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13第一章绪论1课题背景数控技术被广泛用于世界各国制造业，以提高制造能力和生产水平，提高对动态多变市场的竞争力和适应力。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控立车是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴控制是数控立车构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。机床主轴控制从手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，从有触点的继电－接触器控制系统发展到以计算机为核心的软件控制系统，机床主轴控制技术是随着元器件的不断更新和计算机技术的发展，并且综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等先进科技成果而迅速发展起来的。2数控立车主轴控制装置的发展现状数控机床的主轴控制装置主要是由控制系统和调速装置这两大部分组成。数控机床是制造装备的装备，被称为“工作母机”；数控系统是数控机床的“大脑”，是数控机床的核心,机床的各种功能都由数控系统来控制实现。随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了本质性的变革，所有工业发达国家都投入巨资，对现代制造技术进行研究、开发，并提出了新的制造模式。在现代制造系统中，关键技术是数控技术，它将计算机、微电子、自动检测、信息处理、自动控制等高新技术集成于一体，具有高效率、高精度、柔性自动化等特点。对制造业实现柔性自动化、智能化、集成化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生重大性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超小型化、超薄型；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、神经网络、模糊控制等多学科技术，数控系统实现了高精、高效、高速控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理]1[。近几年来，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，为交流调速技术的发展创造了有利条件,使交流电动机调速和控制提高到了一个新的水平。并且国内外都十分重视开发研究交流电动机的调速技术。大功率交流传动控制方面的研究，得到突飞猛进的发展。近来来，国际上又推出谐振式逆变器，使开关元件在零电流或零电压时导通或者关断，降低开头损耗，减小回路体积。这种电源最大已达到100KW。由于直流调速具有优越性的可控性能,及高性能调速特性,因此其广泛地应用于机床主轴，尤其在大型、重型机床主轴的拖动。直流调速具有调速平滑,方便,易于在大范围内平滑调速,过载能力大,能受频繁的冲击负载,可实现频繁无级快速起制动和反转。能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。所以,直流调速系统至今仍被广泛用于自动控制要求较高的各种生产部门,是调速系统的主要形式]2[。3课题研究的主要内容本课题要求设计数控立车主轴控制装置，来实现主轴速度的精确控制。主轴控制设有手动和自动（程序实现）两种控制方式。手动操作设有主轴正反转的启动、停止、点动、长动。并设有急停按钮。主轴的转速控制，采用直流调速装置与PLC相配合。在600—3000r/min范围内连续可调。绘出了控制电源原理图，调速装置连接原理图，可编程控制器接口原理图，操作面板接线图等。第二章数控立车主轴控制装置硬件设计数控立车的主轴控制中，主要是主轴电机速度的控制方式，控制电机速度的变化有多的方式，下面说明两种常用的调速方案，并将其进行对比，则其优，作为本次设计的调速方案。2.1方案选择1方案二交流调速交流电动机变压变频调速系统中所配备的静止式变压变频主要由主电路和控制回路两部分组成。对于异步电动机来说目前工业生产中所使用的变频器可分为交—直—交电压源型SPWM变频器和交—直—交电流源型SPWM变频器两种，而工业中应用最多、最广泛的变频器是交—直—交电压源型SPWM变频器。其主电路用不可控整流、用SPWM逆变器，其输出电压波形接近正弦波。如图2-1所示变频器主电路中的中间直流环节是采用大电容滤波，。由于采用了SPWM控制，因而使其输出电压波形接近于正弦波型。电压源型变压变频调速系统主电路有两个功率变换环节构成，及整流桥和逆变桥，整流桥是由二极管组成的三相桥式不可控电路。调压与调频通过逆变器来完成，其给定值来源于同一个给定环节。图2-1电压源型变频器主电路及SPWM控制框图该系统用SPWM控制技术实现变压变频控制，通过改变IGBT的占空比（脉冲宽度）来控制交流电压逆变器输出的大小，从而改变电机转速。而输出频率通过控制逆变桥的工作周期就可以实现。交流调速，价格低，维护简单，维护成本低。交流变频调速就可以了，已经得到迅猛的发展其应用范围越来越广泛]3[。2方案二直流调速随着计算机技术快速发展，数字控制系统在逐渐地取代过去的模拟控制系统。带有微型计算机的全数字直流调速装置中,在不改变硬件，或者改动很少的情况下,依靠软件支持,就可以方便地实现各种调节和控制功能，所以，通用全数字直流调速装置的应用灵活性和可靠性就明显优于模拟控制系统。目前，以德国SIEMENS公司的6RA70系列通用全数字直流调速装置在中国的应用最为广泛。直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速]4[。直流调速装置采用德国SIEMENS的6RA70直流调速装置来控制直流电机调速，而调速方式又分为改变电枢端电压调速和改变磁通调速。直流电动机采用他励励磁方式。他励直流电动机电路原理图如图2-2所示，图中电枢回路串接附加电阻Rad，电枢内阻Ra，此时电枢回路总电阻adfadRRR.