精密车床变频调速专业系统设计.doc

精密车床变频调速系统设计 学生姓名 于 长 城_ 专 业 电 气 自 动 化 班 级 电 气 0902 时 间 .1.3 指引教师 蒋 保 涛 电子与电气工程系3月20日目 录前言31 精密车床工作原理31.1 数控车床构成31.1.1数控程序及存储介质31.1.2输入、输出装置41.1.3CNC装置数控系统41.1.4 数控车床进给伺服系统51.1.5机床本体51.1.6辅助装置 61.2数控车床位置检测装置61.2.1 位置检测装置规定71.2.2 位置检测装置分类71.3 主轴功能1.4 多坐标控制功能1.5固定循环切削功能1.6 其她功能 2 数控机床变频调速系统113.1主运动负载性质及对主拖动系统规定113.2变频调速系统设计方案123.3变频调速系统控制系统及其工作过程13总 结 15参照文献15结语15前言当今世界数控技术及装备发展趋势及国内数控装备技术发展和产业化状在国内对外开放进一步深化新环境下 ,发展国内数控技术及装备、提高国内制造业信息化水平和国际竞争能力重要性 ,并从战略和方略两个层面提出了发展国内数控技术及装备几点看法。装备工业技术水平和当代化限度决定着整个国民经济水平和当代化限度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业使能技术和最基本装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制技术 ,而数控装备是以数控技术为代表新技术对老式制造产业和新兴制造业渗入形成机电一体化产品 ,其技术范畴覆盖诸多领域。数控技术发展趋势数控技术应用不但给老式制造业带来了革命性变化 ,使制造业成为工业化象征 ,并且随着数控技术不断发展和应用领域扩大 ,她对国计民生某些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等发展起着越来越重要作用。从当前世界上数控技术及其装备发展趋势来看 ,其重要研究热点有如下几种方面:1、高速、高精加工技术及装备新趋势效率、质量是先进制造技术主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO 展会状况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运营速度可达 100m/ min左右。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床加工精度已由 10m提高到 5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到 11.5m并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套功能部件如电主轴、直线电机得到了迅速发展 ,应用领域进一步扩大。2、5 轴联动加工和复合加工机床迅速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不但光洁度高 ,并且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机构造复杂等因素 ,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床发展。当前由于电主轴浮现 ,使得实现 5 轴联动加工复合主轴头构造大为简化 ,其制造难度和成本大幅度减少 ,数控系统价格差距缩小。因而增进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 发展。3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展重要趋势21世纪数控装备将是具备一定智能化系统 ,智能化内容涉及在数控系统中各个方面:为追求加工效率和加工质量方面智能化 ,如加工过程自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接以便智能化 ,如前馈控制、电机参数自适应运算、自动辨认负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统将来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统开发可以在统一运营平台上 ,面向机床厂家和最后顾客 ,通过变化、增长或剪裁构造对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可以便地将顾客特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,迅速实现不同品种、不同档次开放式数控系统 ,形成具备鲜明个性名牌产品。当前开放数控系统体系构造规范、通信规范、配备规范、运营平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究核心。