【正文】 年 月 日 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱教師評(píng)閱意見(jiàn) 姓名 學(xué)號(hào) 09142074 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 職稱 教授級(jí)高工 單位 本校機(jī)械電氣控制系 指導(dǎo)教師 職 稱 單位 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 車床主軸拖動(dòng)變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計(jì) 對(duì)論文的評(píng)語(yǔ)： 同學(xué)畢業(yè)論文的選題 《 車床主軸拖動(dòng)變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計(jì) 》 論文探討了 車床主軸拖動(dòng)變頻調(diào)速節(jié)能 系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法，具有一定實(shí)用價(jià)值。 本課題所涉及的技術(shù)原理分述如下： （ 1）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性 分析確定機(jī)床的主傳動(dòng)功率轉(zhuǎn)矩，由于車床低速段為恒功率負(fù)載特性，在高速段 為恒功率負(fù)載特性，為了減小電動(dòng)機(jī)容量后啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠的問(wèn)題，改造設(shè)計(jì) 一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的 傳動(dòng)比為 1： 3，這樣使得減小的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩線被有效覆蓋，以滿足負(fù)載特性，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、節(jié)能。它正被看作是現(xiàn)代國(guó)家經(jīng)濟(jì)上獲得成功的關(guān)鍵因素。 5. 完成完整的改造設(shè)計(jì)方案和施工圖設(shè)計(jì)，編程，并仿真、模擬調(diào)試。 2. 對(duì)量大面廣的普通車床進(jìn)行 PLC及微電子技術(shù)，特別是變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，按全國(guó)所 有量粗估：可以每年節(jié)約上百億度電能，意義重大。作為典型應(yīng)用設(shè)計(jì)可以推廣到社會(huì)大多數(shù)車床。 3 到有 C6150 車床的企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)考察，以取得切削控制要求設(shè)計(jì)依據(jù)。一個(gè)觸目驚心的事實(shí)刺激著我們：我國(guó)傳統(tǒng)機(jī)床的制造業(yè)基礎(chǔ)很強(qiáng)，大 量出口，可是由于技術(shù)含量低，往往出口到國(guó)外的價(jià)錢(qián)只是金屬材料的價(jià)格。 （ 2）變頻調(diào)速拖動(dòng)原理 根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n = 60 f /p 可知，調(diào)節(jié)交流電的頻率 f 能夠改變電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器是應(yīng)用電力電子元件通過(guò)整流再按不同頻率要求逆變成變頻交流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變速，（實(shí)際是控制 E/f 比），由于變頻器內(nèi)核心單元是 MPU 微機(jī)處理器，可 以采用矢量及矩陣方法計(jì)算得到很好的調(diào)速機(jī)械特性，并可預(yù)置很多智能控制功能。存在問(wèn)題是對(duì)存在問(wèn)題的探討還可進(jìn)一步深入，對(duì)存在問(wèn)題原因的分析還可進(jìn)一步展開(kāi)。 經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速改造后，車床實(shí)際應(yīng)用效果良好，同時(shí)還具備了節(jié)能、容 易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制、 可以在車床應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行大面積推廣。而車床已經(jīng)成為機(jī)械制造的主要工具。 2. 進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 主要是刀架的移動(dòng)。 (3) 綜上所述，普通車床的機(jī)械特性如圖 22所示。在正常情況下，出現(xiàn)過(guò)載的可能性極小。對(duì)于普通車床來(lái)說(shuō)，由于對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高，用“無(wú)反饋矢量控制”方式已經(jīng)足夠。 北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2. 電動(dòng)機(jī)的容量 在圖 23 中，負(fù)載所需功率 （ 17） 其大小與面積 OADB 成正比。曲線 1為車床的機(jī)械特性曲線 。因?yàn)樵诘退偾邢鲿r(shí)，需要預(yù)置較大的 V/F，則會(huì)出現(xiàn)在負(fù)載較輕的情況下，電動(dòng)機(jī)的磁路常處于過(guò)飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流過(guò)大的問(wèn)題。 可以直接通過(guò)變頻器的面板進(jìn)行調(diào)速，也可以通過(guò)外接電位器調(diào)速。 圖 41 邏輯表 檔位 1 2 3 4 5 6 7 8 二進(jìn)制 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 5. 設(shè) 計(jì) 系統(tǒng)構(gòu)成 一．系統(tǒng)構(gòu)成： 本課題是以《交流變頻調(diào)速技術(shù)》的典型應(yīng)用實(shí)例為基礎(chǔ)，對(duì)制造業(yè)量大面廣的普通車床主軸拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造：包括電動(dòng)機(jī)容量減??；機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改造；機(jī)械變速改為變頻調(diào)速（微電子觸摸屏取代機(jī)械手柄笨重操作）； PLC 對(duì)車床的邏輯判斷控制等設(shè)計(jì)任務(wù)。