【正文】 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)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。 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。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。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。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。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，電樞內(nèi)阻Ra，此時(shí)電樞回路總電阻.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 （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 有電磁轉(zhuǎn)矩方程式帶入轉(zhuǎn)速特性方程，即得到機(jī)械特性方程式 （22）由電壓平衡方程式（21）可知 ()=（U）= (23)式中Ua= U為電樞的端電壓。當(dāng)=0或=0時(shí)，Ua=U由式（23）和電動(dòng)勢公式，可得轉(zhuǎn)速公式 （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