【正文】 ........... 24 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................... 25 致謝 ........................................................................................................................................... 26 齊齊哈爾工程學(xué)院 （論文） 第一章 緒論 1 課題背景 數(shù)控技術(shù)被廣泛用于 世界各國制造業(yè)，以提高制造能力和 生產(chǎn) 水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場的 競爭力和 適 應(yīng) 力 。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比，是衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控 立車 是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視，并得到了迅速的發(fā)展。主軸控制是數(shù)控 立車 構(gòu)成中一個(gè)重要的部分，對(duì)于提高加工效率，擴(kuò)大加工材料范圍， 提升加工質(zhì)量有著重要的作 用。 機(jī)床主軸控制 從手動(dòng)控制發(fā)展到自動(dòng)控制，從簡單的控制設(shè)備發(fā)展到復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從有觸點(diǎn)的繼電－接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展到以計(jì)算機(jī)為核心的軟件控制系統(tǒng)， 機(jī)床主軸控制技術(shù) 是隨著元器件的不斷更新和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，并且綜合應(yīng)用了計(jì)算 機(jī)、自動(dòng)控制、電子技術(shù)、精密測量等先進(jìn)科技成果而迅速發(fā)展起來的 。 2 數(shù)控立車主軸控制 裝置 的發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)控 機(jī)床的主軸控制裝置 主要 是由 控制系統(tǒng)和調(diào)速裝置 這兩大部分 組成 。 數(shù)控機(jī) 床是制造裝備的裝備，被稱為 “ 工作母機(jī) ” ；數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的 “ 大腦 ” ，是數(shù)控機(jī)床的核心 ,機(jī)床的各種功能都由數(shù)控系統(tǒng)來 控制實(shí)現(xiàn)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了 本質(zhì)性的 變革， 所有 工業(yè)發(fā)達(dá)國家 都 投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究 、 開發(fā)， 并 提出了新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中， 關(guān)鍵技術(shù) 是 數(shù)控技術(shù)，它 將 計(jì)算機(jī)、 微電子、 自動(dòng)檢測 、 信息處理、自動(dòng)控制等高新技術(shù) 集成 于一體，具有 高效率、 高精度、 柔性自動(dòng)化等特點(diǎn) 。對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化 、智能化 、集成化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生 重大性 變革，由專用型封閉 式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 超小型化 、 超薄型 ；在智能 化基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 、 模糊控制等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)齊齊哈爾工程學(xué)院 （論文） 現(xiàn)了 高精 、高效 、 高速控制，加工過程中可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理 ]1[ 。 近 幾 年來， 電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件 ,使交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和控制提高到了一個(gè)新的水平。 并且 國內(nèi)外都十分重視開發(fā)研究交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù) 。 大功率交流傳動(dòng)控制方面的研究，得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。近來來，國際上又推出諧振式逆變器，使開關(guān)元件 在零電流或零電壓時(shí)導(dǎo)通或者關(guān)斷，降低開頭損耗，減小回路體積。這種電源最大已達(dá)到 100KW。 由于直流 調(diào)速 具有優(yōu)越性的可控性能 ,及 高性能 調(diào)速特性 ,因此 其 廣泛 地應(yīng)用于機(jī)床主軸，尤其在大型、重型機(jī)床主軸的拖動(dòng) 。