精密车床变频调速系统设计.docx

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精密车床变频调速系统设计

精密车床的变频调速系统设计

学生姓名于长城_

专业电气自动化

班级电气0902

时间2012.1～2012.3

指导教师蒋保涛

电子与电气工程系

2012年3月20日

1.3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其他功能

2数控机床的变频调速系统11

前言

当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的状

在我国对外开放进一步深化的新环境下,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。

　　装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。

数控技术的发展趋势

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面:

1、高速、高精加工技术及装备的新趋势

效率、质量是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。

从EMO2001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80m/min,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。

在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3～5μm,提高到1～1.5μm并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1μm。

为了实现高速、高精加工,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大。

2、5轴联动加工和复合加工机床快速发展

采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。

但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,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轴联动机床的发展。

当前由于电主轴的出现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。

因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床含5面加工机床的发展。

3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:

为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。

数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象数控功能,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。

目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、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的核心。

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

一、精密车床的工作原理

数控车床是一种高度自动化的机床，在加工工艺与加工表面形成方法上，与普通机床是基本相同的，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上。

精密车床是用数字化的信息来实现自动化控制的，将与加工零件有关的信息—工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数、切削加工的工艺参数、以及各种辅助操作等加工信息用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的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，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。

1.1数控车床的组成

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、伺服系统组成，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的工作指令。

在对加工零件进行工艺分析的基础上确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。

这样得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，然后用标准的文字、数字和符号组成的数控代码，编制零件加工的数控程序单。

编制程序的工作可由人工进行，或者在数控车床以外用自动编程计算机系统来完成，比较先进的数控车床，可以在数控装置上直接编程。

1.1.2输入、输出装置

存储介质上记载的加工信息需要输入装置输送给机床数控系统，机床内存中的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的接口，目前输入装置主要是有纸带阅读机、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的控制中心，人们喻为“中枢系统”。

数控装置包括输入装置，控制运算器（CPU）和输出装置等构成，如图1-3所示。

图中虚线内包含部分为数控装置。

数控装置的功能是接受控制介质上的各种信息，经过识别与译码后，送到运算控制器进行计算处理再经过输出装置将运算控制器发出的控制命令送到伺服系统，带动机床完成相应的运动。

目前均采用微型计算机作为数控装置。

微型计算机的中央处理单元（CPU）又称为微处理器，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，即所谓的I/O接口。

微型计算机拥有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，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的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。

它与普通机床相比较有所改进，具有以下特点：

（1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统，机械传动结构简化，传动链较短。

（2）机械结构具有较高的刚度，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，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构及操作机构等方面都已发生了很大的变化。

这些变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。

因此，必须建立数控机床设计的新概念。

1.1.5数控车床的进给伺服系统

数控机床的进给传动系统常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的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服系统。

机床进给伺服系统，一般由位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大部分组成。

但习惯上所说的进给伺服系统，只是指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分，而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。

数控车床对进给伺服系统的要求

为了提高数控机床的性能，对机床进给伺服系统提出了很高的要求。

由于各种数控机床所完成的加工任务不同，所以对进给伺服系统的要求也不尽相同，但大致可概括为以下几个方面：

高精度，快速响应，宽调速范围，低速大转矩，好的稳定性。

伺服系统的类型

按照伺服系统的结构特点，伺服单元或驱动器通常有四种基本结构类型：

开环、闭环、半闭环及混合闭环。

而在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控制部分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，即无位置反馈的系统，是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。

每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。

这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。

如果负荷突变（如切深突增），或者脉冲频率突变（如加速、减速），则数控运动部件将可能发生“失步”现象，从而造成进给运动的速度和行程误差。

故该类控制方式，仅限于精度不高、轻载负载变化不大的经济型中、小数控机床的进给传动。

闭环进给伺服系统

闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常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同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。

一般来说，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的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的是半闭环结构，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组成。

位置检测器装在丝杠或伺服电机端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。

常用的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的精度、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。

这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度。

其结构框图如下图所示：

1.1.6辅助装置

辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、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数控车床的位置检测装置

1.2.1位置检测装置的要求

在闭环与半闭环伺服系统中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动系统正确运转，使工作台（或刀具）按规定的轨迹和坐标移动，位置检测装置是伺服系统的重要组成部分，它对于提高数控机床加工精度起着决定性的作用，就好象起着人的眼睛和刻度盘的作用。

为此，检测元件应满足的要求是：

工作可靠，抗干扰性强；满足数控机床的精度和速度要求；维护方便；成本低。

1.2.2位置检测装置的分类

不同类弄的数控机床对于检测系统的精度与速度有不同的要求，一般来说，对于大型数控机床以满足速度要求为主，而对于中小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。

