數(shù)控車床的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 削力的切向分力大約在2500左右，切削速度取90—250r/min，則知道 PC=2500120/60000=5kwP==考慮到空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動(dòng)件在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的摩損功耗，傳動(dòng)件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動(dòng)載荷的摩擦損耗等。CK6140數(shù)控車床床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國(guó)內(nèi)外同類機(jī)床的電動(dòng)機(jī)功率，考慮到數(shù)控機(jī)床變速范圍比較大，選用交流變頻電動(dòng)機(jī)TLD12YVP112，額定轉(zhuǎn)矩60N?m 。主軸系統(tǒng)主要由主軸驅(qū)動(dòng)裝置及主軸電動(dòng)機(jī)組成。FANUC 0i Mate數(shù)控裝置提供了模擬主軸和串行主軸接口供用戶選擇。當(dāng)用戶選擇模擬主軸時(shí)，一般選用通用變頻器作為主軸驅(qū)動(dòng)裝置；當(dāng)用戶選擇串行主軸時(shí)，F(xiàn)ANUC 0i Mate數(shù)控系統(tǒng)提供了SPM系列專用主軸驅(qū)動(dòng)裝置。 本機(jī)床采用通用變頻器作為主軸驅(qū)動(dòng)裝置。（1）變頻器的工作原理：變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。（2）變頻器的調(diào)速：基于調(diào)速方便、節(jié)能、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，變頻調(diào)速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速方式。在推出PWM磁通矢量控制的變頻器數(shù)年后，1998年末又出現(xiàn)采用DTC控制技術(shù)的變頻器。ABB公司的ACS600系列是第一代采用DTC技術(shù)的變頻器，它能夠用開環(huán)方式對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制，而且動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)已優(yōu)于PWM閉環(huán)控制指標(biāo)。直接轉(zhuǎn)矩控制以測(cè)量電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入。該模型每隔25μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進(jìn)行比較，以確定最佳開關(guān)位置。由此可以看出它是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通的測(cè)量，即刻調(diào)整逆變電路的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達(dá)到精確控制的目的。本機(jī)床采用通用FANUC通用變頻器作為主軸驅(qū)動(dòng)裝置。FANUC通用變頻器各端子功能如圖3－1所示。圖31 FANUC通用變頻器接線端子說(shuō)明變頻器控制端子說(shuō)明： STF：正轉(zhuǎn)啟動(dòng)。當(dāng)STF信號(hào)ON時(shí)為正轉(zhuǎn)，OFF時(shí)為停止指令。 STR：反轉(zhuǎn)啟動(dòng)。當(dāng)STR信號(hào)ON時(shí)為反轉(zhuǎn)，OFF時(shí)為停止指令。 RH、RM、RL：多段數(shù)選擇。可根據(jù)端子RH、RM、RL信號(hào)的短路組合，進(jìn)行多段速度的選擇。根據(jù)輸入端子功能的選擇（—）可改變端子的功能。SD：接點(diǎn)（端子STF、STR、RH、RM、RL）輸入的公共端子。10：頻率設(shè)定用電源，DC5V，允許負(fù)荷電流為10mA。2：頻率設(shè)定（電壓信號(hào)）。輸入DC0~5V（0~10V）時(shí)，輸出成比例：輸入5V（10V）時(shí)，輸出為最高頻率。5V/“0—5V，0—10V選擇”進(jìn)行。5：頻率設(shè)定公共輸入端。如圖32所示，采用三相交流380V電源供電；速度指令由0、L腳輸入(在數(shù)控車床上一般由數(shù)控裝置或PLC的模擬量輸出接口輸入)，指令電壓范圍是010V；主軸電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)/停止以及旋轉(zhuǎn)方向由繼電器KAKA2控制，當(dāng)KA1閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)KA2閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，若KAKA2同時(shí)都斷開或閉合則電動(dòng)機(jī)停止，也可以定義為KA1控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，KA2控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。變頻器根據(jù)輸入的速度指令和運(yùn)行狀態(tài)指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電壓，控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。圖32變頻器主軸伺服驅(qū)動(dòng)圖第四章CK6140數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床的樞紐，其性能是影響數(shù)控機(jī)床精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與機(jī)床進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分組成。對(duì)于數(shù)控機(jī)床伺服控制系統(tǒng)，按其反饋信號(hào)的有無(wú)，分為開環(huán)和閉環(huán)兩種位置控制方式。位置控制系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動(dòng)器中的位置控制模塊、速度控制模塊、位置檢測(cè)及反饋控制等各部分組成。開環(huán)位置控制不需要位置檢測(cè)及反饋，閉環(huán)位置控制需要位置檢測(cè)及反饋。