直流調(diào)速具有調(diào)速平滑 ,方便 ,易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速 ,過載能力大 ,能受頻繁的沖擊負(fù)載 ,可實(shí)現(xiàn)頻繁無級(jí)快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求。 所以 ,直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍被廣泛用于自動(dòng)控制要求較高的各種生產(chǎn)部門 ,是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式 ]2[ 。 3 課 題研究的主要內(nèi)容 本課題要求設(shè)計(jì) 數(shù)控立車主軸控制裝置 ， 來實(shí)現(xiàn) 主軸 速度 的 精確 控制 。主軸控制 設(shè) 有手動(dòng)和自動(dòng)（程序?qū)崿F(xiàn)）兩種控制方式。手動(dòng)操作設(shè)有主軸正反轉(zhuǎn)的啟動(dòng)、停止、點(diǎn)動(dòng)、長動(dòng) 。并設(shè)有 急停按鈕。 主軸的轉(zhuǎn)速控制，采用直流調(diào)速裝置與 PLC相 配 合。 在 600— 3000r/min 范圍內(nèi) 連續(xù) 可調(diào) 。 繪出 了 控制電源原理圖，調(diào)速裝置連接原理圖，可編程控制器接口原理圖，操作面板接線圖 等 。 齊齊哈爾工程學(xué)院 （論文） 第 二 章 數(shù)控立車主軸控制裝置硬件設(shè)計(jì) 數(shù)控立車的主軸控制中， 主要是主軸電機(jī)速度的控制方式 ，控制 電機(jī) 速度的變化有 多 的方式， 下面說明 兩種常用 的 調(diào)速 方案，并將其進(jìn)行對(duì)比 ，則其優(yōu)，作為本次設(shè)計(jì)的調(diào)速方案 。 方案選擇 1 方案二 交流調(diào)速 交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中所配備的靜止式變壓變頻主要 由主電路和控制回路兩部分組成。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說目前工業(yè)生產(chǎn)中所使用的變頻器可分為交— 直 — 交電壓源型 SPWM 變頻器和交 — 直 — 交電流源型 SPWM 變頻器兩種，而工業(yè)中應(yīng)用最多、最廣泛的變頻器是交 — 直 — 交電壓源型 SPWM 變頻器。其主電路用不可控整流、用 SPWM 逆變器，其輸出電壓波形接近正弦波。 如 圖 21 所示變頻器主電路中的中間直流環(huán)節(jié)是采用大電容濾波 。由于采用了 SPWM 控制，因而使其輸出電壓波形接近于正弦波型。電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路有兩個(gè)功率變換環(huán)節(jié)構(gòu)成，及整流橋和逆變橋，整流橋是由二極管組成的三相橋式 不可控 電路。調(diào)壓與調(diào)頻通過逆變器來完成，其給定值來源于同一個(gè)給定環(huán)節(jié)。 圖 21 電壓源型變頻器主電路及 SPWM 控制 框圖 該系統(tǒng)用 SPWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制，通過改變 IGBT 的占空比（脈沖齊齊哈爾工程學(xué)院 （論文） 寬度）來控制 交 流電壓逆變器輸出的大小， 從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。 而輸出頻率通過控制逆變橋的 工作周期就可以實(shí)現(xiàn)。 交流 調(diào)速 ，價(jià)格低，維護(hù)簡單，維護(hù)成本低。交流 變頻調(diào)速就可以了， 已經(jīng)得到迅猛的發(fā)展其應(yīng)用范圍越來越廣泛 ]3[ 。 2 方案二 直流調(diào)速 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 快速 發(fā)展 ， 數(shù)字控制系統(tǒng) 在 逐漸地 取代 過去的模擬控制系統(tǒng) 。帶有 微型計(jì)算機(jī) 的全數(shù)字直流調(diào)速裝置中 ,在不改變硬件 ，或者 改動(dòng)很少的情況下 ,依靠軟件支持 ,就可以方便地實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)和控制功能 ， 所以 ， 通用全數(shù)字直流調(diào)速裝置的 應(yīng)用靈活性 和 可靠性 就 明顯優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)。目前 ， 以德國 SIEMENS 公司的 6RA70 系列通用全數(shù)字直流調(diào)速裝置在中國的應(yīng)用最為廣泛。 直流電機(jī)的調(diào)速不需要其它設(shè)備的 配合，可通過改變輸入的電壓 /電流，或者勵(lì)磁電壓 /電流來調(diào)速]4[ 。 直流調(diào)速 裝置 采用德國 SIEMENS 的 6RA70 直流調(diào)速裝置來控制直流電機(jī)調(diào)速 ， 而調(diào)速方式又分為改變電樞端電壓調(diào)速 和改變磁通調(diào)速。 直流電動(dòng)機(jī)采用他勵(lì)勵(lì)磁方式。 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路原理圖如圖 22所示 ，圖中電樞回路串接附加電阻 Rad ，電樞內(nèi)阻 Ra，此時(shí)電樞回路總電阻 adfad RRR ?? . 