或數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)絲杠上安裝有角度檢測(cè)裝置，通過(guò)絲杠的轉(zhuǎn)角間接的檢測(cè)移動(dòng)部件的最終位置，這類系統(tǒng)因?yàn)椴话C(jī)械的非線性因素在內(nèi)，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，但是傳動(dòng)鏈的誤差不能得到檢測(cè)，這種系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)參數(shù)對(duì)反向間隙和螺距誤差進(jìn)行補(bǔ)償，可以獲得比較滿意的精度，所以在數(shù)控機(jī)床得到廣泛應(yīng)用。思考與練習(xí)題2參考答案1.數(shù)控機(jī)床主軸主要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，金屬加工的切削力主要由主軸驅(qū)動(dòng)提供。2.數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸有哪些控制要求？ 根據(jù)主軸運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)及在機(jī)床上的作用，數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有以下幾方面的要求：（1）具有足夠的功率；（2）主軸有較寬的調(diào)速范圍；（3）端面加工時(shí)配合進(jìn)給實(shí)現(xiàn)恒線速度；（4）主軸定向控制；（5）加工螺紋時(shí)與進(jìn)給實(shí)行同步控制。3.機(jī)床主軸的傳動(dòng)主要有哪些連接形式？ （1）采用齒輪傳動(dòng)或帶傳動(dòng)的定比傳動(dòng)；（2）經(jīng)過(guò)二級(jí)齒輪變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速系列；（3）電動(dòng)機(jī)與主軸用聯(lián)軸器同軸連接。4.對(duì)比數(shù)控機(jī)床主軸的幾種配置方案，將它們各自的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合填寫入表2.1中。表2.1數(shù)控機(jī)床主軸配置方案方案設(shè)備配置特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合機(jī)械調(diào)速普通三相異步電動(dòng)機(jī)+齒輪變速箱控制簡(jiǎn)單，只需要數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制主軸電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，主軸電動(dòng)機(jī)始終工作在額定轉(zhuǎn)速，輸出力矩大，重切削能力強(qiáng)，非常適合粗加工和半精加工的要求。機(jī)床的調(diào)速通過(guò)齒輪換檔實(shí)現(xiàn)，只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。工作過(guò)程中噪音比較大。適合加工產(chǎn)品比較單一，對(duì)主軸速度沒有太高要求。不適合有色金屬和需要頻繁變換主軸速度的加工場(chǎng)合。變頻驅(qū)動(dòng)變頻器+三相異步電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速，在低速工作時(shí)，輸出力矩會(huì)降低，一般會(huì)采用兩檔齒輪或皮帶變速來(lái)提高低速時(shí)的輸出力矩。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床比較常用的主軸配置方案。直流驅(qū)動(dòng)直流調(diào)速器+直流電動(dòng)機(jī)利用直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，低速性能好，調(diào)速范圍寬，起動(dòng)力矩大，響應(yīng)快，性能優(yōu)良。但由于直流電動(dòng)機(jī)有機(jī)械換向機(jī)構(gòu)，因此維護(hù)工作量較大，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。主要應(yīng)用于大型機(jī)床，小機(jī)床很少采用。伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器+主軸伺服電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快、速度高、剛性強(qiáng)、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)速度連續(xù)可調(diào)，還可以實(shí)現(xiàn)主軸定向、剛性攻螺紋、Cs輪廓控制、主軸定位等主軸伺服特殊功能，價(jià)格也是最高的，通常是同功率變頻器主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的2-3倍以上。主要應(yīng)用在加工中心上，用以滿足系統(tǒng)自動(dòng)換刀、剛性攻絲、主軸C軸進(jìn)給功能等對(duì)主軸位置控制性能要求很高的加工。思考與練習(xí)題2參考答案1.數(shù)控機(jī)床主軸主要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，金屬加工的切削力主要由主軸驅(qū)動(dòng)提供。2.數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸有哪些控制要求？ 根據(jù)主軸運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)及在機(jī)床上的作用，數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有以下幾方面的要求：（1）具有足夠的功率；（2）主軸有較寬的調(diào)速范圍；（3）端面加工時(shí)配合進(jìn)給實(shí)現(xiàn)恒線速度；（4）主軸定向控制；（5）加工螺紋時(shí)與進(jìn)給實(shí)行同步控制。3.機(jī)床主軸的傳動(dòng)主要有哪些連接形式？ （1）采用齒輪傳動(dòng)或帶傳動(dòng)的定比傳動(dòng)；（2）經(jīng)過(guò)二級(jí)齒輪變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速系列；（3）電動(dòng)機(jī)與主軸用聯(lián)軸器同軸連接。4.對(duì)比數(shù)控機(jī)床主軸的幾種配置方案，將它們各自的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合填寫入表2.1中。表2.1數(shù)控機(jī)床主軸配置方案方案設(shè)備配置特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合機(jī)械調(diào)速普通三相異步電動(dòng)機(jī)+齒輪變速箱控制簡(jiǎn)單，只需要數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制主軸電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，主軸電動(dòng)機(jī)始終工作在額定轉(zhuǎn)速，輸出力矩大，重切削能力強(qiáng)，非常適合粗加工和半精加工的要求。機(jī)床的調(diào)速通過(guò)齒輪換檔實(shí)現(xiàn)，只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。工作過(guò)程中噪音比較大。適合加工產(chǎn)品比較單一，對(duì)主軸速度沒有太高要求。不適合有色金屬和需要頻繁變換主軸速度的加工場(chǎng)合。變頻驅(qū)動(dòng)變頻器+三相異步電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速，在低速工作時(shí)，輸出力矩會(huì)降低，一般會(huì)采用兩檔齒輪或皮帶變速來(lái)提高低速時(shí)的輸出力矩。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床比較常用的主軸配置方案。直流驅(qū)動(dòng)直流調(diào)速器+直流電動(dòng)機(jī)利用直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，低速性能好，調(diào)速范圍寬，起動(dòng)力矩大，響應(yīng)快，性能優(yōu)良。但由于直流電動(dòng)機(jī)有機(jī)械換向機(jī)構(gòu)，因此維護(hù)工作量較大，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。主要應(yīng)用于大型機(jī)床，小機(jī)床很少采用。伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器+主軸伺服電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快、速度高、剛性強(qiáng)、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)速度連續(xù)可調(diào)，還可以實(shí)現(xiàn)主軸定向、剛性攻螺紋、Cs輪廓控制、主軸定位等主軸伺服特殊功能，價(jià)格也是最高的，通常是同功率變頻器主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的2-3倍以上。主要應(yīng)用在加工中心上，用以滿足系統(tǒng)自動(dòng)換刀、剛性攻絲、主軸C軸進(jìn)給功能等對(duì)主軸位置控制性能要求很高的加工。思考與練習(xí)題3參考答案1、按照拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型進(jìn)行分類，調(diào)速系統(tǒng)分為交流調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)。2、調(diào)速系統(tǒng)一般包含調(diào)速、穩(wěn)速和加、減速三方面的內(nèi)容。3、什么是調(diào)速范圍？什么是靜差率？電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下調(diào)速時(shí)，它的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比，稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即；當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱為靜差率，用表示。4、調(diào)速范圍D、靜差率S和速度降之間存在什么關(guān)系？ 5、某調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是1500-150r/min，要求s=5%，系統(tǒng)允許的靜態(tài)速降是多少？如果開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降是90r/min，則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)為多大？ 解：， ， 。6、簡(jiǎn)述直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。 先給定子的勵(lì)磁繞組通入直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)，然后轉(zhuǎn)子的電樞繞組通入直流電，根據(jù)楞次定律，通電的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生力，形成電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，借助于換向器和電刷的作用，加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源變?yōu)殡姌芯€圈中的交變電流，使流過(guò)線圈中的電流方向發(fā)生了改變，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向恒定不變，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就連續(xù)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。 