图2-2他励直流电动机电路原理图由图2-2可知，直流电动机的电压平衡方程式为aaRIEU（2-1）式中U为电源电压，单位V；R是电枢回路总电阻，单位。由电压平衡方程式和感应电动势公式，就可以得到直流电动机的转速特性eaeaCRI-UKRI-Un有电磁转矩方程式TemaKTI带入转速特性方程，即得到机械特性方程式emteeR-CUnTCC（2-2）由电压平衡方程式（2-1）可知-UEa(adaRR)aI=（U-aadIR）-aaIR=aaaIR-U(2-3)式中Ua=U-aadIR为电枢的端电压。当aI=0或adR=0时，Ua=U由式（2-3）和电动势公式nCEea，可得转速公式]5[eaaaCIRUn（2-4）根据转速公式（2-4），改变电枢端电压调速是保持磁通不变，改变电动机的电枢电压U，则理想空载转速n随电枢电压而变化，而机械特性斜率保持不变；改变磁通调速就是保持电枢电压U不变，减弱磁通则理想空载转速n随着磁通的减弱而增加，同时机械特性的斜率也增加。2.2方案选择本设计是设计重型立车的主轴控制装置，工作台负载上限250t，主轴带动工作台工作，而工作台的速度范围大概在10~60r/min,对应电动机转速600~3000r/min，低速大转矩，要求高精度，速度控制精确；由于在加工时零件重量不定，需要具有一定的过负载能力。根据两种方案的优缺点比较，选择第二种直流调速方案。本设计选用德国SIEMENS公司的6RA70直流调速装置，可实现调压电枢电压和磁通配合调速。在额定功率以下，通过改变直流电机的电枢电压来改变电机的速度；额定功率以上用弱磁调速；交流电源进入6RA70后整流出直流，电机电压和励磁电压是分开进入6RA70，经过整流变压后进入直流电机和励磁。并且6RA70内部即可实现大部分数控机床所进行的操作。直流电机调速中电枢电压调速比较普遍，最大的优点不会像交流调速那样产生逆变磁场对外围发出干扰。直流电机能量密度大，调速容易且调速范围宽，力矩大，过载能力非常好，机械特性硬。直流调速精度高，效率也高，节能效果也好，但是需要定期维护]6[。2.3可编程序控制器接口设计1可编程控制器的选择现在的数控机床是用数控系统（是一个集成所有数控系统元件—数字控制器、可编程控制器、人机操作界面，于一体的操作面板安装形式的控制系统）来控制整个机床的运行的。数控系统中使用较普遍的有德国的SIEMENS，日本的FANUC，还有中国的华中科技。其中德国SIEMENS的数控系统性价比较高，并且其数控核心的可编程控制器应用也很普遍。数控系统SIEMENS802D是其早期研制出的数控系统，应用于各种型号机床，操作简单，功能容易实现。SIEMENS802D内部可编程控制器为SIEMENS生产的S7-200，由于本设计只是数控立车电气总设计的一部分所以不选用数控系统，而只选用其内部可编程控制器—S7-200。S7-200PLC属于S7-200/300/400家族中功能最精简、I/O点数最少、扩展性能最低的PLC产品，可以称为微型PLC系列产品。产品可以用于输入/输出点数较少的小型机械与设备的单机控制。而本设计所需输入输出点数并不是很多，不需要扩展，所以选用S7-200.能够满足本设计。新系列S7-200的性能有如下提高：1CPU的运算速度提高了40%；2增加了CPU诊断状态指示；3增加了存储器卡扩展功能；4增加了在线编程功能；5脉冲输出指令增加了线性（斜坡）给定功能；6提高了PID调节、参数自动整定功能；7增加了数据记录功能，可以实时记录PLC的运行状态信息（此功能需要存储卡的支持）]7[；S7-200.PLC包括了CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226五种规格，其中CPU221为整体式固定I/O型结构，PLC的I/O点数固定为6/4点，处理器、存储器、电源、输入输出接口、通信接口都安在模块上，I/O点数不能改变，且无I/O扩展模块接口。其余四种型号均可加扩展结构。表1.S7-200PLC各种型号的电源与集成I/O规格项目AC、DC电源型CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226CPU集成输入点68141424输入信号电压DC24V，允许范围DC15V—30V输入信号电流4mA/DC24VCPU集成输出点46101016输出类型继电器输出输出电压AC：5—250V；DC：5—30V最大输出电流2A/点；公共端10A用户程序存储器容量4KB4KB8KB12KB16KB数据存储器容量2KB2KB8KB10KB10KB本设计所需输入点9个，输出点7个，所编程序不是很多，8KB足够，所以根据表格里的数据选择CPU224.输入电源采用DC24V，输出电源采用AC220V。2可编程控制器接口电路的设计及其功能PLCS7-200CPU224是14入、10出。本设计输入用9个，输出用7个。输入用按钮开关作为控制信号的给定；输出用继电器作为控制使能，继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。当PLC输出口闭合时，继电器线圈两端加上一定的电压或电流，线圈产生的磁通通过铁心、衔铁、轭铁、磁路工作气隙组成的磁路，在磁场的作用下，衔铁吸向铁心极面，从而推动触点常闭触点断开，常开触点闭合；当PLC输出口断开时，刚好相反动作，用这种方式控制另一个电路的关闭。PLC输入电源用的是DC24V，而一般工业用电为三相交流电AC380V，所以用SIEMENS的SITOP电源整流变压后供应。其输出电压24V，电流280mA。SITOP的供电电源为三相380V交流电，输出端24为输出，另一端接到直流地01上，PE则接到地线上。图2-3SIEMENS的SITOP电源接线图24V电源作为PLC的输入电源，与PLC输入端L+相连接。PLC输出端口供电电源为AC220V，也也才用了隔离。按钮SB1为起动按钮，通过直流调速装置电枢电压和励磁电压给电，来控制直流电机的启动；按钮SB2，为停止按钮，控制主轴停止运行；按钮SB3、4作为主轴正反转按钮，通过改变励磁电流的方向，控制直流电机的正转反转；按钮SB5是点动运行，点动时按照固定速度运行，此速度不可改变；按钮SB6