伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析

文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析

（連載四）

文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服電機(jī)的原理和特征

直線型伺服電機(jī)

下面以直線型伺服電機(jī)為例，說(shuō)明一下伺服電機(jī)的原理。

如圖1所示，直線型伺服電機(jī)通過(guò)向N1勵(lì)磁（向定子線圈通電即是對(duì)定子線圈勵(lì)磁），切斷后再向N2勵(lì)磁，再切斷后，再向N3勵(lì)磁……這樣逐次類推的勵(lì)磁，逐次吸引電磁鐵S（即稀土永久磁鐵，也稱為永磁鐵）移動(dòng)。若勵(lì)磁的順序按逆方向來(lái)進(jìn)行，則引力會(huì)從右向左變化，電磁鐵S也會(huì)變成從右向左移動(dòng)。

伺服電機(jī)不僅定子線圈的間隔很小，而且還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控勵(lì)磁的方法來(lái)任意變換電磁鐵的移動(dòng)速度。勵(lì)磁的切換頻率快，電磁鐵的移動(dòng)速度就會(huì)快，切換頻率慢，電磁鐵的移動(dòng)速度也就會(huì)慢。電磁線圈的電磁力變強(qiáng)，引力也就變強(qiáng)，電磁力變?nèi)?，引力也就變?nèi)?，電磁力的大小，是通過(guò)改變電磁線圈中電流值的大小來(lái)改變的。

圖1直線型伺服電機(jī)的原理

定子線圈N與電磁鐵S的間隙（也稱作空氣間隙、氣隙等）越小，N與S的引力就越強(qiáng)，N與S相接在一起時(shí)，電機(jī)就不能運(yùn)轉(zhuǎn)了，為了能夠維持正確地狹窄的間隙，N與S的位置必須用具有高剛性和強(qiáng)度的構(gòu)造來(lái)固定。

上面已敘述過(guò)定子線圈中的電流值越大，電磁力就越強(qiáng)，定子線圈與電磁鐵之間的相互吸引力也就越大。圖1是定子線圈直線型的形式，這種伺服電機(jī)被稱為直線型伺服電機(jī)。直線型伺服電機(jī)在用于加工機(jī)床和測(cè)定設(shè)備上的工作臺(tái)的移動(dòng)時(shí)，可使定位精度的準(zhǔn)確性和移動(dòng)的高速化成為可能。但是，由于定子線圈與電磁鐵之間要維持一定的間隙，再加上電磁鐵吸引力的局限性以及電磁鐵與定子線圈之間的相互吸引力過(guò)小等理由，所以，這種直線型伺服電機(jī)只能用于50kN以下的沖床中。

回轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)

考慮到電機(jī)的扭矩、特性和對(duì)沖床的加壓能力，多數(shù)的伺服沖床使用的是回轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)。

回轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)如圖2所示，為了便于說(shuō)明，圖2只表示了一組定子線圈N和電磁鐵S。實(shí)際上沿著圓周的方向排列著很多組的定子線圈N和電磁鐵S，它們之間只有很小的間隙，在軸向上也有排列。從圖2中可以看出，回轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子（伺服電機(jī)的輸出軸側(cè)）和定子（伺服電機(jī)的機(jī)體側(cè)）是以同心圓的方式排列的，定子和轉(zhuǎn)子之間相互的吸引力維持著對(duì)電機(jī)軸中心的平衡。直線型伺服電機(jī)也是同樣，定子線圈和電磁鐵相互強(qiáng)力地吸引，如上面所述由這個(gè)吸引力取得平衡，回轉(zhuǎn)軸就不會(huì)產(chǎn)生偏心。

圖2回轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)的原理

在回轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)方面，電磁鐵的固定方法是伺服電機(jī)的一大特征，固定得越好，電磁鐵與定子線圈的間隙就可以越小，其間隙越小，為了得到同樣的伺服電機(jī)回轉(zhuǎn)力（力矩）所需用的定子線圈的電流值也就越小。電流值小了，定子的鐵損就會(huì)減少，伺服電機(jī)的發(fā)熱就會(huì)減少，電機(jī)的冷卻也就變得容易了，其結(jié)果是節(jié)省了能源。但是如果間隙過(guò)窄，冷卻空氣的流動(dòng)就會(huì)受到阻礙，轉(zhuǎn)子的熱量就不能有效地散發(fā)，所以電磁鐵與定子線圈的間隙要取一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠Ｈ绻ㄗ泳€圈和電磁鐵的溫度升高，那么磁氣的損失就會(huì)加大，即使提供了電流，電磁吸引力也會(huì)降低，結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的扭矩降低，最壞的情況是線圈被燒損。因此，伺服電機(jī)的冷卻也是非常重要的。

