機(jī)床的主軸控制系統(tǒng)

1、機(jī)電傳動控制大作業(yè)說明書機(jī)床的主軸控制系統(tǒng)學(xué)生姓名何建霖學(xué)生學(xué)號09所在專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化所在班級02任課教師陳金艦職稱講師答辯時(shí)間2015 年 12 月 27 日機(jī)床的主軸控制系統(tǒng)摘要本文通過借鑒別人的機(jī)床的主軸控制系統(tǒng)來加深自己對于機(jī)電傳動控制這門課程的理解。其中有包括根據(jù)電氣元件參數(shù)的設(shè)定來確定各元件的選擇和plc控制等一些關(guān)于機(jī)電傳動的知識。正文1.1選題背景和意義在機(jī)床中，主軸是機(jī)床里的一個(gè)非常重的部分，對于它的控制的好壞一定程度上反應(yīng)一個(gè)機(jī)床的控制柔性的程度。主軸驅(qū)動系統(tǒng)控制數(shù)控車床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，為車床主軸提供驅(qū)動功率以及所需的切削力。目前在數(shù)控車床中，主軸驅(qū)動常使用交流

2、電動機(jī)，直流電動機(jī)已逐漸被淘汰，由于受永磁體的限制，交流同步電動機(jī)功率做得很大時(shí)，電動機(jī)成本太高。因此目前在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動中，均采用籠型異步電動機(jī)。為了獲得良好的主軸特性，設(shè)計(jì)中采用矢量變頻控制的交流主軸電動機(jī)，矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，后者具有更高的速度控制精度，在數(shù)控車床中無速度傳感器的矢量變頻器已符合控制要求近年來，PLC在工業(yè)自動控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣，它在控制性能、組機(jī)周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢是其它工控產(chǎn)品難以比擬的。隨著PLC技術(shù)的發(fā) 展, 它在位置控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用也越來越多。1.2數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動系統(tǒng)的要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)也叫

3、主傳動系統(tǒng)，是在系統(tǒng)中完成主運(yùn)動的動力裝置部分。主軸驅(qū)動系統(tǒng)通過該傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合進(jìn)給運(yùn)動，加工出理想的零件。它是零件加工的成型運(yùn)動之一，它的精度對零件的加工精度有較大的影響。機(jī)床的主軸驅(qū)動和進(jìn)給驅(qū)動有較大的差別。機(jī)床主軸的工作運(yùn)動通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，不像進(jìn)給驅(qū)動需要絲杠或其它直線運(yùn)動裝置作往復(fù)運(yùn)動。數(shù)控機(jī)床通常通過主軸的回轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸的進(jìn)給實(shí)現(xiàn)刀具與工件的快速的相對切削運(yùn)動。在20紀(jì)60-70年代，數(shù)控機(jī)床的主軸一般采用三相感應(yīng)電動機(jī)配上多級齒輪變速箱實(shí)現(xiàn)有級變速的驅(qū)動方式。隨著刀具技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、加工工藝以及生產(chǎn)效率的不斷發(fā)展，上述傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動已不

4、能滿足生產(chǎn)的需要?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對主軸傳動提除了更高的要求。（1）調(diào)速范圍寬并實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速為保證加工時(shí)選用合適的切削用量，以獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。特別對于具有自動換刀功能的數(shù)控加工中心，為適應(yīng)各種刀具、工序和各種材料的加工要求，對主軸的調(diào)速范圍要求更高，要求主軸能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令自動實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，并減少中間傳動環(huán)節(jié)，簡化主軸箱。目前主軸驅(qū)動裝置的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍已可達(dá)1100，恒功率調(diào)速范圍也可達(dá)130，一般過載1.5倍時(shí)可持續(xù)工作達(dá)到30min。主軸變速分為有級變速、無級變速和分段無級變速三種形式，其中有級變速僅用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床均采用無級變速

5、或分段無級變速。在無級變速中，變頻調(diào)速主軸一般用于普及型數(shù)控機(jī)床，交流伺服主軸則用于中、高檔數(shù)控機(jī)床。（2）恒功率范圍要寬主軸在全速范圍內(nèi)均能提供切削所需功率，并盡可能在全速范圍內(nèi)提供主軸電動機(jī)的最大功率。由于主軸電動機(jī)與驅(qū)動裝置的限制，主軸在低速段均為恒轉(zhuǎn)矩輸出。為滿足數(shù)控機(jī)床低速、強(qiáng)力切削的需要，常采用分級無級變速的方法（即在低速段采用機(jī)械減速裝置），以擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩。（3）具有四象限驅(qū)動能力要求主軸在正、反向轉(zhuǎn)動時(shí)均可進(jìn)行自動加、減速控制，并且加、減速時(shí)間要短。目前一般伺服主軸可以在1秒內(nèi)從靜止加速到6000r/min。（4）具有位置控制能力即進(jìn)給功能（C軸功能）和定向功能（準(zhǔn)停功能），以