改變勵(lì)磁電源或電樞電源的正負(fù)，直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變。7、有哪些類型的直流電動(dòng)機(jī)？ 直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁的不同，可分為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、永磁直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。8、寫出直流電動(dòng)機(jī)的速度方程，直流電動(dòng)機(jī)有哪些調(diào)速方法，常用的是什么調(diào)速方法？ 通過(guò)轉(zhuǎn)速方程，可以看出有三種方法可調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓；（2）減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路電阻。工程上常用調(diào)節(jié)電樞供電電壓進(jìn)行調(diào)速。9、簡(jiǎn)述轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程。 當(dāng)開始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)，強(qiáng)迫電流調(diào)節(jié)器的電流迅速上升，很快達(dá)到電流最大值，然后電流調(diào)節(jié)器起主要作用，保持電流在最大值恒定不變，轉(zhuǎn)速迅速上升，是恒流升速階段，獲得理想的起動(dòng)特性，是起動(dòng)過(guò)程的主要階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)，由于慣性，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升出現(xiàn)超調(diào)，然后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。10、簡(jiǎn)述轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中ASR與ACR的作用。 （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：使轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化，保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；對(duì)負(fù)載變化起抗干擾作用；其輸出限幅值決定電樞主回路的最大允許電流。 （2）電流調(diào)節(jié)器的作用：起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流；在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，使電樞電流跟隨其給定電壓變化；對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起抗擾作用；當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可以限制電流的最大值，起到安全保護(hù)作用。11、直流調(diào)速器需要為直流電動(dòng)機(jī)提供勵(lì)磁電源和電樞電源。12、若數(shù)控機(jī)床采用西門子802C數(shù)控系統(tǒng)，主軸采用英杰電氣的M1D10直流調(diào)速器組成的直流調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)主軸控制？（略）13、若數(shù)控機(jī)床采用發(fā)那科0i-TD數(shù)控系統(tǒng)，主軸采用英杰電氣的M1D10直流調(diào)速器組成的直流調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)主軸控制？（略）14、在實(shí)訓(xùn)操作中，當(dāng)啟動(dòng)按鈕未按下時(shí)，為什么勵(lì)磁輸入電源的電壓為AC220V時(shí)，輸出的電壓為DC200V左右；而電樞輸入電源的電壓為AC220V，輸出的電壓應(yīng)為0V?（略）15、通過(guò)在任務(wù)實(shí)施中修改P、I、D參數(shù)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)踐中，總結(jié)P、I、D參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能有什么影響？ （略）思考與練習(xí)題4參考答案1、簡(jiǎn)述交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成。三相交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙。定子由鐵心、繞組、機(jī)座三部分組成。鐵心由0.5mm的硅鋼片疊壓而成；繞組由漆包線繞制而成，三相電動(dòng)機(jī)有三個(gè)繞組，三相繞組連接成星形或三角形；機(jī)座一般用鑄鐵作成，主要用于固定和支撐定子鐵心。轉(zhuǎn)子由鐵心和繞組組成。轉(zhuǎn)子同樣由硅鋼片疊壓而成,壓裝在轉(zhuǎn)軸上；轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式和線繞式兩種。線繞式異步電動(dòng)機(jī)還有滑環(huán)、電刷機(jī)構(gòu)。在電動(dòng)機(jī)的兩端還有端蓋，尾部還有風(fēng)扇及風(fēng)扇罩等。2、簡(jiǎn)述三相交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理。