數控機床畢業(yè)論文--交流電機在數控機床上的應用與維護

1、<p><b>　　畢業(yè)設計論文</b></p><p>　　題目名稱：交流電機在數控機床上的應用與維護</p><p>　　學生姓名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　系 部：

2、 機械制造系 </p><p>　　專業(yè)年級： 09級 數控技術二班 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2012年4月18日 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

3、　　摘 要..............................................................................................................3</p><p>　　交流伺服電動機的發(fā)展狀況.......................................................4</p>

4、<p>　　數控機床伺服系統簡介...............................................................5</p><p>　　2.1 數控系統的發(fā)展狀況........................................................................5</p><p>　　2.1

5、.1 數控機床系統簡介..................................................................5</p><p>　　2.1.2 數控機床的發(fā)展狀況..............................................................6</p><p>　　2.2 數控系統的組成原理.....

6、...................................................................6</p><p>　　2.2.1 伺服系統概述.........................................................................6</p><p>　　2.2.2 伺服系統分析........

7、..................................................................8</p><p>　　2.2.3 伺服控制技術.........................................................................11</p><p>　　交流伺服電動機的簡介..........

8、....................................................12</p><p>　　3.1 交流伺服電動機的結構...................................................................12</p><p>　　3.2 交流伺服電動機的工作原理.....................

9、......................................14</p><p>　　交流伺服電動機在數控系統中的應用......................................15</p><p>　　4.1 交流伺服電動機在數控系統中的應用特點...................................15</p><p&g

10、t;　　4.2 交流伺服電動機與其他電動機的比較...........................................16</p><p>　　4.2.1 交流伺服電動機與步進電動機的比較.................................16</p><p>　　4.2.2 永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較.....................17

11、</p><p>　　4.3 在數控系統中如何選擇交流伺服電動機.......................................18</p><p>　　4.4 交流伺服電動機在數控系統中的應用實例...................................19</p><p>　　交流伺服電動機的常見故障與維護...............

12、...........................22</p><p>　　5.1電機常見故障以及處理....................................................................22</p><p>　　5.2 # C. ?0 f. n# p- v5.2 555 電動機機械常見故障的分析和處理..............

13、...............................23</p><p>　　5.3電機日常維護方法 ..........................................................................25</p><p>　　結束語..................................................

14、........................................26</p><p>　　參考文獻......................................................................................27</p><p><b>　　摘 要</b></p><

15、;p>　　伺服系統是以機械運動的驅動設備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發(fā)出的位移、速度指令，經變換、放大與調整后，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運

16、動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。作為數控機床的執(zhí)行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。數控機床中的伺服系統種類繁多，本論文主要從以下四部分作了闡述與分析。</p><p>　　1、闡述了交流伺服電動機的發(fā)展狀況，了解了當前最前沿的發(fā)展技術。</p>&l

17、t;p>　　2、通過數控技術的發(fā)展過程，介紹了數控機床伺服系統的組成原理、系統分析了伺服控制技術等原理，使我們更加了解了數控機床伺服系統的工作原理和應用特點。</p><p>　　3、介紹了交流伺服電動的基本結構和工作原理，對伺服電動機的相關知識有了進一步的了解。</p><p>　　4、通過實例詳細介紹了伺服電動機在實際生產中的應用特點和應用場合以及合理選擇伺服電動機的有效參數等內

18、容。</p><p>　　5、針對數控系統闡述交流伺服系統的維護</p><p>　　作為數控機床的重要功能部件，伺服系統的特性一直是影響系統加工性能的重要指標。圍繞伺服系統動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅動技術。伺服控制技術是決定交流伺服系統性能好壞的關鍵技術之一，是國外交流伺服技術封鎖的主要部分。伺服系統在加工機械、半導體制造、部件組裝等方面得到了廣泛的應用。</

19、p><p>　　交流伺服電動機的發(fā)展現狀</p><p>　　隨著數控技術的迅速發(fā)展，伺服系統的作用與要求越顯突出，交流伺服電動機的應用也越來越為廣泛。針對直流電動機的缺陷，如果將其里外作相應的調整處理，即把電驅繞組裝在定子、轉子為永磁部分，由轉子軸上的編碼器測出磁極位置，就構成了永磁無刷電動機，同時隨著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，其寬調速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)

20、響應及四象限運行等良好的技術性能，使其動、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統相媲美。同時可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。</p><p>　　目前，在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：模擬形式、數字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號，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?？山邮漳M指令和脈沖指令，各種參

21、數均以數字方式設定，穩(wěn)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。其將各種控制方式和不同規(guī)格、功率的伺服電機的監(jiān)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動進入工作狀態(tài)。配有數字接口，改變工作方式、更換電動機規(guī)格時，只需重設代碼即可，故也稱萬能伺服。</p><p>　　交流伺服已占據了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術的發(fā)展而不斷完善，具體體現在三個方面。一是系

22、統功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用；三是網絡化制造模式的推廣及現場總線技術的成熟，將使基于網絡的伺服控制成為可能。</p><p>　　交流伺服系統由于控制原理的先進性，成本低、免維護，并且控制特性正在全面超越直流伺服系統，其勢必將在絕大多數應用領域代替?zhèn)鹘y的直流伺服電機。</p><