伺服電機(jī)一般都是由圖2所示的基本構(gòu)造構(gòu)成的，定子線圈吸引著電磁鐵就像跳動(dòng)的石子那樣動(dòng)作。如果速度太慢，伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)就會(huì)是不連續(xù)、不順暢的，我們可以通過(guò)下面的現(xiàn)象來(lái)加以理解。在伺服電機(jī)三相繞組不通電且繞組開(kāi)路的情況下，用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí)，會(huì)感覺(jué)到轉(zhuǎn)子上有一定的作用轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩在一圈范圍內(nèi)大小不均勻，且可發(fā)現(xiàn)若干個(gè)定位點(diǎn)，在自然狀態(tài)下轉(zhuǎn)子即定位在這些點(diǎn)，只有在一定的外界轉(zhuǎn)矩作用下，才能改變轉(zhuǎn)子定位的位置，正因?yàn)檫@樣，所以常常把伺服電機(jī)不通電且繞組開(kāi)路情況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩稱為定位（detent）轉(zhuǎn)矩。它的產(chǎn)生主要源于定子齒槽的存在，電磁鐵轉(zhuǎn)子的磁極與定子齒槽的相對(duì)位置不同時(shí)，其主磁路的磁導(dǎo)率不一樣，轉(zhuǎn)子趨向定位于磁導(dǎo)率最大的位置，即穩(wěn)定平衡點(diǎn)，在此點(diǎn)處電磁轉(zhuǎn)矩為零，所以在轉(zhuǎn)子偏離此點(diǎn)時(shí)都有回復(fù)到該位置的作用轉(zhuǎn)矩，或趨于另一相鄰的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，可見(jiàn)轉(zhuǎn)矩的作用方向是交變的，通常所說(shuō)的定位轉(zhuǎn)矩是指交變幅值。電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)矩交變的周期數(shù)，即穩(wěn)定平衡位置數(shù)，在多數(shù)情況下等于定子齒（槽）數(shù)。定位轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生主要源于定子齒槽，所以也被叫做齒槽（cogging）轉(zhuǎn)矩，或者齒槽定位轉(zhuǎn)矩。

一般來(lái)說(shuō)，在伺服電機(jī)中，cogging常常成為引起振動(dòng)、噪聲和提高控制精度困難的基本原因，所以在沖床上使用伺服數(shù)控的驅(qū)動(dòng)方式，就必須要對(duì)cogging的本質(zhì)了解得更加清楚，力爭(zhēng)使伺服電機(jī)的cogging大幅度下降。

伺服電機(jī)對(duì)速度變化的反應(yīng)很快，可以頻繁地進(jìn)行變速，但減速也好加速也罷都必須要有一個(gè)比較大的電流，這就對(duì)伺服電機(jī)自身和伺服控制信號(hào)放大器的功率晶體管提出了很高的要求。這樣的話，電源電容就必須很大，一般來(lái)說(shuō)通常還需要在控制軟件設(shè)計(jì)中設(shè)定對(duì)減速率和加速率的控制和限制，所以，伺服沖床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行檢驗(yàn)，防止出現(xiàn)超過(guò)控制性能以上的任意設(shè)定。一般來(lái)說(shuō)，最高速度和最低速度的比率在100∶1以下是可以實(shí)現(xiàn)的，但事實(shí)上大多伺服電機(jī)的比率都在10∶1以內(nèi)，如果比較緩慢地進(jìn)行減速和加速的話，100∶1的速度比率也是可以達(dá)到的，但是使用這樣伺服電機(jī)的沖床是根本無(wú)法正常工作的。

從上面所述伺服電機(jī)的原理來(lái)看，伺服電機(jī)內(nèi)部并沒(méi)有精密的齒輪等機(jī)構(gòu)，是靠定子線圈和電磁鐵之間相互的吸引力來(lái)動(dòng)作的，因此伺服電機(jī)本身并不能算是精密機(jī)器。也就是說(shuō)，控制沖床的滑塊位置和加工壓力的伺服電機(jī)只由定子線圈和電磁鐵的相互吸引來(lái)控制。