（1）三相正弦交流電通入電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，將旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度稱為同步轉(zhuǎn)速；（2）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體,產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)；（3）轉(zhuǎn)子繞組中感生電流；（4）轉(zhuǎn)子電流在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中產(chǎn)生力,形成電磁轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。改變?nèi)嘟涣麟姷南嘈?，可改變電?dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。3、圖4.40、圖4.41是兩臺(tái)三相交流電動(dòng)機(jī)的銘牌實(shí)例，討論下面的問(wèn)題：（1）這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速各自是多少？各自有幾對(duì)磁極？各自的轉(zhuǎn)差率是多少？（2）這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)能否采用Y/△降壓起動(dòng)？（3）這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)應(yīng)該怎么接線？圖4.40電動(dòng)機(jī)銘牌1圖4.41電動(dòng)機(jī)銘牌2（1）第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1390r/min，所以同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，即則P=2，有兩對(duì)磁極，其轉(zhuǎn)差率為； 第二臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2900r/min，所以同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，則p=1，有一對(duì)磁極，其轉(zhuǎn)差率。（2）第一臺(tái)電機(jī)不能采用Y/△降壓起動(dòng)，因?yàn)楦鶕?jù)銘牌，正常工作時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接為Y時(shí)，繞組電壓為380V，但當(dāng)接為△時(shí)，繞組的電壓為220V；第二臺(tái)電動(dòng)機(jī)可以采用Y/△降壓起動(dòng)，因?yàn)楦鶕?jù)銘牌，電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，繞組連接為△，額定工作電壓為380V。（3）第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，可接為Y，工作電壓為380V，當(dāng)接為△時(shí)，工作電壓為220V；第二臺(tái)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，連接為△，輸入電壓為380V。4、寫出交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度方程，交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以有哪些調(diào)速方法？工程中常采用哪種調(diào)速方法？ ，可以改變磁極對(duì)數(shù)P、改變轉(zhuǎn)差率S，變頻調(diào)速等三種方法，工程上常采用變頻調(diào)速。5、交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)為什么改變頻率的同時(shí)要改變電壓？變頻調(diào)速在改變頻率的同時(shí)也需要改變電壓的大小，保持近似為一常數(shù)，保持磁通量為額定值，這是交流變頻調(diào)速的控制核心。只有保持電動(dòng)機(jī)磁通恒定才能保證電動(dòng)機(jī)出力，才能獲得理想的調(diào)速效果。6、什么是恒壓頻比控制方式？ 在變頻調(diào)速的過(guò)程中，改變頻率的同時(shí)，也要改變定子的電壓，讓，稱為恒壓頻比的控制方式。7、恒壓頻比控制方式適合基頻以下調(diào)速，基頻以下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速。8、變頻器的作用是什么？ 變頻器是將恒壓恒頻的交流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都連續(xù)可調(diào)的三相交流電源的裝置，以達(dá)到變頻調(diào)速的目的。9、變頻器一般由整流電流、濾波電路、制動(dòng)電路、逆變電路以及控制電路幾部分組成。10、什么是面積等效原理？ 沖量（窄脈沖的面積）相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，這是面積等效原理。11、什么是脈沖寬度調(diào)制（PWM）？ 用一系列等幅等寬的脈沖序列來(lái)獲得不同頻率不同電壓的變頻調(diào)速的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）。12、什么是SPWM？ 將一個(gè)正弦半波分為N等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個(gè)與其面積相等的等幅矩形脈沖來(lái)代替，而脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，這種變頻調(diào)速的方法稱為正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM。13、變頻器有哪些類型？ （1）根據(jù)變流環(huán)節(jié)分：交-直-交變頻器和交-交變頻器；（2）根據(jù)直流電路的濾波方式分：電壓源型變頻器和電流源型變頻器；（3）根據(jù)控制方式分：恒壓頻比的變頻器、矢量控制方式變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制方式變頻器；（4）根據(jù)輸入電源的相數(shù)分：?jiǎn)蜗嘧冾l器和三相變頻器。14、選擇變頻器主要考慮哪些方面的因素？ 首先根據(jù)變頻器的用途和負(fù)載類型確定選用變頻器類型：通用變頻器、高性能變頻器還是專用變頻器；再根據(jù)負(fù)載的大小確定變頻器的容量；最后需要考慮變頻器是室內(nèi)還是戶外使用，是否需要防爆隔爆，是否需要制動(dòng)電阻或電抗器等輔助配件。