23、p>　　數控機床伺服系統簡介</p><p>　　2.1 數控系統的發(fā)展狀況</p><p>　　2.1.1 數控機床系統簡介</p><p>　　數控機床一般由數控系統、包含伺服電動機和檢測反饋裝置的伺服系統、強電控制柜、機床本體和各類輔助裝置組成，如圖（2—1）</p><p>　　圖 2-1 數控機床的系統組成圖</p&g

24、t;<p><b>　　1、控制介質</b></p><p>　　控制介質又稱信息載體，是人與數控機床之間聯系的中間媒介物質，反映了數控加工中全部的信息。</p><p><b>　　2、數控系統</b></p><p>　　數控系統是機床實現自動加工的核心，是整個數控機床的靈魂所在。主要由輸入裝置、監(jiān)視器、

25、主控制系統、可編程控制器、各類輸入/輸出接口等組成。主控制系統主要由CPU、存儲器、控制器等組成。數控系統的主要控制對象是位置、角度、速度等機械量，以及溫度、壓力、流量等物理量，其控制方式又可分為數據運算處理控制和時序邏輯控制兩大類。</p><p><b>　　3、伺服系統</b></p><p>　　伺服系統是數控系統和機床本體之間的電氣聯系環(huán)節(jié)。主要由伺服電動機

26、、驅動控制系統和位置檢測與反饋裝置等組成。伺服電動機是系統的執(zhí)行元件，驅動控制系統則是伺服電動機的動力源。數控系統發(fā)出的指令信號與位置反饋信號比較后作為位移指令，再經過驅動控制系統的功率放大后，驅動電動機運轉，通過機械傳動裝置拖動工作臺或刀架運動。</p><p><b>　　4、輔助裝置</b></p><p>　　輔助裝置主要包括自動換刀裝置ATC、自動交換工作臺

27、機構APC、工件夾緊放松機構、回轉工作臺、液壓控制系統、潤滑裝置、切削液控制裝置、排屑裝</p><p>　　置、過載和保護裝置等。</p><p><b>　　5、機床本體</b></p><p>　　數控機床的本體是指其機械結構實體。與傳統的普通機床相比較，同樣由主傳動系統、進給傳動機構、工作臺、床身以及立柱等部分組成，但數控機床的整體布局

28、、外觀造型、傳動機構、工具系統及操作機構等方面都發(fā)生了很大的變化。</p><p>　　2.1.2 數控機床的發(fā)展狀況</p><p>　　當數控機床進入分布式控制(DNC)和柔性制造系統(FMS)環(huán)境,甚至要求與CAD/CAPP/CAM等共同信息系統通信后,原有的以單機服務為對象的CNC裝置就顯得不夠用了,新的環(huán)境要求CNC裝置進一步向開放式數控系統轉化。開放式體系結構普遍采用模塊化、層

29、次化的結構,并通過各種形式向外提供統一的應用程序接口,具有可移植性、可擴展性、互操作性和可縮放性等特點,即系統組成的內部開放化和系統組成各部件之間的開放化。開放式CNC的產生源于微機系統技術的發(fā)展,在PC系統中,作為主流操作系統之一的MS-DOS提供了一個實時性很強的操作平臺,而且微軟正著手將Windows CE統轉變?yōu)閷崟r操作系統。目前,以微軟視窗為突出代表的圖形用戶接口GUI標準已經到來,并將逐步取代DOS,使操作方法與軟件開發(fā)過程

30、發(fā)生變化。國外開放式數控系統的研究與發(fā)展環(huán)境(Open System Environment for Controllers)的工作委員會。它研究的重點是在NC本身和分布式DNC控制系統上,它認為站在制造的角度看NC是分布式DNC系統的一個服務器。OSEC所謂的開放式系統本身就被認為是一個分布式系統,它能滿</p><p>　　2.2 數控系統的組成原理</p><p>　　2.2.1 伺

31、服系統概述</p><p>　　伺服系統是以機械運動的驅動設備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動</p><p>　　自動控制系統。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發(fā)出的位移、速度指令，經變換、調整與放大后，由電動機和機械傳動機構驅

32、動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。作為數控機床的執(zhí)行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。數控機床中的伺服系統種類繁多，對其技術現狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。從基本結構來看，伺服系統主要由三部分組成：控制器、功率驅

33、動裝置、反饋裝置和電動機?？刂破靼凑諗悼叵到y的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節(jié)控制量；功率驅動裝置作為系統的主回路，一方面按控制量的大小將電網中的電能作用到電動機之上，調節(jié)電動機轉矩的大小，</p><p>　　另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為電動機所需的交流電或直流電；電動機則按供電大小拖動機械運轉。</p><p>　　任何部分的變化都可構成不同種類的伺服