那么為什么伺服電機(jī)又被用來(lái)驅(qū)動(dòng)精密機(jī)械呢？那是因?yàn)樵谒欧姍C(jī)的輸出軸（轉(zhuǎn)子軸）的一端安裝有回轉(zhuǎn)角度檢測(cè)裝置——旋轉(zhuǎn)編碼器（通稱編碼器），通過(guò)讀出編碼器的回轉(zhuǎn)角度，可以對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)行調(diào)整；也可以計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子的角度變化量、轉(zhuǎn)子軸的回轉(zhuǎn)速度、加速度或減速度值。編碼器可以對(duì)伺服電機(jī)輸出軸回轉(zhuǎn)一周360°進(jìn)行百萬(wàn)分之一單位的檢測(cè)。因?yàn)榫幋a器是非常精密的感應(yīng)器，所以如果被用在有劇烈振動(dòng)且伴隨有沖擊的沖床上，就要求編碼器要有很好的耐振性及非常堅(jiān)固的構(gòu)造。即便如此，對(duì)這種精密的器件，最好也要一周檢查一次或一個(gè)月檢查一次。

編碼器除了具有檢測(cè)回轉(zhuǎn)動(dòng)作的作用外，還可以在曲軸停止動(dòng)作期間（沖床停止運(yùn)轉(zhuǎn)期間）獲取編碼器的信號(hào)來(lái)確認(rèn)伺服電機(jī)是否已經(jīng)停止工作，這也是一項(xiàng)非常重要的功能。

伺服電機(jī)回轉(zhuǎn)力（扭矩）放大機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用

伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)力是靠定子線圈通電流后的電磁鐵吸引轉(zhuǎn)子永磁鐵來(lái)產(chǎn)生的，但這對(duì)沖床來(lái)說(shuō)顯然是不夠的，所以力的放大機(jī)構(gòu)就是非常有必要的了。力的放大機(jī)構(gòu)一般有齒條機(jī)構(gòu)、曲軸機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)和螺桿機(jī)構(gòu)等，這些機(jī)構(gòu)可以以單獨(dú)的形式，也可以以組合的形式來(lái)放大伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)力。這時(shí)，雖然伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)力增大了，但伺服電機(jī)的

速度卻降低了，也就是說(shuō)，減速可以增大回轉(zhuǎn)力。用機(jī)械式減速方法，可以使伺服電機(jī)的速度降低，從而增大伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)力，但在機(jī)械式減速機(jī)構(gòu)中間隙總是存在的，所以這就會(huì)使伺服電機(jī)的高精度控制系統(tǒng)變得遲鈍，不僅如此，它還會(huì)影響滑塊的位置精度。目前螺桿直動(dòng)式伺服沖床的下死點(diǎn)精度是最高的。

表1幾種伺服沖床的特點(diǎn)和比較

在表1中列舉出了四種生產(chǎn)實(shí)際中常見(jiàn)的伺服沖床，它們采用了不同的回轉(zhuǎn)力放大機(jī)構(gòu)，大致使用了高速低扭矩和低速高扭矩兩種伺服電機(jī)，可以看出因此而制造出的伺服沖床各有其不同的特征。

這里，如果能參考一下連載三中的內(nèi)容，可能對(duì)進(jìn)一步理解下面的內(nèi)容會(huì)有所幫助。

從表1中可以看到，這四種伺服沖床因使用的回轉(zhuǎn)力放大機(jī)構(gòu)不同而顯示出不同的特征，也各有其不同的最佳應(yīng)用領(lǐng)域，所以在購(gòu)買伺服沖床前一定要充分研討，根據(jù)自己企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的需求來(lái)選擇相應(yīng)的伺服沖床。如果在購(gòu)買伺服沖床前沒(méi)有進(jìn)行充分的調(diào)查、研究而只是看了設(shè)備樣本就確定機(jī)型的話，那么購(gòu)入的伺服沖床在使用時(shí)就很可能達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。更重要的是，如果沒(méi)有十分明確伺服沖床的工作內(nèi)容即“要加工什么”、“不要加工什么”，那么很可能購(gòu)入的伺服沖床的型號(hào)就會(huì)是錯(cuò)誤的。

伺服沖床是用計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控沖床，但它也和機(jī)器人一樣并不是萬(wàn)能的，所以只有在熟知并充分理解了伺服沖床的特性之后，才能靈活地使用伺服沖床，充分發(fā)揮出它的優(yōu)勢(shì)。