位置控制反饋能夠精確地控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，快速而準(zhǔn)確地跟蹤指令運(yùn)動(dòng)。根據(jù)其位置檢測(cè)信號(hào)所取的位置不同，它又分為半閉環(huán)與全閉環(huán)兩種。所謂半閉環(huán)控制系統(tǒng)即采取的反饋檢測(cè)元件是與伺服電機(jī)同軸連接地旋轉(zhuǎn)編碼器，其直接與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子后部相連接，與伺服電機(jī)構(gòu)成一體。因?yàn)榫幋a器不能直接反映機(jī)床各個(gè)進(jìn)給軸的實(shí)際位置，而是反映電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)。此種控制方式的機(jī)床其機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分（如傳動(dòng)絲杠和工作臺(tái)）的機(jī)械誤差沒有因反饋而獲得改善。但是對(duì)于這些機(jī)械誤差，可以在CNC系統(tǒng)中通過(guò)反向間隙補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償來(lái)大大減小，所以使用這種控制方式的機(jī)床也可達(dá)到很高的精度。對(duì)于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢測(cè)裝置，現(xiàn)在生產(chǎn)中多用光柵尺或磁尺作為全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置。 CK6140數(shù)控車床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的要求1．調(diào)速范圍要寬調(diào)速范圍是指進(jìn)給電動(dòng)機(jī)提供的最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速之比，即。在各種數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中，由于加工用刀具、被加工材料、主軸轉(zhuǎn)速以及零件加工工藝要求不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o(wú)級(jí)調(diào)速范圍（通常大于1：10000），尤其在低速（）時(shí)，要仍能平滑運(yùn)動(dòng)而無(wú)爬行現(xiàn)象，2．定位精度高使數(shù)控機(jī)床加工零件主要是為了保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性，減少?gòu)U品率；就決復(fù)雜曲面零件的加工問(wèn)題；解決復(fù)雜零件的加工精度問(wèn)題，縮短制造周期等。因此，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達(dá)到較高的定位精度，以保證機(jī)床具有較小的定位誤差與重復(fù)定位誤差（，），同時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要有較好的動(dòng)態(tài)性能，以保證機(jī)床具有較高的輪廓跟隨精度。3．有足夠的傳動(dòng)剛性和較高的速度穩(wěn)定性4．快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，以縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，減小輪廓過(guò)渡誤差。5．低速大扭矩，過(guò)載能力強(qiáng)一般來(lái)說(shuō)，在短時(shí)間內(nèi)可以過(guò)載46倍而不損壞。6．可靠性高要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高，工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾能力。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的選型與控制原理進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由各軸進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置及其伺服電動(dòng)機(jī)組成。伺服驅(qū)動(dòng)裝置接受從主控制單元發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電電動(dòng)機(jī)，從而通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)精確的工作進(jìn)給和快速移動(dòng)。 FANUC的α系列伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要分為SVM、SVM—HV兩種，其中SVM型的一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置最多可帶三個(gè)伺服軸，而SVM—HV型的一個(gè)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)裝置最多可帶兩個(gè)伺服軸。而且根據(jù)不同的CNC裝置使用不同的接口類型。FANUC伺服驅(qū)動(dòng)裝置的型號(hào)參數(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的型號(hào)參數(shù)如下所示。 SVM口口／口／口 口 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ①型號(hào) ②軸數(shù)，1：1軸伺服；2：2軸伺服；3：3軸伺服 ③第一軸最大電流； ④第二軸最大電流； ⑤第三軸最大電流； ⑥輸入電壓，“無(wú)”=200V，HV=400V。 伺服電機(jī)的選型FANUC 0i MATE系統(tǒng)是高性價(jià)比高可靠性的CNC系統(tǒng)，它可以配置 FANUC 公司的、C和β系列的伺服電機(jī)、一般來(lái)說(shuō) FANUC系統(tǒng)在選擇伺服電機(jī)時(shí)要計(jì)算負(fù)載力矩、負(fù)載慣量、加速力矩和最大切削力矩等因素，在計(jì)算的過(guò)程中綜合考慮伺服電機(jī)的性能參數(shù)是否滿足各因素來(lái)確定電機(jī)型號(hào)。圖 42所示為機(jī)床水平進(jìn)給軸示意圖，機(jī)床工作臺(tái)的機(jī)械規(guī)格如表41所示。