网络化数控装备是近两年国际知名机床博览会一种新亮点。数控装备网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造公司对信息集成需求 ,也是实现新制造模式如敏捷制造、虚拟公司、全球制造基本单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展趋势。一、 精密车床工作原理数控车床是一种高度自动化机床，在加工工艺与加工表面形成办法上，与普通机床是基本相似，最主线不同在于实现自动化控制原理与办法上。精密车床是用数字化信息来实现自动化控制，将与加工零件关于信息工件与刀具相对运动轨迹尺寸参数、切削加工工艺参数、以及各种辅助操作等加工信息用规定文字、数字和符号构成代码，按一定格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置通过度析解决后，发出各种与加工程序相相应信号和指令控制机床进行自动加工。1.1数控车床构成数控车床是由数控程序及存储介质、输入输出设备、计算机数控装置、机床本体、伺服系统构成，如图所示。1.1.1 数控程序及存储介质 数控程序是数控车床自动加工零件工作指令。在对加工零件进行工艺分析基本上拟定零件坐标系在机床坐标系上相对位置；刀具与零件相对运动尺寸参数；零件加工工艺路线或加工顺序、切削加工工艺参数以及辅助装置动作等。这样得到零件所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，然后用原则文字、数字和符号构成数控代码，编制零件加工数控程序单。编制程序工作可由人工进行，或者在数控车床以外用自动编程计算机系统来完毕，比较先进数控车床，可以在数控装置上直接编程。1.1.2 输入、输出装置 存储介质上记载加工信息需要输入装置输送给机床数控系统，机床内存中零件加工程序可以通过输出装置传送到存储介质上。输入、输出装置是机床与外部设备接口，当前输入装置重要是有纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等。1.1.3 计算机数控装置数控装置是数控机床控制中心，人们喻为“中枢系统”。数控装置涉及输入装置，控制运算器(CPU)和输出装置等构成，如图1-3所示。图中虚线内包括某些为数控装置。数控装置功能是接受控制介质上各种信息，通过辨认与译码后，送到运算控制器进行计算解决再通过输出装置将运算控制器发出控制命令送到伺服系统，带动机床完毕相应运动。当前均采用微型计算机作为数控装置。微型计算机中央解决单元（CPU）又称为微解决器，是一种大规模集成电路，它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微型计算机中，输入与输出电路也采用大规模集成电路，即所谓I/O接口。微型计算机拥有较大容量寄存器，并采用高密度存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。 1.1.4 机床床体机床本体是数控机床实体，是完毕实际切削加工机械某些，它涉及床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。它与普通机床相比较有所改进，具备如下特点：（1）数控机床采用了高性能主轴及伺服系统，机械传动构造简化，传动链较短。（2）机械构造具备较高刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。（3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。与普通机床相比，数控机床外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统部件构造及操作机构等方面都已发生了很大变化。这些变化目是为了满足数控机床规定和充分发挥数控机床特点。因而，必要建立数控机床设计新概念。 1.1.5 数控车床进给伺服系统 数控机床进给传动系统惯用进给伺服系统来工作，数控机床伺服系统是以机床移动部件位置和速度为控制量自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服系统。机床进给伺服系统，普通由位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大某些构成。但习惯上所说进给伺服系统，只是指速度控制、伺服电动机和检测部件三某些，并且，将速度控制某些称之为伺服单元或驱动器。数控车床对进给伺服系统规定为了提高数控机床性能，对机床进给伺服系统提出了很高规定。由于各种数控机床所完毕加工任务不同，因此对进给伺服系统规定也不尽相似，但大体可概括为如下几种方面：高精度，迅速响应，宽调速范畴，低速大转矩，好稳定性。伺服系统类型按照伺服系统构造特点，伺服单元或驱动器普通有四种基本构造类型：开环、闭环、半闭环及混合闭环。