34、系統。根據驅動電動機的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服；根據控制器實現方法的不同，可將其分為模擬伺服和數字伺服；根據控制器中閉環(huán)的多少，可將其分為開環(huán)控制系統、單環(huán)控制系統、雙環(huán)控制系統和多環(huán)控制系統?？紤]伺服系統在數控機床中的應用，首先按機床中傳動機械的不同將其分為進給伺服與主軸伺服，然后再根據其他要素來探討不同伺服系統的技術特性。進給伺服以數控機床的各坐標為控制對象，產生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調節(jié)坐標軸的運動

35、速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快。根據系統使用的電動機，進給伺服可細分為步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。</p><p>　　作為數控機床的重要功能部件，伺服系統的特性一直是影響系統加工性能的重要指標。圍繞伺服系統動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅動技術。可以預見隨著超高速切削、超精密加工、網絡制造等先進制造技術的發(fā)展，具有網絡接口的全數字

36、伺服系統、直線電動機及高速電主軸等將成為數控機床行業(yè)的關注的熱點，并成為伺服系統的發(fā)展方向。</p><p>　　2.2.2 伺服系統分析</p><p>　　一 、從伺服系統的組成上分析（如圖2-2所示）</p><p>　　輸入量 輸出量</p&

37、gt;<p>　　圖 2-2 伺服系統組成分析</p><p>　　1、比較組件是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進行比較，以獲的控制系統動作的偏差信號的環(huán)節(jié)，通?？赏ㄟ^電子電路或計算機軟件實現。</p><p>　　2、調節(jié)組件又稱控制器是伺服系統的一個重要組成部分，其作用是對比較組件輸出的偏差的偏差信號進行交換、放大以控制執(zhí)行組件按要求動作。調節(jié)組件的質量對伺服系統的性

38、能有重要的影響，其功能一般有軟件算法加硬件電路實現或單獨有硬件電路實現。</p><p>　　3、執(zhí)行組件其作用是在控制信號作用下，將輸入的各種形式的能量轉換成機 械能，驅動被控制對象工作，數控機床中伺服電動機是常見的組件。</p><p>　　4、被控對象是伺服系統中被控制的設備或裝置，是直接實現目的功能的主體，其行為質量反映著整個伺服系統的性能，數控機床中被控對象主要是機械裝置，包括傳

39、動機構和執(zhí)行機構。</p><p>　　5、測量反饋組件是指傳感器及其信號檢測裝置，用于實時檢測被控制對象的輸出量并將其反饋到比較組件。</p><p>　　二、從伺服系統的原理上分析</p><p>　　服系統是由速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)結構組成，它的工作原理是：由插補器發(fā)出的脈沖經位置控制回路發(fā)出速度指令，比較器中與檢測器信號相與后，再經過放大器送出轉矩指令

40、，至矢量處理電路，該電路由轉角計算回路、乘法器、比較器等組成。另一方面，檢測器的輸出信號也被送到矢量處理電路中的轉角計算回路，將電動機的回轉位置改變了角度時，由矢量處理電路輸出三個電流信號，經放大并與電動機回路的電流檢測信號比較之后，經脈寬調制電路（PWM）放大后，控制三相橋式晶體管電路，使交流伺服電動機按規(guī)定的轉速旋轉，并輸出所需要的轉矩值。檢測器檢測出的信號還可送到位置控制回路，與插補器來的脈沖信號進行比較完成位置環(huán)控制。</

41、p><p>　　三、從伺服系統的類型上分析</p><p><b>　　1、按調節(jié)理論分類</b></p><p><b>　　開環(huán)伺服系統</b></p><p>　　開環(huán)伺服系統即無位置反饋的系統，其驅動元件主要是功率步進電機或電液脈沖馬達。開環(huán)系統的結構簡單，易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭

42、矩小。</p><p><b>　　閉環(huán)伺服系統</b></p><p>　　閉環(huán)系統是誤差控制隨動系統。數控機床進給系統的誤差，是CNC輸出的位置指令和機床工作臺（或刀架）實際位置的差值。閉環(huán)系統運動執(zhí)行元件不能反映運動的位置，因此需要有位置檢測裝置。由于閉環(huán)伺服系統是反饋控制，反饋測量裝置精度很高，從而大大提高跟隨精度和定位精度。目前閉環(huán)系統的分辨率多數為1μm，

43、定位精度可達+-0.01～+-0.005mm；高精度系統分辨率可0.1μm 。</p><p>　　半閉環(huán)系統位置檢測元件不直接安裝在進給坐標的最終運動部件上，而是中間經過機械傳動部件的位置轉換，又稱間接測量。半閉環(huán)和閉環(huán)系統的控制結構是一致的，不同點只是閉環(huán)系統環(huán)內包括多的機械傳動部件，傳動誤差均可被補償。</p><p>　　2、按使用的驅動元件分類</p><p&

44、gt;<b>　　電液伺服系統</b></p><p>　　電液伺服系統的執(zhí)行元件為液壓元件，其前一級為電氣元件。驅動元件為液動機和液壓缸，常用的有電液脈沖馬達和電液伺服馬達。電液伺服系統具有在低速下可以得到很高的輸出力矩，以及剛性好、時間常數小、反映快和速度平穩(wěn)等優(yōu)點。</p><p><b>　　電氣伺服系統</b></p>&