圖 22 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路原理圖 由圖 22可 知 ，直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式為 齊齊哈爾工程學(xué)院 （論文） aa RIEU ?? （ 21） 式中 U 為電源電壓，單位 V； R 是 電樞回路總電阻，單位 ? 。 由電壓平衡方程式和感應(yīng)電動(dòng)勢公式，就可以得到直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性 eaea CRIUK RIUn ??? 有 電磁轉(zhuǎn)矩方程式?? Tema KTI帶入轉(zhuǎn)速特性方程，即得到機(jī)械特性方程式 emtee RCUn TCC? （ 22） 由電壓平衡方程式（ 21）可知 UEa ? ( ada RR ? ) aI = （ U aadIR ） aaIR = aaa IRU (23)式中 Ua= U aadIR 為電樞的端電壓。當(dāng) aI =0 或 adR =0 時(shí)， Ua=U 由式（ 23）和電動(dòng)勢公式 nCE ea ? ，可得轉(zhuǎn)速公式 ]5[ eaaa C IRUn ?? （ 24） 根據(jù) 轉(zhuǎn)速 公式（ 24）， 改變電樞端電壓調(diào)速是保持磁通 ? 不變，改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓 U，則理想空載轉(zhuǎn)速 n 隨電樞電壓而變化，而機(jī)械特性斜率保持不變； 改變磁通調(diào)速就是保持電樞電壓 U不變，減弱磁通則理想空載轉(zhuǎn)速 n 隨著磁通的減弱而增加 ，同時(shí)機(jī)械特性的斜率也增加。 方案選擇 本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)重型立車的主軸控制裝置，工作臺(tái)負(fù)載上限 250t，主軸帶動(dòng) 工作臺(tái)工作，而工作臺(tái)的速度范圍大概在 10~60r/min,對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 600~3000r/min，低速大轉(zhuǎn)矩 ，要求高精度，速度控制精確；由于在加工時(shí)零件重量不定 ， 需要 具有一定的過負(fù)載能力。 根據(jù)兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較， 選擇第二種直流調(diào)速 方案 。 齊齊哈爾工程學(xué)院 （論文） 本設(shè)計(jì)選用德國 SIEMENS 公司的 6RA70 直流調(diào)速裝置， 可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓電樞電壓和磁通配合調(diào)速。 在額定功率以下，通過改變直流電機(jī)的電樞電壓來改變電機(jī)的速度；額定功率以上用弱磁 調(diào)速；交流電源進(jìn)入 6RA70 后整流出直流，電機(jī)電壓和勵(lì)磁電壓是分開進(jìn)入 6RA70，經(jīng)過整流變壓后進(jìn)入直流電機(jī)和勵(lì)磁。并且 6RA70 內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床所進(jìn)行的操作。 直流電機(jī)調(diào)速 中 電樞電壓調(diào) 速 比較普遍，最大的優(yōu)點(diǎn)不會(huì)像交流調(diào)速 那樣產(chǎn)生逆變磁場對(duì)外圍發(fā)出干擾 。直流電機(jī)能量密度大， 調(diào)速容易且調(diào)速范圍寬，力矩大，過載能力非常好，機(jī)械特性硬。 直流調(diào)速精度高，效率也高，節(jié)能效果也好，但是需要定期維護(hù) ]6[ 。 可編程序控制器接口設(shè)計(jì) 1 可編程控制器的選擇 現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床是用數(shù)控系統(tǒng)（ 是一個(gè)集成所有數(shù)控系統(tǒng)元件 — 數(shù)字控制器 、可編程控制器 、 人機(jī)操作界面 ， 于一體的操作面板安裝形式的控制系統(tǒng) ）來控制整個(gè)機(jī)床的運(yùn)行 的 。 數(shù)控系統(tǒng)中使用較普遍的有德國的 SIEMENS，日本的 FANUC，還有中國的華中科技 。 其中德國 SIEMENS 的數(shù)控系統(tǒng)性價(jià)比較高，并且其數(shù)控核心的可編程控制器應(yīng)用也很普遍。數(shù)控系統(tǒng) SIEMENS 802D 是其早期研制出的數(shù)控系 統(tǒng)，應(yīng)用于各種型號(hào)機(jī)床，操作簡單，功能容易實(shí)現(xiàn)。 SIEMENS 802D 內(nèi)部可編程控制器為 SIEMENS 生產(chǎn)的 S7200，由于本設(shè)計(jì)只是數(shù)控立車電氣總設(shè)計(jì)的一部分所以不選用數(shù)控系統(tǒng)，而只選用其內(nèi)部可編程控制器 — S7200。 S7200 PLC 屬于 S7200/300/400 家族中功能最精簡、 I/O 點(diǎn)數(shù)最少、擴(kuò)展性能最低的 PLC 產(chǎn)品，可以稱為微型 PLC 系列產(chǎn)品。產(chǎn)品可以用于輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)較少的小型機(jī)械與設(shè)備的單機(jī)控制。而本設(shè)計(jì)所需輸入輸出點(diǎn)數(shù)并不是很多，不需要擴(kuò)展，所以選用 。 新系列 S7200 的性能有如下提高： 1 CPU的運(yùn)算速度提高了 40%； 齊齊哈爾工程學(xué)院 （論文） 2 增加了 CPU診斷狀態(tài)指示； 3 增加了存儲(chǔ)器卡擴(kuò)展功能； 4 增加