按常用检测装置的基本工作原理，其分类见下表：

1.3主轴功能

除对机床进行无级调速外，还具有同步进给控制、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，主轴的旋转与进给运动必须保持一定的同步运行关系。

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）必须严格位移一个螺距或导程。

其控制方法是通过检测主轴转数及角位移原点（起点）的元件（如主轴脉冲发生器）与数控装置相互进行脉冲信号的传递而实现的。

恒线速度控制

在车削表面粗糙度要求十分均匀的变径表面，如端面、圆锥面及任意曲线构成的旋转面时，车刀刀尖处的切削速度（线速度）必须随着刀尖所处直径的不同位置而相应自动调整变化。

该功能由G96指令控制其主轴转速按所规定的恒线速度值运行，如G96S200表示其恒线速度值为200m/min。

当需要恢复恒定转速时，可用G97指令对其注销，如G97S1200r/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。

为预防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的最高转速，如G50S2000。

1.4多坐标控制功能

控制系统可以控制坐标轴的数目指的是数控系统最多可以控制多少个坐标轴，其中包括平动轴和回转轴。

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的要求可以控制同时运动的坐标轴的数目。

如某型号的数控机床具有X、Y、Z三个坐标轴运动方向，而数控系统只能同时控制两个坐标（XY、YZ或XZ）方向的运动，则该机床的控制轴数为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装置能够控制的以及能够同时控制的轴数。

控制功能是数控装置的主要性能指标之一。

控制轴有移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。

控制轴数越多，特别是同时控制轴数越多，CNC装置的功能越强，同时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，一些典型的加工工序，如车削外圆、端面、圆锥面、镗孔、车螺纹等，所需完成的动作循环十分典型，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。

固定循环中的G代码指令的动作程序要比一般的G代码所指令的动作要多得多，因此使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。

FANUC数控系统具有以下一些循环切削功能。

（1）单一固定循环包括车削外圆、端面的矩形循环和圆锥面的固定循环。

（2）多重复合循环多重复合循环的形式很多，该系统有以下一些循环功能。

外圆、端面的粗车循环这两种循环均针对成组轮廓的粗车而设置，进给路线也不同于单一的矩形或锥形，编程也比较复杂，其方法是在已编好精车加工路线的程序段之后，将有关精车余量、每次进给的切削深度和退刀量等参数设定后，就可实现其粗车循环。

固定形状的粗车循环这种循环加工的特点是，每次循环进给的路线形式（由精车路线提供）均固定不变，只改变其循环起点的位置。

该循环功能适用于已经过铸造或模锻等基本形成的坯件粗车。

精车复合循环该循环加工的特点与固定形状的粗车循环相仿，但因适用于经粗车后的精车，故不需设定x和z轴方向的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的第一条和最后一条程序段的顺序号即可。

外圆、车槽复合循环该功能有于断续车削外圆或车外沟槽。

例如用刀宽较小的车槽刀断续车削z向尺寸较宽的矩形外沟槽时，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其他功能

刀具功能

刀具功能是用来选择刀具，用地址T和它后续的数值表示。

刀具功能一般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，以及机械传动中的丝杠螺距误差和反向间隙，将使实际加工出的零件尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。

因此数控车床CNC装置设计了补偿功能，它可以把刀具磨损、刀具半径的补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙误差的补偿量输入到CNC装置的存储器，它就按补偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。

自动返回参考点功能

该系统规定有刀具从当前位置快速返回至参考点位置功能，其指令为G28。

该功能既适用于单坐标轴返回，又适用于x和z两个坐标轴同时返回。

螺纹车削功能

该功能可控制完成各种等螺距（米制或英制）螺纹的加工，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，连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分辨率的要求。

因此实际的CNC装置插补功能被分为粗插补和精插补。

进行轮廓加工的零件的形状，大部分是直线和圆弧构成，有的是由更复杂的曲线构成，因此有直线插补、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。