45、lt;p>　　電氣伺服系統全部采用電子器件和電機部件，操作維護方便，可靠性高。電氣伺服系統中的驅動元件主要有步進點機、直流伺服電機和交流伺服電機。它們沒有液壓系統中的噪聲、污染和維修費用高等問題，但反應速度和低速力矩不如液壓系統高。</p><p>　　3、按使用直流伺服電機和交流伺服電機分類</p><p><b>　　直流伺服系統</b></p>

46、<p>　　直流伺服系統常用的伺服電機有小慣量直流伺服電機和永磁直流伺服電機（也稱為大慣量寬調速直流伺服電機）。小慣量伺服電機最大限度地減少電 的</p><p>　　轉動慣量，所以能獲得最好的快速性。永磁直流伺服電機能在較大過載轉矩下長時間工作以及電機的轉子慣量較大，能直接與絲桿相連而不需要中間傳動裝置。</p><p><b>　　交流伺服系統</b>

47、;</p><p>　　交流伺服系統使用交流異步伺服電機（一般用于主軸伺服電機）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服電機）。交流伺服電機轉子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應好。交流電機輸出功率比直流電機提高10%-70%。</p><p>　　4、按進給驅動和主軸驅動分類</p><p><b>　　進給伺服系統</b></p>&

48、lt;p>　　進給伺服系統是指一般概念的伺服系統，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統完成各坐標軸的進給運動，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數控機床中要求最高的伺服控制。</p><p><b>　　主軸伺服系統</b></p><p>　　一般的主軸控制只是一個速度控制系統。主要實現主軸的旋轉運動，提供切削過程中的轉矩和功率，且保證任意轉速的調節(jié)，完成在轉速

49、范圍內的無級變速。</p><p>　　5、按反饋比較控制方式分類</p><p>　　脈沖、數字比較伺服系統</p><p>　　該系統是閉環(huán)伺服系統中的一種控制方式。它是將數控裝置發(fā)出的數字（或脈沖）指令信號與檢測裝置得的以數字（或脈沖）形式表示的反饋信號直接進行比較，以產生位置誤差，達到閉環(huán)控制。</p><p><b>　　

50、相位比較伺服系統</b></p><p>　　相位比較伺服系統中位置檢測裝置采取相位工作方式，指令信號與反饋信號都變成某個載波的相位，然后通過兩者相位的比較，獲得實際位置與指令位置的偏差，實現閉環(huán)控制。</p><p><b>　　幅值比較伺服系統</b></p><p>　　幅值比較伺服系統是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移

51、的數值，并以此信號作為位置反饋信號，一般還要將此幅值信號轉換成數字信號才與指令數字信號進行比較，從而獲得位置偏差信號構成閉環(huán)控制系統。</p><p><b>　　5、全數字伺服系統</b></p><p>　　隨著微電子技術，計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展，數控機床的伺服系統已開始采用高速、高精度的全數字伺服系統。使伺服控制技術從模擬方式、混合</p>

52、<p>　　方式走向全數字方式。數字伺服系統采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高。</p><p>　　2.2.3 伺服控制技術</p><p>　　從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術——交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。交

53、流伺服驅動技術已經成為工業(yè)領域實現自動化的基礎技術之一，并將逐漸取代直流伺服系統?！　〗涣魉欧到y按其采用的驅動電動機的類型來分，主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動機交流伺服系統和感應式異步（IM型）電動機交流伺服系統。其中，永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業(yè)生產自動

54、化領域中的應用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統的主流。感應式異步電動機交流伺服系統由于感應式異步電動機結構堅固，制造容易，價格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來伺服技術的方向。但由于該系統采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機伺服系統來說控制比較復雜，而且電機低速運行時還存在著效率低，發(fā)熱嚴重等有待克服的技術問題，目前并未得到普遍應用?！　∠到y的執(zhí)行</p><p>　　交流伺服電動機的簡介</p

55、><p>　　3.1 交流伺服電動機的組成結構</p><p>　　交流伺服電動機的結構主要可分為兩大部分，即定子部分和轉子。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組，如圖3-1所示。其中L1- L2稱為勵磁繞組， k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。</p><p>　　轉子的

56、結構常用的有鼠籠形轉子和非磁性杯形轉子。 鼠籠形轉子交流伺服電動機的結構如圖3-2所示， 它的轉子由轉軸、 轉子鐵心和轉子繞組等組成。 轉子鐵心是由硅鋼片疊成的， 每片沖成有齒有槽的形狀， 如圖3-3所示， 然后疊壓起來將軸壓入軸孔內。 鐵心的每一槽中放有一根導條， 所有導條兩端用兩個短路環(huán)連接， 這就構成了轉子繞組</p><p>　　1 — 定子繞組 2 — 定子鐵心 3 — 鼠籠轉

57、子</p><p>　　圖3-1 兩相繞組分布圖</p><p>　　圖3-2 鼠籠型轉子交流伺服電機 圖3-3 轉子沖片</p><p>　　非磁性杯形轉子交流伺服電動機的結構如圖3-4所示。 圖中外定子與鼠籠形轉子伺服電動機的定子完全一樣,內定子由環(huán)形鋼片疊成,通常內定子不放繞組， 只是代替鼠籠轉子的鐵心，作為電機磁路的一部