15、如果使用發(fā)那科0iD系列數(shù)控系統(tǒng)，使用G110變頻器，設(shè)計(jì)變頻主軸的電氣原理圖。 （略）16、為抑止變頻器的干擾，在使用變頻器時(shí)應(yīng)采取哪些抗干擾措施？ 變頻器與電動(dòng)機(jī)的連接電纜需要使用屏蔽電纜，電動(dòng)機(jī)與變頻器需要可靠接地，變頻器的輸入端可以采用輸入電抗器，變頻器的控制信號(hào)電纜可以選用屏蔽信號(hào)線。思考與練習(xí)題5參考答案1、進(jìn)給伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上的作用是什么？ 帶動(dòng)裝有工件的工作臺(tái)或裝有刀具的刀架沿各坐標(biāo)軸移動(dòng)，或繞著某個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)一定的角度。2、數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給軸有哪些控制要求？ （1）穩(wěn)定性好；（2）精度高；（3）響應(yīng)速度快且無(wú)超調(diào)；（4）調(diào)速范圍寬；（5）低速大轉(zhuǎn)矩；（6）可逆運(yùn)行。3、進(jìn)給伺服系統(tǒng)最終的目的是控制位置；控制位置的前提是控制速度。4、對(duì)比數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服的幾種配置方案，將各自的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合填寫入表5.1中。表5.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)配置方案總結(jié)比較方案設(shè)備配置特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器+步進(jìn)電動(dòng)機(jī)無(wú)位置反饋檢測(cè)裝置，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距誤差，齒輪副、絲杠螺母副的傳動(dòng)誤差都會(huì)反映在零件上，影響零件的精度。機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度主要取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用，一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)利用伺服電動(dòng)機(jī)自帶的編碼器作位置和速度檢測(cè)，在半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高用于中低端機(jī)床全閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)+光柵尺可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量，具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。成本高用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等思考與練習(xí)題6參考答案1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率有什么關(guān)系？工作臺(tái)的移動(dòng)速度與頻率有什么關(guān)系？ 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比， 工作臺(tái)的移動(dòng)速度與頻率成正比2、一個(gè)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)z=40，如果采用四相八拍通電，寫出一個(gè)通電循環(huán)，并計(jì)算其步距角。 四相八拍的一個(gè)通電循環(huán)：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 3、什么是數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量？ 步距角對(duì)應(yīng)工作臺(tái)的移動(dòng)量是工作臺(tái)的最小運(yùn)動(dòng)單位，稱為脈沖當(dāng)量。4、三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z=60，（1）三拍通電方式時(shí)其步距角是多少？六拍通電方式時(shí)其步距角是多少？（2）當(dāng)信號(hào)的頻率f=1kHz時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少？（3）若絲杠螺距t=10mm，傳動(dòng)比是1，采用三相六拍通電方式，脈沖當(dāng)量是多少？工作臺(tái)移動(dòng)的速度是多少？（1）；（2）三拍通電時(shí)： 六拍通電時(shí)：（3） 5、一臺(tái)機(jī)床的脈沖當(dāng)量是0.01mm,絲杠螺距為10mm，傳動(dòng)比為1，請(qǐng)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角至少應(yīng)為多少？ 6、為什么隨著信號(hào)頻率的升高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載越來(lái)越??？ 電動(dòng)機(jī)的定子繞組是一個(gè)感性負(fù)載，在給其加入脈沖電源時(shí)，電感中的電流不能突變，并且在電源通斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的上升。當(dāng)脈沖電源的頻率高時(shí)，在電感中的電流還沒有上升到一定高度時(shí)，電源又?jǐn)嗟袅耍翌l率越高，電流上升達(dá)到的高度會(huì)更小，這樣在定子繞組中的有效電流值會(huì)減小，這樣所能產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩就會(huì)下降，所以能帶動(dòng)的負(fù)載也就會(huì)減小。