而改造后的機(jī)床通過(guò) PLC 控制， 直接作用于電機(jī)， 外接電子觸摸屏 按鈕實(shí)現(xiàn)變速，少了齒輪箱內(nèi)的大量齒輪組，只需要保留電機(jī)與機(jī)床主軸一對(duì)齒輪對(duì)！ 考慮到電機(jī)啟動(dòng)和低速作業(yè)時(shí)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，為了解決低速切削力量不夠的問(wèn)題，設(shè)計(jì)電機(jī)與主軸 1:3 的傳動(dòng)比，如下圖。按下對(duì)應(yīng)數(shù)字鍵再按確認(rèn)鍵，機(jī)器工作；按下復(fù)位鍵，機(jī)器停止。 Y2132S4 系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，考慮了采用 IGBT的 PWM 變頻器的高載波頻率的影響。 (3) 電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)為 F級(jí)或 H級(jí)，絕緣結(jié)構(gòu)具有對(duì)變頻器輸出高載波頻率電壓的適應(yīng)能力。 3) 結(jié)構(gòu)形式 電動(dòng)機(jī)的外殼防護(hù)等級(jí)為 IP44，也可以按用戶需要制成 IP54：電動(dòng)機(jī)的冷卻方式分為全封閉外表軸向自扇冷卻 （ IC411） 及全封閉帶單獨(dú)軸流風(fēng)機(jī)的外表軸向風(fēng)機(jī)冷卻 （ IC416） 兩種，也可以按需要制成其他冷卻方式；電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及安裝形式為 LMB LMB LMB35，并 可在這三種基本安裝形式的基礎(chǔ)上派生其它安裝型式。它的主要作 用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極（基極）驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電力以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，也是變頻器的核心部分。 北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 變頻器的功能參數(shù)表 1. 參考頻率（功能代碼 01） 參考頻率即當(dāng)前的給定頻率，輸出頻率始終按設(shè)定的加減速時(shí)間跟隨參考頻率。反轉(zhuǎn)禁止功能有效（功能代碼 93 定義時(shí)），只能正轉(zhuǎn)運(yùn)行，與 F/R 端子無(wú)關(guān)。 4. 多段速度（功能代碼 35—— 46） 多段速度由外部端子的狀態(tài)決定。每個(gè)端子由指定的功能代碼定義其功能。 多段速度優(yōu)先級(jí)高于鍵盤(pán)給定或模擬給定。若給定頻率小于下限且無(wú)停車指令，則輸出頻率保持在下限頻率值不變。 （功能代碼 10） 表 64 10 功能說(shuō)明 備注 0 由按鍵 RUN、 STOP 控制變頻器的起動(dòng)與停止 運(yùn)轉(zhuǎn)方向由端子 F/R 控制 F/R=OFF，正轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)優(yōu)先） F/R=OFF，反轉(zhuǎn) 在運(yùn)行過(guò)程中，允許正反轉(zhuǎn)切換，由鍵盤(pán)上的 指示燈FWD 或 REV指示。 變頻器的選擇 變頻器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量應(yīng)滿足 : 式中： —— 負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的輸出功率； y—— 電動(dòng)機(jī)的效率（通常為 ）； —— 電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（通常約為 ）； —— 電動(dòng)機(jī)的電流， A； k—— 電流波形修正參數(shù)； —— 變頻器的額定容量， kVA。此外，由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)電阻以及其它輔助電路。 北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 表 63 各檔轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩核算結(jié)果 負(fù)載轉(zhuǎn)速 /（ r/min） 80 120 250 500 800 1200 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 /（ r/min） 480 720 1500 600 960 1440 電動(dòng)機(jī)工作頻率 /Hz 25 50 與表 32 中的各檔負(fù)載轉(zhuǎn)矩 相比，可以看出 ： 各檔的過(guò)載能力基本滿足要求。能夠承受額定轉(zhuǎn)矩 160%過(guò)載，歷史 1min。另一種 IC416 系列，該系列使用單獨(dú)的軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 迫通風(fēng)，保證了電動(dòng)機(jī)在低速 （ 1~2HZ） 時(shí)恒轉(zhuǎn)矩長(zhǎng)期運(yùn)行溫升不超過(guò)允許值。電動(dòng)機(jī)噪聲低、振動(dòng)小、調(diào)速范圍廣、外觀新穎。 北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 53 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)只有在變頻器接通電源后才能進(jìn)行；變頻器只有正反轉(zhuǎn)都不工作的時(shí)候才會(huì)切斷電源。 （ 2）變頻調(diào)速拖動(dòng)原理 根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n = 60 f /p 可知，調(diào)節(jié)交流電的頻率 f 能夠改 變電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器是應(yīng)用電力電子元件通過(guò)整流再按不同頻率要求逆變成變頻交流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變速，（實(shí)際是控制 E/f 比），由于變頻器內(nèi)核心單北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 元是 MPU 微機(jī)處理器，可以采用矢量及矩陣方法計(jì)算得到很好的調(diào)速機(jī)械特性，并可預(yù)置很多智能控制功能。 