58、分。在內、外定子之間有細長的空心轉子裝在轉軸上，空心轉子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉子?？招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成，它的杯壁極薄，一般在0.3 mm左右。 杯形轉子套</p><p>　　在內定子鐵心外，并通過轉軸可以在內、外定子之間的氣隙中自由轉動，而內、 外定子是不動的。</p><p>　　1—杯形轉子 2—外定子 3—內定子</p><p

59、>　　4—機殼 5—端蓋</p><p>　　圖3-4 杯形轉子伺服電動機</p><p>　　與鼠籠形轉子相比較，非磁性杯形轉子慣量小，軸承摩擦阻轉矩小。由于它的轉子沒有齒和槽，所以定、轉子間沒有齒槽粘合現象，轉矩不會隨轉子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉時，轉子一般不會有抖動現象，運轉平穩(wěn)。但是由于它內、外定子間氣隙較大(杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙)，所以勵磁電流就大，

60、降低了電機的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內，杯形轉子伺服電動機比鼠籠轉子伺服電動機所產生的啟動轉矩和輸出功率都??；另外，杯形轉子伺服電動機結構和制造工藝又比較復雜。因此， 目前廣泛應用的是鼠籠形轉子伺服電動機， 只有在要求運轉非常平穩(wěn)的某些特殊場合下(如：積分電路等)， 才采用非磁性杯形轉子伺服電動機。</p><p>　　3.2 交流伺服電動機的工作原理</p><p&

61、gt;　　交流伺服電機的工作原理和單相感應電動機無本質上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉”現象，即無控制信號時，它不應轉動，特別是當它已在轉動時，如果控制信號消失，它應能立即停止轉動。而普通的感應電動機轉動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉動。</p><p>　　當電機原來處于靜止狀態(tài)時，如控制繞組不加控制電壓，此時只有勵磁繞組通電產生脈動磁場。可以把脈動磁場

62、看成兩個圓形旋轉磁場。這兩個圓形旋轉磁場以同樣的大小和轉速，向相反方向旋轉，所建立的正、反轉旋轉磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應出大小相同，相位相反的電動勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為</p><p>　　零，伺服電機轉子轉不起來。一旦控制系統有偏差信號，控制繞組就要接受與之相對應的控制電壓。在一般情況下，電機內部產生的磁場是橢圓形旋轉磁場。一個橢

63、圓形旋轉磁場可以看成是由兩個圓形旋轉磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉磁場幅值不等（與原橢圓旋轉磁場轉向相同的正轉磁場大，與原轉向相反的反轉磁場?。?，但以相同的速度，向相反的方向旋轉。它們切割轉子繞組感應的電勢和電流以及產生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉者大，反轉者?。┖铣闪夭粸榱?，所以伺服電機就朝著正轉磁場的方向轉動起來，隨著信號的增強，磁場接近圓形，此時正轉磁場及其力矩增大，反轉磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負載力矩不變，轉

64、子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180o，旋轉磁場的轉向相反，因而產生的合成力矩方向也相反，伺服電機將反轉。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流，伺服電機產生的磁場將是脈動磁場，轉子很快地停下來。鼠籠轉子(或者是非磁性杯形轉子)所以會轉動起來是由于在空間中有一個旋轉磁場。 旋轉磁場切割轉子導條， 在轉子導條中產生感應電勢和電流， 轉子導條中的電流再與旋轉磁場相互作用就產生力和轉矩， 轉矩的方向和旋轉</p>

65、<p>　　交流伺服電動機在數控系統中的應用</p><p>　　4.1 交流伺服電動機在數控系統中的應用特點</p><p>　　無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。</p><

66、;p>　　交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。其交流伺服電機還有以下特點。</p><p><b>　　1、精度高</b></p><p>　　數控機床是按預定的程序自動進行加工的，不可能象普通機床那樣手動

67、操作來調整和補償，各種因素對加工精度的影響，故數控機床的實際位移與指令位移之差要小。現代數控機床的位移精度一般為0.01~0.001mm甚至可高達0.1微米，以保證加工質量的一致性，保證復雜曲面、曲面零件的加工精度。</p><p><b>　　2、調速范圍寬</b></p><p>　　調速范圍是指最高進給速度和最低進給速度的比，目前先進調速水平是在脈沖當量或最小設

68、定單位為1微米的情況下，進給速度能在0~240m/min的范圍內連續(xù)可調，一般數控機床的進給速度能在0~24m/min的范圍內連續(xù)可調，即調速范圍為1：24000。</p><p>　　3、快速響應并無超調</p><p>　　對伺服系統除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤信號的響應要快。伺服系統的這個特點對伺服系統的動態(tài)性提出了兩方面要求：一方面在伺服系統處

69、于頻繁的啟動、制動、加速、減速等動態(tài)過程中，為了提高生產率和加工質量則要求加、減速度足夠大以縮短過度過程時間。一般電機速度0到最大或從最大減到0，時間應控制在200ms以下，甚至小于幾十毫秒且速度變化時不應有超調；另一方面，是當負載突變時，過度過程前言要陡，恢復時間要短，且無震蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。</p><p>　　4、能在低速時輸出大的轉矩。</p><p>　　數控機床的

