机床的主轴控制系统

《机电传动控制》大作业说明书机床的主轴控制系统学生姓名何建霖学生学号2013103210209所在专业机械设计制造及其自动化所在班级02任课教师陈金舰职称讲师答辩时间2015年12月27日机床的主轴控制系统摘要本文通过借鉴别人的机床的主轴控制系统来加深自己对于机电传动控制这门课程的理解。其中有包括根据电气元件参数的设定来确定各元件的选择和plc控制等一些关于机电传动的知识。正文1.1选题背景和意义在机床中，主轴是机床里的一个非常重的部分，对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。主轴驱动系统控制数控车床主轴的旋转运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。目前在数控车床中，主轴驱动常使用交流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，由于受永磁体的限制，交流同步电动机功率做得很大时，电动机成本太高。因此目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。为了获得良好的主轴特性，设计中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。1.2数控机床对主轴驱动系统的要求主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20纪60-70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提除了更高的要求。（1）调速范围宽并实现无极调速为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1∶100，恒功率调速范围也可达1∶30，一般过载1.5倍时可持续工作达到30min。主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。（2）恒功率范围要宽主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分级无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。（3）具有四象限驱动能力要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1秒内从静止加速到6000r/min。（4）具有位置控制能力即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。（5）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。2.元件的选择（1）接触器接触器是一种用来频繁地接通和分断带有负载的主电路的自动控制电器。接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。其中电磁机构由线圈、动铁心和静铁心组成；触点系统包括三对触点、辅助触点。工作原理是当线圈通电后，铁心产生电磁吸力将衔铁吸合。衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触电系统随之复位。选择交流接触器时主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率等。（2）继电器继电器是一种根据电量参数（电压、电流）或非电量参数（时间、温度、压力等）的变化自动接通或断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。继电器用途广泛，种类繁多。按反应的参数可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等；按动作原理可分为电磁式、电动式、电子式等。（3）直流稳压电源直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器及信号指示灯等提供直流电源。在数控机床中主要使用开关电源。3.可编程控制器PLCPLC(ProgrammableLogicController)可编程程序控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC的工作原理是用触点和线圈实现逻辑运算。plc设计原理是这样的。PLC程序信号地址表表3-3PLC程序信号地址表序号名称信号地址序号名称信号地址1急停X1000.411复位F1.1:4手动方式X1003.014手动方式R0.1:5电机通X1000.715主轴正转R10.3:6电机断X1001.016主轴反转R10.4:7电机通Y1000.0:17主轴停R10.5;8主轴正转Y1000.2:18急停G8.49主轴反转Y1000.3:19主轴停G29.6PLC程序功能的说明按下急停按钮，发出急停信号X1000.4，线圈G80.4通电，第一层结束。机床准备好时，线圈R0.0通电；常开触点R0.0接通，线圈Y1001.6通电，正常灯亮。按下手动按钮，常开触点X1003.0接通，机床手动方式打开。机床准备好，常开触点R0.0接通，按下电机接通按钮，发出电机接通信号X1000.7，线圈X1000.0通电，电机接通。机床准备好，且无任何报警信号产生时，电机接通，按下主轴正(反)转按钮，线圈X1000.2通电，主轴正(反)转并自锁。译码指令DECT对电机通主轴正、反转信号进行译码。主轴正反转，输出信号R10.3（R10.4），线圈Y1000.7通电，线圈G5.0通电，主轴正反转结束,第二层结束。4.机床的直流调速系统直流调速系统包括了静态指标和动态指标两种。（1）静态指标1.静差度指理想的空载转速到额定负载时的转速降落于理想空转转速的比值。s=𝑛0−𝑛𝑁𝑛0=∆𝑛𝑁𝑛0静差度表示生产机械运行时的转速稳定的程度。当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围内。我们要计算这个参数确定系统能正常运行。2.调速范围生产机械锁要求的转速调节的最大范围D=𝑛max𝑛min=𝑣max𝑣min不同的生产机械要求的调速范围各不相同，当静差度为一定数值的时候，车床D=20~120，钻床D=2~12，铣床D=20~30,轧钢机D=3~15，造纸机D=10~20，机床的进给机构D=5~30000，等等3.调速系统的平滑性对电动机而言，往往不能同时满足静差度小和调速范围大的要求。由于低速下的静差度大于高速下的静差度，因此应取最低速度下的静差度。下式表示最高速度、最低速度、静态速降和静差度四者之间的关系。D=𝑛max𝑛min=𝑛max𝑛02−∆𝑛𝑁=𝑛maxn02（1−∆𝑛𝑒𝑛02）=𝑛max𝑠∆𝑛𝑁（1−S）通常，最高速度𝑛max和静态速降∆𝑛𝑁由系统中所用电动机的额定转速和结构决定。当这两个量确定后，如果要求静差度S小，则调速范围D大，则静差度S必然大。调速系统往往可以解决这一矛盾，从而满足生产机械的要求。（2）动态指标1.超调量定义为𝑀𝑝=𝑛max−𝑛2𝑛2×100%𝑀𝑝太大，达不到生产工艺上的要求，𝑀𝑝太小，则会使过度过程过于缓慢，不利于生产率的提高。一般𝑀𝑝为10%~35%。2．过度过程时间从输入控制(或扰动)作用于系统直到被调量n进入（0.05~0.02）𝑛2稳定值区间时为止（并且以后不再越出这个范围）的一段时间，称为过渡时间。3.震荡次数在过度过程时间内，被调量n在其稳定值上下摆动次数称为震荡次数。上述三个指标是衡量一个自动调速系统过度过程的好坏的主要指标。不同的生产机械对动态指标的要求不尽相同。(3)微型计算机控制的直流传动系统1.采用美国INTER公司推出的16位单片机8089小系统完成数字触发器的功能，使硬件电路软件化，克服了硬件电路存在的是票和温漂，提高了系统的调节稳定性和工作可靠性，还利用8089小系统实现转速实时显示和故障类型的数显功能，智能数显功能强，数字准确，便于直观观察，便于工人操作和维修。2.保留传统的速度、电流双闭环调节系统。速度调节器采用PID控制，电流调节器采用PI控制，两个调节器均采用进口的低漂移运算放大器，系统调剂快，动态性能好，调速范围广。3.采用瑞士生产的电流传感器LEM模块，它体积小，线性度好，失真度小，提高了反馈信号的质量，增强了调节准确性。4.系统具有过流、欠压、零励磁、缺相、相序错误指示等功能，保护功能全，可靠性高。下图是MCD-2型系统接线图。该型系统具有模拟、数字的混合控制特点，既发挥了数字电路的准确性和可靠性，又保留了模拟电路的快速性，是一种高性能的直流调速系统。结束语本次论文主要论述了主轴传动系统的设计过程。鉴于本人的设计能力有限，目前只是提供的大致的设计方向，还没有能得到具体的成型的设计方案，所以目前只是运用了所学知识来设计自己能设计的部分。