7、記錄實(shí)驗(yàn)臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)參數(shù)，計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子有多少個(gè)齒？若絲杠螺距為5mm，計(jì)算脈沖當(dāng)量是多少？當(dāng)信號(hào)頻率f=1kHz時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是多少？工作臺(tái)移動(dòng)的速度是多少？當(dāng)細(xì)分參數(shù)設(shè)置為128時(shí)，計(jì)算機(jī)床的脈沖當(dāng)量是多少？步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和工作臺(tái)移動(dòng)的速度分別是多少？ 根據(jù)具體的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完成該題。思考與練習(xí)題7參考答案1、伺服電動(dòng)機(jī)由哪幾部分組成？ 包括定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)裝置，有的還包括制動(dòng)裝置。2、簡(jiǎn)述伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理。給三相定子繞組加入對(duì)稱的三相交流電后，流過(guò)繞組的電流在定子、轉(zhuǎn)子氣隙中建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子采用永磁體結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就吸引轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。改變?nèi)嘟涣麟姷念l率，就可以改變電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度。當(dāng)三相交流電的頻率降為0時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)被鎖住不動(dòng)。3、交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)與三相交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)組成、工作原理上有什么不同？ 它們的定子一樣，都有鐵芯和三相繞組組成，交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，而三相交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由鐵芯、繞組（繞線式）或鈾條焊成的金屬籠（鼠籠式），伺服電機(jī)尾部有檢測(cè)裝置，而異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沒有檢測(cè)裝置。 它們的定子繞組都通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)直接吸引永磁體的轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，而交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子的速度落后于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，存在轉(zhuǎn)差。4、比較伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有什么不同？ 參見表7.1交流永磁同步伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的性能比較。5、圖7.18是一臺(tái)西門子的伺服電動(dòng)機(jī)的銘牌，根據(jù)銘牌完成下列問(wèn)題：圖7.18伺服電動(dòng)機(jī)銘牌（1）該電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)單位是德陽(yáng)西門子公司。（2）該電動(dòng)機(jī)是無(wú)刷伺服電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為1FT6082-8AF71-1AG1。（3）當(dāng)定子電壓的有效值為120V時(shí)，額定轉(zhuǎn)速為1500rpm時(shí)，輸出扭矩為11.7N.m。（4）最大轉(zhuǎn)速為4160r/min。（5）60K溫升時(shí)的失速轉(zhuǎn)矩（零速時(shí)的轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電動(dòng)機(jī)作為電制動(dòng)器將所帶的負(fù)載保持在指定位置）為10.4Nm，失速電流為8.2A。（6）內(nèi)置光電編碼器的分辨率是360°/2048=0.176°。（7）電動(dòng)機(jī)的防護(hù)等級(jí)為___IP64_________________。6、什么是通用伺服？什么是專用伺服？ 在數(shù)控機(jī)床上，數(shù)控系統(tǒng)廠家生產(chǎn)的與自己的數(shù)控系統(tǒng)配套的伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，稱為專用伺服；由一般的工控產(chǎn)品廠家生產(chǎn)通過(guò)一定的方式與各種數(shù)控系統(tǒng)配合使用的伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，稱為通用伺服。7、伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器有什么區(qū)別？ 伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器的主回路構(gòu)成基本相同，與變頻器相比，伺服驅(qū)動(dòng)器的控制回路更加復(fù)雜，需要復(fù)雜的反饋、控制模式切換、限制（電流、轉(zhuǎn)矩、速度）等功能。變頻器一般應(yīng)用的速度控制系統(tǒng)，一般與交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)配套使用，而伺服驅(qū)動(dòng)器不僅需要控制速度，最終是需要精確定位，一般與伺服電機(jī)配套使用。