6、滿足加工中心自動換刀、剛性攻絲、螺紋切削以及車削中心的某些加工工藝的需要。（5）具有較高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高與主軸系統(tǒng)的精度密切相關(guān)。為了提高傳動件的制造精度與剛度，采用齒輪傳動時(shí)齒輪齒面應(yīng)采用高頻感應(yīng)加熱淬火工藝以增加耐磨性。最后一級一般用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)。采用帶傳動時(shí)應(yīng)采用齒型帶。應(yīng)采用精度高的軸承及合理的支撐跨距，以提高主軸的組件的剛性。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，應(yīng)適當(dāng)增加齒輪寬度，提高齒輪的重疊系數(shù)。變速滑移齒輪一般都用花鍵傳動，采用內(nèi)徑定心。側(cè)面定心的花鍵對降低噪聲更為有利，因?yàn)檫@種定心方式傳動間隙小，接觸面大，但加工需要專門的刀具和花鍵磨床。2.元

7、件的選擇 （1）接觸器接觸器是一種用來頻繁地接通和分?jǐn)鄮в胸?fù)載的主電路的自動控制電器。接觸器由電磁機(jī)構(gòu)、觸點(diǎn)系統(tǒng)、滅弧裝置及其他部件四部分組成。其中電磁機(jī)構(gòu)由線圈、動鐵心和靜鐵心組成；觸點(diǎn)系統(tǒng)包括三對觸點(diǎn)、輔助觸點(diǎn)。工作原理是當(dāng)線圈通電后，鐵心產(chǎn)生電磁吸力將銜鐵吸合。銜鐵帶動觸點(diǎn)系統(tǒng)動作，使常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合。當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁吸力消失，銜鐵在反作用彈簧力的作用下釋放，觸電系統(tǒng)隨之復(fù)位。選擇交流接觸器時(shí)主要考慮主觸點(diǎn)的額定電壓、額定電流、輔助觸點(diǎn)的數(shù)量與種類、吸引線圈的電壓等級、操作頻率等。 （2）繼電器 繼電器是一種根據(jù)電量參數(shù)（電壓、電流）或非電量參數(shù)（時(shí)間、溫度、壓力等）的變化自

8、動接通或斷開控制電路，以完成控制或保護(hù)任務(wù)的電器。繼電器用途廣泛，種類繁多。按反應(yīng)的參數(shù)可分為電流繼電器、電壓繼電器、時(shí)間繼電器、熱繼電器和速度繼電器等；按動作原理可分為電磁式、電動式、電子式等。（3）直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源的功能是將非穩(wěn)定交流電源變成穩(wěn)定直流電源。在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中，需要穩(wěn)壓電源給驅(qū)動器、控制單元、直流繼電器及信號指示燈等提供直流電源。在數(shù)控機(jī)床中主要使用開關(guān)電源。3. 可編程控制器PLCPLC(Programmable Logic Controller)可編程程序控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制

9、、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。PLC的工作原理是用觸點(diǎn)和線圈實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。plc設(shè)計(jì)原理是這樣的。PLC程序信號地址表表3-3 PLC程序信號地址表序號名稱信號地址序號名稱信號地址1急停X1000.411復(fù)位F1.1:4手動方式X1003.014手動方式R0.1:5電機(jī)通X1000.715主軸正轉(zhuǎn)R10.3:6電機(jī)斷X1001.016主軸反轉(zhuǎn)R10.4:7電機(jī)通Y1000.0:17主軸停R10.5;8主軸正轉(zhuǎn)Y1000.2:18急停G8.49主軸反轉(zhuǎn)Y1000.3:19