圖42 水平進(jìn)給軸示意圖表41機(jī)床主要性能規(guī)格表規(guī)格項(xiàng)目符號(hào)單位X軸絲桿直徑Dbmm40絲桿長(zhǎng)度Lbmm1000絲桿導(dǎo)程Pmm8減速比1機(jī)床加載的移動(dòng)物質(zhì)量Wkgf7000由切削力引起的反推力Fckgf100鑲條鎖緊力fgkgf50由切削力矩引起的滑動(dòng)表面上工作臺(tái)受到的力Fcfkgf30驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率η滑動(dòng)表面摩擦系數(shù)μ第五章 CK6140數(shù)控車床輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì) CK6140數(shù)控車床輔助系統(tǒng)概述刀架傳動(dòng)系統(tǒng)刀架運(yùn)動(dòng)是指實(shí)現(xiàn)刀架上刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)和刀架的開定位、定位與夾緊的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。刀架運(yùn)動(dòng)是由換刀交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。冷卻系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的冷卻系統(tǒng)主要包括用于在切削過(guò)程中的冷卻刀具和工件，同時(shí)也起沖屑作用，由冷卻泵實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)CK6140數(shù)控車床液壓系統(tǒng)主要進(jìn)行主軸變速換擋，中心跟刀架電機(jī)排屑器 刀架傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)刀具自動(dòng)交換裝置可分為兩種，即轉(zhuǎn)塔式和刀庫(kù)式。轉(zhuǎn)塔式刀具交換裝置又分為回轉(zhuǎn)刀架和轉(zhuǎn)塔頭。回轉(zhuǎn)刀架主要應(yīng)用于數(shù)控車床和數(shù)控車削加工中心，轉(zhuǎn)塔頭主要應(yīng)用于數(shù)控鉆、鏜、銑床中。刀庫(kù)式刀具交換裝置又分為刀具與主軸之間直接換刀和用機(jī)械手配合刀具庫(kù)換刀。刀庫(kù)式刀具交換裝置廣泛應(yīng)用于各類加工中心中，刀具與主軸之間直接換刀與用機(jī)械手配合刀具庫(kù)換刀其主要區(qū)分在于刀庫(kù)的容量不同，用機(jī)械手配合刀具庫(kù)換刀裝置的容量較大，而刀具與主軸之間直接換刀的刀庫(kù)容量受限。它們只是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方式不同。刀庫(kù)的選擇主要根據(jù)機(jī)床加工工藝范圍和機(jī)床的特點(diǎn)，確定刀庫(kù)容量和自動(dòng)換刀裝置類型。CK6140數(shù)控車床，作為普通型數(shù)控車床根據(jù)其加工工藝選用四工位電動(dòng)刀架。刀架的轉(zhuǎn)位控制數(shù)控程序中的T指令來(lái)控制刀架的旋轉(zhuǎn)。數(shù)控車床的刀架是車床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一 定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了車床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平，所以有如下要求： (1)轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全； (2)按最短線路就近選擇，轉(zhuǎn)位時(shí)間短； (3)重復(fù)定位精度高； (4)防水、防屑，密封性能優(yōu)良； (5)夾緊剛性高，適宜重負(fù)荷切削。CK6140數(shù)控車床電動(dòng)刀架的選擇合理與否，直接關(guān)系到機(jī)床的加工效率與可靠性。因此在選型時(shí)應(yīng)進(jìn)行最優(yōu)化選擇。本機(jī)床選擇德國(guó)SAUTER公司生產(chǎn)的4工位電動(dòng)刀架有以下幾方面考慮。SAUTER刀架的精度高SAUTER刀架的定位精度為177。2μM，重復(fù)定位精度為177。（即：半徑100mm前提下，圓周上擺動(dòng)的弧長(zhǎng)值為：定位精度177。4，重復(fù)定位精度177。），其參數(shù)遠(yuǎn)低于國(guó)產(chǎn)與臺(tái)灣產(chǎn)刀塔。其精度完全可滿足加工高精度工件時(shí)的要求，有效減小了換刀動(dòng)作給工件加工所帶來(lái)的誤差。使機(jī)床可進(jìn)行高精度切削。SAUTER刀架換刀時(shí)間短SAUTER刀架換刀時(shí)間較國(guó)產(chǎn)刀塔的換刀時(shí)間有明顯優(yōu)勢(shì)，以4工位刀架為例，其兩刀位轉(zhuǎn)位角度為90度，～。如選用SAUTER刀架能有效縮短工件加工時(shí)間，提高機(jī)床加工節(jié)拍，提供用戶生產(chǎn)效率。SAUTER刀架鎖緊力矩大SAUTER刀架其鎖緊力矩可達(dá)到12000Nm，可有效提高機(jī)床加工時(shí)機(jī)床剛性和加工工件的表面光潔度。減小因刀具顫動(dòng)給加工工件所造成的影響，如工件表面的振紋。電路分析： 當(dāng)過(guò)載情況發(fā)生時(shí)，過(guò)載保護(hù)器的脫扣器脫開，切斷刀架電機(jī)電源，使刀架電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，以防止電機(jī)燒毀。正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)交流接觸器之間設(shè)計(jì)為互鎖保護(hù)，防止有兩接觸器同時(shí)吸合的情況發(fā)生。設(shè)計(jì)安裝三相滅弧器，以消除當(dāng)交流接觸器吸合與斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧，以保護(hù)交流接觸器與刀架電機(jī)。電動(dòng)刀架連接圖如圖51所示圖51 刀架正反轉(zhuǎn)電路如圖51我們可看出SAUTER電動(dòng)刀架的電路設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，在CK6140數(shù)控車床設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們注意了以下幾點(diǎn)：注意1：過(guò)載保護(hù)器又稱過(guò)電流保護(hù)器，需依各類型刀架電機(jī)做適當(dāng)?shù)碾娏髦翟O(shè)，（設(shè)定值必須嚴(yán)格按照刀塔電機(jī)外罩的標(biāo)識(shí)設(shè)置）。當(dāng)過(guò)載情況發(fā)生時(shí)，過(guò)載保護(hù)器的脫扣器