北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 31 北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 4. PLC 控制 實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速分段給定 原理 如果車床還需要進(jìn)行復(fù)雜的程序控制，可應(yīng)用可編程控制器（ PLC）結(jié)合變頻器的多檔轉(zhuǎn)速功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。 ：有反饋矢量控制方式雖然是運(yùn)行性能最完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，不但增加了費(fèi)用，對(duì)編碼器的安裝也比較麻煩。成正比，其大小為 （ 113） 北京交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 可見(jiàn)，頻率范圍過(guò)大之后，電動(dòng)機(jī)的 容量可以比 減小 倍，但與負(fù)載功率相比，仍需增大很多。 (2) 最低頻率 因?yàn)橹挥幸粰n轉(zhuǎn)速，故頻率調(diào)節(jié)范圍 為： （ 19） 當(dāng) 時(shí)， 50/40= 當(dāng) 時(shí)， 50/140= 異步電動(dòng)機(jī)在這樣低的頻率下連續(xù)工作，如不用負(fù)載反饋，是比較困難的。所以，變頻器的容量以比電動(dòng)機(jī)容量大一檔為好。如忽略齒輪箱的功率損耗不計(jì)，則在全調(diào)速范圍內(nèi) ，都具有恒功率的特點(diǎn)。尤其是車削毛坯時(shí)，由于同心度較差和表面的不光滑，常 會(huì)遇到較大的沖擊力。故切削力正比于切削的材料性質(zhì)和截面積，截面積由切削深度和走刀量決定。機(jī)床的控制主要采用機(jī)、電、氣、液壓控制，采用微機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能數(shù)控，提高機(jī)床的技術(shù)附加值和運(yùn)行效率；另一方面還有節(jié)能的控制改造，配以可編程序控制器（ PLC）數(shù)字控制（ NC）和變頻調(diào)速等技術(shù)，可以大大提高傳統(tǒng)機(jī)床的加工水平，通過(guò)對(duì)其電力節(jié)能的改造后效果驚人，以 C6150 普通機(jī)床為例，全國(guó)大概有三百多萬(wàn)臺(tái) ，如果每臺(tái)車床的電機(jī)由 原來(lái) 的電機(jī)換成 的，每天按 8 小時(shí)工作估算，僅節(jié)約電力一項(xiàng)每年節(jié)約電能將近 161 億 KW/h，這該是多么可觀的一筆節(jié)能挖潛的經(jīng)濟(jì)效益呀！本課題是結(jié)合 PLC 和變頻技術(shù)對(duì)普通 C6150 機(jī)床進(jìn)行節(jié)能改造。 frequency control。 本人簽名： 日期： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)書(shū) 本人完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保管、使用論文的規(guī)定，其中包括：①學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門(mén)送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；②學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印 或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存論文；③學(xué)?？稍试S論文被查閱或借閱；④學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；⑤學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。課題設(shè)計(jì)思路清晰，可操作性強(qiáng)；要搞成典型設(shè)計(jì)，以便今后推廣。 2. 基本內(nèi)容和技術(shù)方案： 一．系統(tǒng)構(gòu)成： 本課題是以《交流變頻調(diào) 速技術(shù)》的典型應(yīng)用實(shí)例為基礎(chǔ)，對(duì)制造業(yè)量大面廣的普通車床 C6150 主軸拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造：包括電動(dòng)機(jī)容量減?。粰C(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改造；機(jī)械變速改為變頻調(diào)速（微電子觸摸屏取代機(jī)械手柄笨重操作）； PLC 對(duì)車床的邏輯判斷控制等設(shè)計(jì)任務(wù)。 2020年 5月初 — 5月中 系統(tǒng)編程、仿真、模擬調(diào)試； 2020年 5月中 — 5月底 完成論文 準(zhǔn)備答辯 指導(dǎo)教師簽字： 日期： 年 月 日 系意見(jiàn)： 簽字： 系（蓋章） 日期： 年 月 日 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 姓名 學(xué)號(hào) 專業(yè) 電氣工 程及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)（論文）題目 車床主軸拖動(dòng)變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計(jì) 1. 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )的目的及意義 （含國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）： 機(jī)械制造技術(shù)已經(jīng)是生產(chǎn)、國(guó)際經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)品革新的一種重要手段，所有國(guó)家都在尋求、獲得、開(kāi)發(fā)和利用它。 4. 實(shí)時(shí)驗(yàn)算機(jī)械轉(zhuǎn)矩，智能判斷切削進(jìn)刀量，設(shè)置超限報(bào)警保護(hù)功能?，F(xiàn)在我國(guó)機(jī)床工業(yè)處于大力發(fā)展高技術(shù)附加值的數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵階段，應(yīng)用到微機(jī)技術(shù)的普通機(jī)床可以增值數(shù)十，上百倍。 二．內(nèi)容與要求 1. 以 C6150普通車床主軸傳動(dòng)為控制對(duì)象，用 ，設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用 PLC和變頻