而在机床中应用得最为广泛是半闭环构造，这是由于它环路中非线性因素少，容易整定，可以比较以便地通过补偿来提高位置控制精度，并且电气控制某些与执行机械相对独立，系统通用性强。开环进给伺服系统 开环伺服机构，即无位置反馈系统，是由步进电机驱动线路，和步进电机构成。每一脉冲信号使步进电机转动一定角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定距离。这种伺服机构比较简朴，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度提高受到限制。如果负荷突变（如切深突增），或者脉冲频率突变（如加速、减速），则数控运动部件将也许发生“失步”现象，从而导致进给运动速度和行程误差。故该类控制方式，仅限于精度不高、轻载负载变化不大经济型中、小数控机床进给传动。闭环进给伺服系统 闭环伺服机构工作原理和构成与半闭环伺服机构相似，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试难度较大，惯用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服电机与半闭环相似，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。普通来说，只在具备传动部件精密度高、性能稳定、使用过程温差变化不大高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。半闭环进给伺服系统 在机床中应用得最为广泛是半闭环构造，半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服电机、速度检测器和位置检测器构成。位置检测器装在丝杠或伺服电机端部，运用丝杠回转角度间接测出工作台位置。惯用伺服电机有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服电机。这种伺服机构所能达到精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。这是由于它环路中非线性因素少，容易整定，可以比较以便地通过补偿来提高位置控制精度。其构造框图如下图所示： 1.1.6 辅助装置辅助装置重要涉及换刀机构、工件自动互换机构、工件夹紧机构、润滑装置、冷却装置、照明装置、排屑装置、液压汽动系统、过载保护与限位保护装置等。1.2数控车床位置检测装置 1.2.1 位置检测装置规定 在闭环与半闭环伺服系统中，必要运用位置检测装置把机床运动部件实际位移量随时检测出来，与给定控制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动系统对的运转，使工作台（或刀具）按规定轨迹和坐标移动，位置检测装置是伺服系统重要构成某些，它对于提高数控机床加工精度起着决定性作用，就好象起着人眼睛和刻度盘作用。为此，检测元件应满足规定是：工作可靠，抗干扰性强；满足数控机床精度和速度规定；维护以便；成本低。1.2.2 位置检测装置分类 不同类弄数控机床对于检测系统精度与速度有不同规定，普通来说，对于大型数控机床以满足速度规定为主，而对于中小型和高精度数控机床以满足精度规定为主。按惯用检测装置基本工作原理，其分类见下表：数字式模仿式增量式绝对式增量式绝对式旋转型脉冲编码器圆光栅编码盘旋转变压器圆感应同步器圆磁栅多极旋转变压器三速圆感应同步器直线型长光栅激光干涉仪编码尺直线感应同步器磁珊绝对值式磁尺三速感应同步器1.3 主轴功能 除对机床进行无级调速外，还具备同步进给控制、恒线速度控制及主轴最高转速控制等功能。同步进给控制 在加工螺纹时，主轴旋转与进给运动必要保持一定同步运营关系。如车削等螺距螺纹时，主轴每旋转一周，其进给运动方向（z或x）必要严格位移一种螺距或导程。其控制办法是通过检测主轴转数及角位移原点（起点）元件（如主轴脉冲发生器）与数控装置互相进行脉冲信号传递而实现。恒线速度控制 在车削表面粗糙度规定十分均匀变径表面，如端面、圆锥面及任意曲线构成旋转面时，车刀刀尖处切削速度（线速度）必要随着刀尖所处直径不同位置而相应自动调节变化。该功能由G96指令控制其主轴转速按所规定恒线速度值运营，如G96 S200 表达其恒线速度值为200m/min。当需要恢复恒定转速时，可用G97指令对其注销，如G97 S1200r/min。最高转速控制 当采用G96指令加工变径表面时 ，由于刀尖所处直径在不断变化，当刀尖接近工件轴线（中心）位置时，因其直径接近零，线速度又规定为恒定值，主轴转速将会急剧升高。为防止因主轴转速过高而发生事故，该系统则规定可用G50指令限定其恒线速运动中最高转速，如G50 S。 1.4 多坐标控制功能 控制系统可以控制坐标轴数目指是数控系统最多可以控制多少个坐标轴，其中涉及平动轴和回转轴。基本平动坐标轴是X、Y、Z轴；基本回转坐标轴是A、B、C轴。联动轴数是指数控系统按照加工规定可以控制同步运动坐标轴数目。如某型号数控机床具备X、Y、Z三个坐标轴运动方向，而数控系统只能同步控制两个坐标（XY、YZ或XZ）方向运动，则该机床控制轴数为3轴（称为三轴控制），而联动轴数为2轴（称为两联动）。