10、主軸停G29.6PLC程序功能的說明按下急停按鈕，發(fā)出急停信號X1000.4，線圈G80.4通電，第一層結(jié)束。機(jī)床準(zhǔn)備好時(shí)，線圈R0.0通電；常開觸點(diǎn)R0.0接通，線圈Y1001.6通電，正常燈亮。按下手動按鈕，常開觸點(diǎn)X1003.0接通，機(jī)床手動方式打開。機(jī)床準(zhǔn)備好，常開觸點(diǎn)R0.0接通，按下電機(jī)接通按鈕，發(fā)出電機(jī)接通信號X1000.7，線圈X1000.0通電，電機(jī)接通。 機(jī)床準(zhǔn)備好，且無任何報(bào)警信號產(chǎn)生時(shí)，電機(jī)接通，按下主軸正(反)轉(zhuǎn)按鈕，線圈X1000.2通電，主軸正(反) 轉(zhuǎn)并自鎖。譯碼指令DECT對電機(jī)通主軸正、反轉(zhuǎn)信號進(jìn)行譯碼。主軸正反轉(zhuǎn)，輸出信號R10.3（R10.4），線圈Y1

11、000.7通電，線圈G5.0通電，主軸正反轉(zhuǎn)結(jié)束,第二層結(jié)束。4.機(jī)床的直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)包括了靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)兩種。（1） 靜態(tài)指標(biāo)1. 靜差度指理想的空載轉(zhuǎn)速到額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落于理想空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的比值。s=n0-nNn0=nNn0靜差度表示生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的程度。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速的變化要能維持在一定范圍內(nèi)。我們要計(jì)算這個(gè)參數(shù)確定系統(tǒng)能正常運(yùn)行。 2. 調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械鎖要求的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的最大范圍D=nmaxnmin =vmaxvmin不同的生產(chǎn)機(jī)械要求的調(diào)速范圍各不相同，當(dāng)靜差度為一定數(shù)值的時(shí)候，車床D=20120，鉆床D=212，銑床D=2030,軋鋼機(jī)D=31

12、5，造紙機(jī)D=1020，機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)D=530000，等等3. 調(diào)速系統(tǒng)的平滑性對電動機(jī)而言，往往不能同時(shí)滿足靜差度小和調(diào)速范圍大的要求。由于低速下的靜差度大于高速下的靜差度，因此應(yīng)取最低速度下的靜差度。下式表示最高速度、最低速度、靜態(tài)速降和靜差度四者之間的關(guān)系。D=nmaxnmin=nmaxn02-nN=nmaxn02（1-nen02）=nmaxsnN（1-S）通常，最高速度nmax和靜態(tài)速降nN由系統(tǒng)中所用電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)這兩個(gè)量確定后，如果要求靜差度S小，則調(diào)速范圍D大，則靜差度S必然大。調(diào)速系統(tǒng)往往可以解決這一矛盾，從而滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。（2） 動態(tài)指標(biāo)1.超調(diào)量 定

13、義為Mp=nmax-n2n2100%Mp太大，達(dá)不到生產(chǎn)工藝上的要求，Mp太小，則會使過度過程過于緩慢，不利于生產(chǎn)率的提高。一般Mp為10%35%。2過度過程時(shí)間 從輸入控制(或擾動)作用于系統(tǒng)直到被調(diào)量n進(jìn)入（0.050.02） n2穩(wěn)定值區(qū)間時(shí)為止（并且以后不再越出這個(gè)范圍）的一段時(shí)間，稱為過渡時(shí)間。3.震蕩次數(shù) 在過度過程時(shí)間內(nèi)，被調(diào)量n在其穩(wěn)定值上下擺動次數(shù)稱為震蕩次數(shù)。 上述三個(gè)指標(biāo)是衡量一個(gè)自動調(diào)速系統(tǒng)過度過程的好壞的主要指標(biāo)。不同的生產(chǎn)機(jī)械對動態(tài)指標(biāo)的要求不盡相同。 (3)微型計(jì)算機(jī)控制的直流傳動系統(tǒng) 1. 采用美國INTER公司推出的16位單片機(jī)8089小系統(tǒng)完成數(shù)字觸發(fā)器的功能，使硬件電路軟件化，克服了硬件電路存在的是票和溫漂，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和工作可靠性，還利用8089小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示和故障類型的數(shù)顯功能，智能數(shù)顯功能強(qiáng)，數(shù)字準(zhǔn)確，便于直觀觀察，便于工人操作和維修。2. 保留傳統(tǒng)的速度、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。速度調(diào)節(jié)器采用PID控制，電流調(diào)節(jié)器采用PI控制，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用進(jìn)口的低漂移運(yùn)算放大器，系統(tǒng)調(diào)劑快，動態(tài)性能好，調(diào)速范圍廣。3. 采用瑞士生產(chǎn)的電流傳感器LEM模塊，它體積小，線性度好，失真度小，提高了反饋信號的質(zhì)量，增強(qiáng)了調(diào)節(jié)