实现插补运算的方法有逐点比较法和数字积分法等。

通信功能

通常具有RS232C接口，有还备有DNC接口。

现在部分数控机床还具有网卡，可以接入互联网。

字符显示功能

CNC装置可以配置单色或彩色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，因此不占用机时。

在线编程时使用的自动编程软件有：

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装置中设置了各种诊断程序，可以防止故障的发生或扩大。

在故障出现后可迅速查明故障类型及部位，减少因故障而造成的停机时间。

三、数控机床的变频调速系统

金属切削车床的种类很多，主要有车床、磨床、铣床和刨床等。

金属切削机床的基本运动是切削运动，即工件与刀具之间的相对运动。

切削运动主要由主运动和进给运动组成。

金属切削机床的主运动都要求调速，并且调速的范围往往较大。

但主运动的调速一般都在停机的情况下进行，在切削过程种是不进行调速的。

3.1．主运动的负载性质及对主拖动系统的要求

变频调速系统框图

1）主运动的负载性质

a.高速段

在高速段，受刀具耐用程度和机床床身机械强度的限制，速度越高，允许的进刀量越小。

即在高速段，转速越高，负载转矩越小，但切削功率保持相同，属于恒功率区

b.低速段

在刀具耐用程度一定的情况下，允许的进刀量与切削速度成反比。

但进刀量又受到刀具和工件的强度等因素的限制。

实际上任何机床在低速段的进刀量都是一定的。

因此，低速段的最大切削力并无变化，其负载转矩是相同的，属于恒转矩调速范围。

2）主运动对主拖动系统的要求

a.车床的主轴带动工件的旋转运动是普通车床的主运动，带动主轴旋转的拖到系统为主拖动系统。

由于切削螺纹的需要，要求主拖动系统能够正反转。

b.车床的进给运动是刀架作横向或纵向的直线运动。

由于在切削螺纹时，刀架的移动速度必须和工件的旋转速度相配合，因此大多数中小型车床的进给运动通常是有主电动机经进给传动链而拖动的。

3.2.变频调速系统的设计方案

1）变频器的容量选择

考虑到车床在低速车削毛坯时，常常出现较大的过载现象，且过载时间有可能超过1min。

因此，变频器的容量应比正常的配用电动机容量加大一档。

2）变频器控制方式的选择

在通用变频器中，在控制方式方面，有些低档变频器可能只具有恒U/f控制，而不具有高性能的矢量控制或直接转矩控制。

因此在选择变频器时，必须要关注这个参数。

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，以后的切削过程中，负载的变化通常是很小的。

因此，一般而言选择恒U/f控制方式是能够满足要求的。

但由于恒U/f控制存在低速区转矩不足的却缺点，在低速切削时，效果可能不尽人意。

而矢量控制已经能够做到在低速时转矩充足，运行稳定，而且由于实现了无速度传感器矢量控制，不需要额外增加硬件成本，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的选择。

目前具有直接转矩控制方式的变频器还不多见。

选好了变频器的容量和控制方式，然后选择一个口碑好的品牌，变频器基本就确定了。

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行，速度有低、中、高三档，并具有点动微调功能。

2）继电器控制电路

上图中的4-9区为继电器控制电路。

图中，电动机的正反转和停止分别有按钮开关SB4、SB5、SB3控制。

点动运行由按钮SB6控制。

按钮SB1、SB2控制变频器的上电、失电。

KA1、KA2、KA3分别为控制电动机正转、反转、点动运行的中间继电器。

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能进行；变频器只有在正反转都不工作时才能切断电源；一旦发生故障报警，设备必须重新上电，才能解除故障自锁。

3）变频器接线

图中1-3区为变频器接线图。

STF、STR分别为变频器的正转、反转控制端。

RL、RM、RH、JOJ为变频器的数字量控制端，其功能可设定。

在此RL、RM、RH设定为固定频率给定端子，JOJ设定为点动运行控制端子。

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）变频器参数设置

变频器的参数设定

参数功能

参数号

设定值

设定功能

3段速设定

Pr.4

50Hz

高速

3段速设定

Pr.5

30Hz

中速

3段速设定

Pr.6

10Hz

低速

点动频率

Pr.15

5Hz

操作模式选择

Pr.79

启动有外部端子控制

电动机容量

Pr.80

4.5Kw

选择矢量控制模式

电动机极数

Pr.81

选择矢量控制模式

电动机额定电流

Pr.9

9.42A

选择矢量控制模式

电动机额定电压

Pr.83

380V

选择矢量控制模式

电动机额定频率

Pr.84

50Hz

选择矢量控制模式

电动机类型选择

Pr.71

标准电动机

参数在线自动调整选择

Pr.95

选择在线自动调整

参数自动调整

Pr.96

101

为了实现车床的低、中、高三档速度，该系统将RL、RM、RH这三个功能可选的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，因此无需另设。

每档速度可由相关的参数指定。

为了实现预期的各档速度，每次只能让期望速度档控制开关闭合有效，而其他两个控制开关应断开无效若两个档位控制开关同时有效的话，速度将是有效的两档速度和。

为了实现低速大转矩输出，该系统选用三菱变频器的矢量控制方式。