70、進給系統常在相對較低的速度下進行切削，故要求伺服系統能夠</p><p>　　輸出大的轉矩。普通加工直徑400mm的車床，縱向和橫向的驅動力矩都在10Nm以上。為此，數控機床的進給傳動鏈應盡量短，傳動摩插系數盡量小，并減少間隙，提高剛度，減少慣量，提高效率。</p><p>　　4.2 交流伺服電動機與其他電動機的比較</p><p>　　4.2.1 交流伺服電動機

71、與步進電動機的比較</p><p>　　步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異

72、，現就二者的使用性能作一比較。</p><p><b>　　一 、控制精度不同</b></p><p>　　兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。</p><

73、;p><b>　　二、低頻特性不同</b></p><p>　　步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即

74、使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。</p><p><b>　　三、矩頻特性不同</b></p><p>　　步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300~600rpm。交流伺服電機為恒力矩輸出，即

75、在其額定轉速（一般為2000rpm或3000rpm）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。</p><p><b>　　四、過載能力不同</b></p><p>　　步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機

76、因為沒有這種過載</p><p>　　能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。</p><p><b>　　五、運行性能不同</b></p><p>　　步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象

77、，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。</p><p>　　六、速度響應性能不同</p><p>　　步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200~400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流

78、伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000rpm僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。</p><p>　　綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。</p><p>　　4.2.2 永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較</p

79、><p>　　直流伺服驅動技術受電機本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機存在機械結構復雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅動技術發(fā)展的瓶頸。      交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負

80、荷特性和低慣性更體現出交流伺服系統的優(yōu)越性。所以，交流伺服系統在工廠自動化（FA）等各個領域得到了廣泛的應用其交流伺服優(yōu)點有以下特點（1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。（2）定子繞組散熱比較方便。（3）慣量小，易于提高系統的快速性。（4）適應于高速大力矩工作狀態(tài)。（5）同功率下有較小的體積和重量。</p><p>　　4.3 在數控系統中如何選擇交流伺服電動機</p><p

81、>　　選擇電機，首先要確定電機工作點的力矩有多大，及在這個力矩下需要的電機轉速（即額定轉速）是多少，依此可以確定需要多大尺寸的電機能滿足這個要求。</p><p>　　電機的額定轉速和額定力矩決定了電機的輸出功率。對于兩臺尺寸完全相同</p><p>　　的電機來說，由于轉速不同，力矩不同，所以輸出功率也不同。力矩大、轉速高的電機，其輸出功率就大，當然電流也要增大。</p>

82、;<p>　　對于同一臺電機，當力矩不變時，電機轉速與電壓成正比。即：電壓越高，轉速越高。如：一臺12V電機，在額定力矩下的負載轉速為5000rpm，當把電壓升高到24V時，則負載轉速大約為10000rpm。</p><p><b>　　交流電機轉速公式。</b></p><p>　　式中： f – 定子電源頻率</p><p>

83、<b>　　p – 磁激對數</b></p><p><b>　　S – 轉差率</b></p><p>　　ns – 定子旋轉磁場轉速</p><p><b>　　n– 轉子轉速</b></p><p>　　對于同一臺電機，負載轉速與負載力矩成反比。即：隨著負載力矩的增大，電

84、機轉速將降低。如：一臺電機，若在200g.cm時的轉速為5000rpm，當負載力矩大于200g.cm時，電機轉速將低于5000rpm；而當負載力矩小于200g.cm時，電機轉速將高于5000rpm。</p><p>　　一般來說，電機所帶的負載力矩，應與電機給定的額定力矩相同。因為，在額定力矩下工作時，電機是處于最高效率點附近。而當負載力矩大于額定力矩時，電機處在超負荷運行狀態(tài)，這將影響到電機的發(fā)熱和使用壽命。&

85、lt;/p><p>　　電機的力矩通常用g.cm（克·厘米）表示，與其他力矩單位的換算關系是：</p><p>　　1g.cm＝0.098mNm＝0.014oz-in</p><p>　　1mNM＝10.2g.cm＝0.142oz-in</p><p>　　1oz-in＝7.056mNm＝72.0g.cm</p><

86、p>　　長度單位的換算關系是：1mm＝0.039in 　lin＝25.4mm</p><p>　　重量單位的換算關系是：1g＝0.035oz　　 loz＝28.35g</p><p>　　選擇交流伺服電機應考慮的參數因素：</p><p>　?。?）負載曲線在電機轉矩極限曲線的下方；（2）負載曲線必須小于電機的額定轉速；</p><p&g

87、t;　?。?）慣量決定整個系統的響應性，即加減速特性</p><p><b>　　選擇恰當的減速比</b></p><p>　　慣量比：折算到電機軸上的負載慣量/電機轉子慣量</p><p>　　伺服電機工作的慣量比應為5~10倍</p><p>　　最佳慣量匹配：慣量比為1</p><p>&l