8、通用伺服驅(qū)動(dòng)器有哪幾種控制模式？各接收什么類型的信號(hào)？它們各自應(yīng)用在哪些場(chǎng)合？ （1）轉(zhuǎn)矩控制模式，接收模擬信號(hào)，這種控制模式應(yīng)用在對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度、位置都沒要求，主要關(guān)心轉(zhuǎn)矩的大小，嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。 （2）速度控制模式，接收模擬信號(hào)，主要應(yīng)用在精確控制系統(tǒng)的位置、速度，而上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)為模擬信號(hào)的場(chǎng)合。 （3）位置控制模式，接收脈沖信號(hào)，主要應(yīng)用在精確控制系統(tǒng)的位置、速度，而上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)為脈沖信號(hào)的場(chǎng)合。脈沖的個(gè)數(shù)確定位置，脈沖的頻率確定速度。思考與練習(xí)題8參考答案1、表8.21列出了現(xiàn)有的西門子各種數(shù)控系統(tǒng)，將各種數(shù)控系統(tǒng)可以配套使用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)填寫入表8.21中。表8.21西門子數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置表數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SINUMERIK801SINAMICSV60、SINAMICSV90SINUMERIK802SbaselineSINAMICSV60、SINAMICSV90SINUMERIK802CbaselineSIMODRIVE611U、SINAMICSV90SINUMERIK802DSIMODRIVE611U、SIMODRIVE611UESINUMERIK802DbaselineSIMODRIVE611U、SIMODRIVE611UESINUMERIK802DSolutionlineSIMODRIVE611U、SIMODRIVE611UESINUMERIK810DSIMODRIVE611DSINUMERIK840DSIMODRIVE611DSINUMERIK808DSINAMICSV60、SINAMICSV90SINUMERIK808DADVANCEDSINAMICSV70SINUMERIK828DBASICSINAMICSS120、SINAMICSS120CombiSINUMERIK828DSINAMICSS120、SINAMICSS120CombiSINUMERIK828DADVANCEDSINAMICSS120、SINAMICSS120CombiSINUMERIK840DslBASICSINAMICSS120、SINAMICSS120CombiSINUMERIK840DslSINAMICSS1202、西門子SIMODRIVE611系列伺服產(chǎn)品有哪些部件？ 包括輸入濾波器、整流電抗器、電源模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊（包括功率單元、控制單元兩部分）及各種專用模塊，可配置1FT/1FK系列伺服電動(dòng)機(jī)、1FN系列直線電動(dòng)機(jī)、1PH和1FE1系列主軸電動(dòng)機(jī)。3、西門子SIMODRIVE611系列伺服產(chǎn)品有哪兩種電源模塊？它們有什么區(qū)別？ 電源模塊有不可控電源模塊UI（也稱為非調(diào)節(jié)型電源模塊）和可控電源模塊I/R（也稱為調(diào)節(jié)型電源模塊）。(1）可控電源模塊I/R 整流部分采用IGBT功率晶體管實(shí)現(xiàn)整流，在伺服電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，能將制動(dòng)的能量反饋回電網(wǎng)，直流母線輸出電壓具有穩(wěn)壓功能，母線電壓為600V（或625，可設(shè)定）。電源模塊的前端必須接整流電抗器。模塊的功率有16kW、36kW、55kW、80kW、120kW幾種規(guī)格（2）不可控電源模塊UI 整流部分采用不可控的功率二極管實(shí)現(xiàn)整流，直流母線電壓為三相電源直接整流輸出，母線電壓為線電壓的1.35倍。直流母線電壓根據(jù)各軸伺服電動(dòng)機(jī)的工作情況在490V～644V之間波動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)加速時(shí)，直流母線電壓最低可達(dá)490V；當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，直流母線電壓可高達(dá)644V。在伺服電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，為避免能量聚集使直流母線電壓過(guò)高，通過(guò)內(nèi)置電阻消耗制動(dòng)能量。電源模塊的前端可以不接整流電抗器。模塊的功率有5kW、10kW、28kW三種規(guī)格。4、西門子SINAMICSS120系列伺服產(chǎn)品有哪些類型？ 包括書本型、裝置型、模塊型、緊湊書本型四種類型。書本型和裝置型都是通過(guò)電源模塊供電，模塊型類似于變頻器，整流與逆變?yōu)橐惑w，緊湊書本型與書本型一樣，只是體積更小，適合用于安裝條件受限的數(shù)控機(jī)床。5、西門子SINAMICSS120的書本型伺服產(chǎn)品有哪幾種電源模塊？ 書本型電源模塊根據(jù)其饋電特性分為3種類型：基本型電源模塊BLM、非調(diào)節(jié)型電源模塊SLM、調(diào)節(jié)型電源模塊ALM。6、西門子SINAMICSS120Combi伺服產(chǎn)品的功率模塊有哪兩種類型？ 有3軸型功率模塊、4軸型功率模塊兩種。思考與練習(xí)題9參考答案1.發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)信號(hào)連接有什么特點(diǎn)？ (1)信號(hào)分三路傳輸：一路信號(hào)是FANUC串行伺服總線FSSB總線（FanucSerialServoBus，F(xiàn)SSB），將