控制功能是指CNC装置可以控制以及可以同步控制轴数。控制功能是数控装置重要性能指标之一。控制轴有移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。控制轴数越多，特别是同步控制轴数越多，CNC装置功能越强，同步CNC装置就越复杂，编制零件加工程序也就越困难。 1.5 固定循环切削功能 用数控车床加工零件，某些典型加工工序，如车削外圆、端面、圆锥面、镗孔、车螺纹等，所需完毕动作循环十分典型，将这些典型动作预先编好程序并存储在存储器中，用G代码进行指令。固定循环中G代码指令动作程序要比普通G代码所指令动作要多得多，因而使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。FANUC数控系统具备如下某些循环切削功能。（1）单一固定循环 涉及车削外圆、端面矩形循环和圆锥面固定循环。（2）多重复合循环 多重复合循环形式诸多，该系统有如下某些循环功能。外圆、端面粗车循环 这两种循环均针对成组轮廓粗车而设立，进给路线也不同于单一矩形或锥形，编程也比较复杂，其办法是在已编好精车加工路线程序段之后，将关于精车余量、每次进给切削深度和退刀量等参数设定后，就可实现其粗车循环。固定形状粗车循环 这种循环加工特点是，每次循环进给路线形式（由精车路线提供）均固定不变，只变化其循环起点位置。该循环功能合用于已通过锻造或模锻等基本形成坯件粗车。精车复合循环 该循环加工特点与固定形状粗车循环相仿，但因合用于经粗车后精车，故不需设定x和z轴方向总退刀量及循环次数等参数，而仅需指定精车路线中各程序段第一条和最后一条程序段顺序号即可。外圆、车槽复合循环 该功能有于断续车削外圆或车外沟槽。例如用刀宽较小车槽刀断续车削z向尺寸较宽矩形外沟槽时，就可采用该循环功能。 端面、钻孔复合循环 这种循环功能用断续切削端面及钻孔，以利于刀具冷却或排屑。 插补、辅助、刀具功能及补偿功能1.6 其她功能刀具功能 刀具功能是用来选取刀具，用地址T和它后续数值表达。刀具功能普通要和辅助功能一起使用。补偿功能 加工过程中由于刀具磨损或更换刀具，以及机械传动中丝杠螺距误差和反向间隙，将使实际加工出零件尺寸与程序规定尺寸不一致，导致加工误差。因而数控车床CNC装置设计了补偿功能，它可以把刀具磨损、刀具半径补偿量、丝杠螺距误差和反向间隙误差补偿量输入到CNC装置存储器，它就按补偿量重新计算刀具运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合规定零件。 自动返回参照点功能 该系统规定有刀具从当前位置迅速返回至参照点位置功能，其指令为G28。该功能既合用于单坐标轴返回，又合用于x和z两个坐标轴同步返回。螺纹车削功能 该功能可控制完毕各种等螺距（米制或英制）螺纹加工，如圆柱（右、左旋）、圆锥及端面螺纹等。插补功能 CNC装置是通过软件进行插补计算，持续控制时实时性很强，计算速度很难满足数控机床对进给速度和辨别率规定。因而实际CNC装置插补功能被分为粗插补和精插补。 进行轮廓加工零件形状，大某些是直线和圆弧构成，有是由更复杂曲线构成，因而有直线插补、圆弧插补、抛物线插补、极坐标插补、螺旋线插补、样条曲线插补等。 实现插补运算办法有逐点比较法和数字积分法等。通信功能 普通具备RS232C接口，有还备有DNC接口。当前某些数控机床还具备网卡，可以接入互联网。字符显示功能CNC装置可以配备单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可以显示加工程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、零件图形、动态刀具运动轨迹等。在线编程功能 此功能可以在数控加工过程中进行，因而不占用机时。在线编程时使用自动编程软件有：人机交互式自动编程系统、APT语言编程系统、蓝图直接编程系统等。 自诊断功能 CNC装置中设立了各种诊断程序，可以防止故障发生或扩大。在故障浮现后可迅速查明故障类型及部位，减少因故障而导致停机时间。三、数控机床变频调速系统金属切削车床种类诸多，重要有车床、磨床、铣床和刨床等。金属切削机床基本运动是切削运动，即工件与刀具之间相对运动。切削运动重要由主运动和进给运动构成。 金属切削机床主运动都规定调速，并且调速范畴往往较大。但主运动调速普通都在停机状况下进行，在切削过程种是不进行调速。3.1主运动负载性质及对主拖动系统规定变频调速系统框图1）主运动负载性质a. 高速段在高速段，受刀具耐用限度和机床床身机械强度限制，速度越高，容许进刀量越小。即在高速段，转速越高，负载转矩越小，但切削功率保持相似，属于恒功率区b. 低速段在刀具耐用限度一定状况下，容许进刀量与切削速度成反比。但进刀量又受到刀具和工件强度等因素限制。事实上任何机床在低速段进刀量都是一定。因而，低速段最大切削力并无变化，其负载转矩是 相似，属于恒转矩调速范畴。2)主运动对主拖动系统规定a.