88、t;b>　?。?）鋒值力矩</b></p><p><b>　　加減速要求</b></p><p>　　電機轉子慣量、負載慣量</p><p><b>　　額定力矩</b></p><p>　　4.4 交流伺服電動機在數控系統中的應用實例</p><p>　

89、　4.4.1交流伺服系統在大型銑鏜床的應用     隨著微處理技術、高性能半導體功率器件等產品制造工藝的發(fā)展及性價比的日益提高，交流伺服技術在機電設備產品中的應用越來越多，由于三相異步鼠籠式電動機結構堅固、制造容易、運行可靠、維修方便、價格低廉，具有良好的發(fā)展前景，是未來伺服技術的發(fā)展方向之一。     大、重型落地式數控銑鏜床為機、電、液一體化技術密集

90、型產品，其性能要求可實現多軸控制、五坐標聯動；可加工帶有復雜曲面的大型工件；屬于機械加工行業(yè)里的高精度、高性能、高效率的關鍵重大裝備，目前此種類型產品基本依賴從國外進口。如果在保證性能的前提下實現國產化，尤其是采用國產化的全數字伺服系統，可以達到大幅度節(jié)約成本，打破國外的技術壟斷和制約，推動民族工業(yè)的發(fā)展的目的。</p><p>　　4.4.2 技術要求     落地數控

91、銑鏜床作為重型精密加工設備，要求很高的調速性能，調速比要求大于1:3000，目前國內控制系統主要采用直流調速系統。主要技術要求如下：     在帶載調速過程中必須保證足夠的轉矩平穩(wěn)輸出，能夠實現進給軸低速平穩(wěn)運行和大扭矩輸出。     重載加工過程中在負載(轉矩)大范圍波動的情況下保證運行速度的平穩(wěn)。采</p><p>　　用時光

92、科技交流伺服控制系統的某型號落地式數控銑鏜床的外形圖（如圖4-1所示）。</p><p>　　圖4-1   某落地式數控銑鏜床采用時光交流伺服</p><p>　　時光科技交流伺服控制器具有以下特點：1、全數字化      時光科技的交流伺服控制器是全數字化技術，其速度控制范圍為0Hz～500Hz，控制精度

93、標準為0.01～0.02Hz(特殊要求時可做到0.0025Hz)。該控制器可以滿足數控銑鏜床進行大范圍的穩(wěn)定、準確的高精度速度控制的需求。2、 高可靠的調速和過載性能     與變頻器相比較，其速度曲線呈線性，使得加工過程時機床在頻繁地起、停、正轉、反轉和制動控制的工況條件下連續(xù)正常地運行而速度不產生波動。而且，該系統具有優(yōu)良的超載特性，在銘牌額定轉速下可以做到300%的額定轉矩輸出，完全有別

94、于一般變頻器的工作曲線(見圖4-2所示)，保證了重載加工過程中在負載大范圍波動的情況下機床依然可以平穩(wěn)運行。</p><p>　　圖4-2 通用“變頻器”與“伺服控制器”的主要區(qū)別</p><p>　　3、 轉速和轉矩的解耦獨立控制 （如下圖） 圖4-3 立柱水平進給 圖4-4軸箱垂直進給 圖4-5 鏜軸(內)和滑枕(外)系統達

95、到的主要指標：</p><p>　　電機相關參數： 調速范圍：0.01~250Hz(換檔無級變速)；額定轉速：4級1500r/min。 時光科技的交流伺服控制器在大重型數控銑鏜床控制系統中的應用，充分發(fā)揮了系統的低速大扭矩和速度控制平穩(wěn)的特性，使得大重型設備零速平穩(wěn)起動，超低速進給性能顯著提高，應用前景十分廣闊。</p><p>　　交流伺服電動機的常見故障與維護</p>

96、;<p>　　交流伺服系統由于控制原理的先進性，成本低、免維護，并且控制特性正在全面超越直流伺服系統，其勢必將在絕大多數應用領域代替?zhèn)鹘y的直流伺服電機。但是電機在日常的生產當中由于操作不當或者維護不到位避免不了產生一些故障，下面就電機的常見故障進行舉例說明。</p><p>　　5.1 電機常見故障以及處理</p><p>　　電動機起動困難，加額定負載后，轉速較低。

97、 # `, x3 A: C  `7 [! j' t* O可能原因：（1）電源電壓較低；（2）原為角接誤接成星接；（3）鼠籠型轉子的籠條端脫焊，松動或斷裂。, ~7 y% Q% J  Q, j( ?# I 處理方法：（1）提高電壓；（2）檢查銘牌接線方法，改正定子繞組接線方式；（3）進行檢查后并對癥處理。$ z% S9 f- U+ f （二）時機接通后，電動機不能起動，但有嗡

98、嗡聲 ( F1 {- }5 P: Y4 M" \) ^, n8 \2 E可能原因：（1）電源沒有全部接通成單相起動；（2）電動機過載；（3）被拖動機械卡??；（4）繞線式電動機轉子回路開路成斷線；（5）定子內部首端位置接錯，或有斷線、短路。機械設計,機械加工,設計軟件,機械工程師,設備管理,焊接, 處理方法：（1）檢查電源線，電動機引出線，熔斷器，開關的各對觸點，找出斷路位置，予以排除；（2）卸載后空載或半載起動；（3）

