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大功率數(shù)控等離子切割機(jī)傳動(dòng)單元匹配分析

    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大功率數(shù)控等離子切割機(jī)市場(chǎng)供需呈現(xiàn)兩旺，其一方面在于中厚板等離子加工技術(shù)的日趨成熟，以美德為代表的類激光/精細(xì)數(shù)控等離子切割機(jī)在加工效率和質(zhì)量方面都有了顯著的改善，逐漸具備了工業(yè)化普及推廣的商業(yè)價(jià)值；更重要的則是由于國(guó)內(nèi)下游企業(yè)加工生產(chǎn)需求的帶動(dòng)，傳統(tǒng)火焰切割方式在效率和使用成本上的先天缺陷使得更多生產(chǎn)型企業(yè)不得不嘗試更為有效和經(jīng)濟(jì)的加工方式。本文由武漢嘉倍徳科技技術(shù)部編輯整理，詳細(xì)就大功率數(shù)控等離子切割機(jī)傳動(dòng)單元匹配問(wèn)題作簡(jiǎn)要分析，不足之處歡迎指正。
    與傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式相比，數(shù)控等離子切割機(jī)的傳動(dòng)單元主要由兩部分構(gòu)成，其一是傳動(dòng)電機(jī)單元，其二是減速機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。前者的效用在于提供數(shù)控等離子切割機(jī)床持續(xù)穩(wěn)定的行進(jìn)動(dòng)力；后者則為機(jī)床割炬的定位精度提供有效保障。

一、數(shù)控等離子切割機(jī)傳動(dòng)電機(jī)單元匹配
    常用的數(shù)控等離子切割機(jī)傳動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元以直線電機(jī)為代表。
    直線電機(jī)是指一種利用電磁感應(yīng)原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)裝置，它是一種能實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。全世界靠前條商業(yè)運(yùn)營(yíng)線的磁懸浮列車——上海磁浮列車就是采用此原理實(shí)現(xiàn)的。
    直線電機(jī)的“直接驅(qū)動(dòng)”方式具有更高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更長(zhǎng)的使用壽命，以及更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損。這些特性使其在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展，而數(shù)控等離子切割機(jī)作為無(wú)切削力加工，采用直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
    數(shù)控等離子切割機(jī)傳動(dòng)直線電機(jī)與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，具有如下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：
　　1. 速度快，加速度大；
　　2. 精度高；
　　3. 無(wú)機(jī)械磨損，壽命長(zhǎng)；
　　4. 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高；
　　5. 噪音低，運(yùn)行安靜。
    在實(shí)際應(yīng)用方面，大功率數(shù)控等離子切割機(jī)傳動(dòng)直線電機(jī)的廣泛推廣，取決于直線電機(jī)的性能不斷提高，成本日益下降，為其廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件；另一方面，大功率數(shù)控等離子切割機(jī)應(yīng)用行業(yè)如鈑金行業(yè)不斷地對(duì)切割質(zhì)量和切割效率提出更高的要求。為此，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大功率數(shù)控等離子切割機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。因其速度快、加速度大、定位精度高，而深受市場(chǎng)上中高等客戶的青睞。
　　
二、大功率數(shù)控等離子切割機(jī)減速電機(jī)匹配
    數(shù)控等離子切割機(jī)減速驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)裝置和減速機(jī)兩部分，對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的選購(gòu)主要在于驅(qū)動(dòng)裝置的選擇，因?yàn)闇p速機(jī)是通用的部件，性能差別只存在于不同的廠家和型號(hào)。
　　驅(qū)動(dòng)單元主要可分為：反應(yīng)式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、混合式（也稱永磁反應(yīng)式）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)三大類。
　　1. 反應(yīng)式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，由被勵(lì)磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行�；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用較久磁鋼，由勵(lì)磁和永磁產(chǎn)生的電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行；
    2. 步進(jìn)電機(jī)受脈沖的控制，通過(guò)改變通電的順序可改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，改變脈沖的頻率可改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。步進(jìn)電機(jī)有一定的步距精度，沒(méi)有累積誤差。但步進(jìn)電機(jī)的效率低，拖動(dòng)負(fù)載的能力不大，脈沖當(dāng)量不能太大，調(diào)速范圍不大。
    目前步進(jìn)電機(jī)可分為兩相、三相、五相等幾種，常用的是五相步進(jìn)電機(jī)。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，步進(jìn)電機(jī)占很大的市場(chǎng)，但目前正逐步為伺服電機(jī)所取代。
　　3. 伺服電機(jī)則主要采用交流伺服系統(tǒng)，在電機(jī)的軸端裝有光電編碼器，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子角度用以變頻控制。從較低轉(zhuǎn)速到較高轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)都能平滑運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小。伺服電機(jī)有較長(zhǎng)的過(guò)載能力，有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。伺服電機(jī)有很小的啟動(dòng)頻率，能很快從較低轉(zhuǎn)速加速到額定轉(zhuǎn)速。

三、大功率數(shù)控等離子切割機(jī)驅(qū)動(dòng)單元匹配
　　大功率數(shù)控等離子切割機(jī)采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，可以和直流伺服電機(jī)一樣構(gòu)成高精度，高性能的半閉環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于交流伺服電機(jī)內(nèi)是無(wú)刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對(duì)較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高。目前已經(jīng)在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服電機(jī)。采用高速微處理器和專項(xiàng)使用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)(DSP)的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)后，原來(lái)的硬件伺服控制變?yōu)檐浖�伺服控制，一些現(xiàn)代控制理論中的先進(jìn)算法得到實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而大大地提高了伺服系統(tǒng)的性能，因此伺服單元能非常大的提高加工效率及加工精度，但伺服驅(qū)動(dòng)單元的價(jià)格也較高。隨著伺服控制技術(shù)的逐步提高，目前伺服驅(qū)動(dòng)單元正逐步成為驅(qū)動(dòng)單元的主力軍，伺服驅(qū)動(dòng)單元的價(jià)格也在逐步減低。
　　大功率數(shù)控等離子切割機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器有兩種：
    1. 采用脈沖控制方式，此種驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)閉環(huán)，但不反饋到數(shù)控系統(tǒng)，這種驅(qū)動(dòng)器在某種程度上可稱為開環(huán)控制的伺服控制。
    2. 采用電壓控制方式，通過(guò)電壓的高低進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，電機(jī)的反饋信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器反饋到數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行位置控制。
　　選擇驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，也要考慮驅(qū)動(dòng)單元的價(jià)格在整臺(tái)數(shù)控機(jī)床中的比例。整臺(tái)數(shù)控機(jī)床價(jià)格較低的一般選擇步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元，而價(jià)格較高的機(jī)床選擇伺服驅(qū)動(dòng)單元。但選擇驅(qū)動(dòng)單元的同時(shí)，也要考慮驅(qū)動(dòng)單元與數(shù)控系統(tǒng)的匹配問(wèn)題，選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)必須選擇閉環(huán)的伺服驅(qū)動(dòng)單元。交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。

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