车床主轴带动工件旋转运动是普通车床主运动，带动主轴旋转拖到系统为主拖动系统。由于切削螺纹需要，规定主拖动系统可以正反转。 b.车床进给运动是刀架作横向或纵向直线运动。由于在切削螺纹时，刀架移动速度必要和工件旋转速度相配合，因而大多数中小型车床进给运动普通是有主电动机经进给传动链而拖动。3.2.变频调速系统设计方案1)变频器容量选取考虑到车床在低速车削毛坯时，经常浮现较大过载现象，且过载时间有也许超过1min。因而，变频器容量应比正常配用电动机容量加大一档。2)变频器控制方式选取在通用变频器中，在控制方式方面，有些低档变频器也许只具备恒U/f控制，而不具备高性能矢量控制或直接转矩控制。因而在选取变频器时，必要要关注这个参数。对于车床切削系统，除了在车削毛坯时负载大小有较大变化外，后来切削过程中，负载变化普通是很小。因而，普通而言选取恒U/f控制方式是可以满足规定。但由于恒U/f控制存在低速区转矩局限性却缺陷，在低速切削时，效果也许不尽人意。而矢量控制已经可以做到在低速时转矩充分，运营稳定，并且由于实现了无速度传感器矢量控制，不需要额外增长硬件成本，虽然变频器价格要高些，但综合来说无传感器矢量控制是一种最佳选取。当前具备直接转矩控制方式变频器还不多见。选好了变频器容量和控制方式，然后选取一种口碑好品牌，变频器基本就拟定了 。3.3.变频调速系统控制系统及其工作过程变频调速系统控制电路1)控制电路该系统选用三菱FR-A500系列变频器，采用普通继电器实现逻辑控制。主电动机可以正反转运营，速度有低、中、高三档，并具备点动微调功能。2) 继电器控制电路上图中4-9区为继电器控制电路。图中，电动机正反转和停止分别有按钮开关SB4、SB5、SB3控制。点动运营由按钮SB6控制。按钮SB1、SB2控制变频器上电、失电。KA1 、KA2 、KA3分别为控制电动机正转、反转、点动运营中间继电器。KA4为变频器故障报警中间继电器。不难看出，电动机正转、反转运转只有在变频器接通电源后才干进行；变频器只有在正反转都不工作时才干切断电源；一旦发生故障报警，设备必要重新上电，才干解除故障自锁。3) 变频器接线图中1-3区为变频器接线图。STF 、STR分别为变频器正转、反转控制端。RL、RM、RH 、JOJ为变频器数字量控制端，其功能可设定。在此RL、RM、RH设定为固定频率给定端子，JOJ设定为点动运营控制端子。A、C为变频器故障总报警输出端子，为继电器输出类型。变频调速系统控制电路如下图所：4）变频器参数设立变频器参数设定参数功能参数号设定值设定功能3段速设定Pr.450 Hz高速3段速设定Pr.530 Hz中速3段速设定Pr.610 Hz低速点动频率Pr.155 Hz操作模式选取Pr.792启动有外部端子控制电动机容量Pr.804.5Kw选取矢量控制模式电动机极数Pr.814选取矢量控制模式电动机额定电流Pr.99.42A选取矢量控制模式电动机额定电压Pr.83380V选取矢量控制模式电动机额定频率Pr.8450Hz选取矢量控制模式 电动机类型选取Pr.713原则电动机参数在线自动调节选取Pr.951选取在线自动调节参数自动调节Pr.96101为了实现车床低、中、高三档速度，该系统将RL、RM、RH这三个功能可选开关量输入端子分别作为低、高速度给定端，由于是出厂设定功能，因而无需另设。每档速度可由有关参数指定。为了实现预期各档速度，每次只能让盼望速度档控制开关闭合有效，而其她两个控制开关应断开无效若两个档位控制开关同步有效话，速度将是有效两档速度和。为了实现低速大转矩输出，该系统选用三菱变频器矢量控制方式。有关参数设定项涉及：使矢量控制方式生效：提供矢量控制所需要电动机参数，茹电动机额定电压、额定电流等，用于变频器自动测定电动机各项参数（如定子电阻转子电阻等）；设定参数自测定方式。其她参数均采用出厂设定值。总结参照文献1小孙学变频；2 四川 岳成伟，张文彬；变频器基本知识集（下）；3 燕宾.SPWM变频调速应用技术M，机械工业出版社，2月。；4 曾毅,王效良,吴皓,等.调速控制系统设计与维护M.山东科学技术出版社,5月结语岁月飞逝！转瞬间已毕业在即。我也已经在学校最后岁月里完毕了最后一份作业毕业设计，其过程是艰辛，上课期间诸多知识点没有学好，需要重新查阅资料，但成果是令人欣慰，在完毕毕业设计过程中也补充了许多课堂上没学号和没有讲到知识。也使我理解到课堂上学习远远不够。如今社会形势不断变化，科技飞速发展，咱们只有不断补充新知识才干保持在科技前沿，才不至于被现今社会科技裁减。在本次设计中，我还意识到了理论知识重要性，理论用来指引实践，如果咱们理论掌握好话，在实践中咱们才干更好融会贯通，进而更好应用到工作中去。做毕业设计期间在教师指引和同窗协助下，完毕了精密数控车床变频调速系统设计，依照设计规定，设计了原理图。依照电气元件参数设定，来拟定各元器件选取。依照设计规定及强电控制线路和控制规定，编写了相应程序。即将踏入社会，毕业设计也为我大学生活叫上了满意大卷。后来一切都将不同样了，我会继续发扬在学校里认真学习精神，迅速融入到社会这所大学锻炼自己，争取早日成为行业中流砥柱，社会栋梁之材。