99、檢查被拖動機械，排除故障；（4）檢查電刷，滑環(huán)和起動電阻各個接觸器的接合情況；（5）重新判定三相的首尾端，并檢查三相繞組是否有燦線</p><p>　　機殼和端蓋的檢修 $ q6 m& |! Z  k6 U機械設計,機械加工,設計軟件,機械工程師,設備管理,焊接,液壓,鑄造,密封,測量,工程機械,粉末冶金,軸承,齒輪,泵閥,工業(yè)自動化機殼和端蓋若有裂紋應進行堆焊修復若遇到軸承鏜

100、孔間隙過大，造成軸承端蓋配合過松，一般可用沖子將軸承孔壁均勻打出毛刺激性，然后再將軸承打入端蓋，對于功率較大的電動機，也可采用鑲補或電鍍的方法最后加工出軸承所需要的尺寸。 - b- p6 C- _6 A4 s# B4 e機械設計,機械加工,設計軟件,機械工程師,設備管理,焊接,液壓,鑄造,密封,測量,工程機械,粉末冶金,軸承,齒輪,泵閥,工業(yè)自動化（四）轉軸故障檢修; R7 H6 Y0 k3 p （1）軸彎曲 &

101、quot; Z: p4 Z; M  G4 U$ [7 O若彎曲不大，可通過磨光軸徑、滑環(huán)的方法進行修復；若彎曲超過0.2mm，可將軸放于壓力機下，在拍彎曲處加壓矯正，矯正后的軸表面用車床切削磨光；如彎曲過大則需另換新軸。   d& p$ R- t- K& n' q4 ~（2）軸頸磨損 3 R# G7 q6 }+ B! </p><p>

102、　　5.3電機日常維護方法 </p><p>　　) w# |4 N1 O) k, X機械設計,機械加工,設計軟件,機械工程師,設備管理,焊接,液壓,鑄造,密封,測量,工程機械,粉末冶金,軸承,齒輪,泵閥,工業(yè)自動化電動機具有結構簡單，運行可靠，使用方便，價格低廉等特點。為保證時機的正常工作對運行的電動機要按電動機完好質量標準的要求進行檢查，運行中的電動機與被拖動設備的軸心要對正，運行中無明顯的振動，一定要保持通

103、風良好、風翅等要完整無缺。要時刻觀察和測量電動機電網電壓和正常工作電流，電壓變化不應超過額定電壓的±5%，電動機的額定負荷電流不能經常超過額定電流，以防時機過熱，同時檢查電機起動保護裝置的動作是否靈活可靠。檢查電動機各部分溫升是否正常，還要經常檢查軸承溫度，滑動軸承不得超過度，滾動軸承不得超過70度，滾動軸承運轉中的聲音要清晰、無雜音。對于電動機的運轉環(huán)境要做到防砸、防淋、防潮。對于環(huán)境不良，經常挪動、頻繁起動、過載運行等要加

104、強日常維護和保養(yǎng)，及時發(fā)現和消除隱患。</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　21世紀是一個嶄新的世紀，也定將是各項科學技術飛速發(fā)展的世紀。相信隨著材料技術、電力電子技術、控制理論技術、計算機技術、微電子技術的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著制造業(yè)的不斷升級和制造技術的快速發(fā)展，必將為加工和制造技術的核心技術之一的伺服驅動技

105、術迎來又一大好的發(fā)展時機！</p><p>　　在歷經半年的實習工作當中，經過輔導教師xx老師的精心輔導，以及自己在廠實習的親身經歷，從而寫出了這篇論文，由于車間上班時間安排所致，所以寫成這篇論文時間有些倉促，若文中不慎出現錯誤，敬請老師予以點評。</p><p>　　在這里再次感謝指導老師xx老師的悉心指導和幫助，才能使我能夠按時完成此次畢業(yè)論文設計！</p><p&

106、gt;<b>　　此致</b></p><p><b>　　敬禮</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　張吉平 蔣林敏 數控加工設備 （第二版）. 大連理工大學出版社，2007</p><p>　　夏慶觀 數控機床故障診斷與維修 （第一版）

107、. 高等教育出版社，2002</p><p>　　董 原 數控維修實用技術 （第一版）. 內蒙古人民出版社，2008</p><p>　　勞動和社會保障部 加工中心操作工（第一版）.中國勞動社會保障出 版社，2001</p><p>　　劉祖其 機床電器控制與PLC（第一版）. 高等教育出版社，2009</p><p&g

108、t;　　王占元、王寧 交流電機的使用維護和修理 .機械工業(yè)，2010</p><p>　　袁登科、陶生桂 交流永磁電機變頻調速系統 .機械工業(yè)，2011</p><p>　　魏潤仙、孫善君 電機控制與應用 .北京大學，2010</p><p>　　王洪、唐鍇 電機設備安裝與維護 .科學出版社，2011</p><p>　　熊永前 電機學習題