【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對(duì)加工精度有特殊要求，一般沒(méi)有必要選擇此種控制方式。 目前，無(wú)反饋矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在 0． 5Hz時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。所以，完全可以滿(mǎn)足主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的要求。而且無(wú)反饋矢量控制方式能夠克服 U／ f控制方式的缺點(diǎn)，因此可以說(shuō)，是一種最佳選擇。 數(shù)控車(chē)床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量 (kVA)計(jì)算式如下： MCNMMCNMCNkIIIkUPkPP????? 3103c o s?? 式中 PM——負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率； η——電動(dòng)機(jī)的效率 (通常約 O． 85)； cosφ——電動(dòng)機(jī)的功率因素 (通常約 O． 75) MU——電動(dòng)機(jī)的電壓， 380V； MI——電動(dòng)機(jī)工頻電源時(shí)的電流，為 15． 4A； k——電流波形的修正系數(shù) (PWM方式時(shí)取 1． 051． 10)； PCN——變頻器的額定容量， kVA； ICN——變頻器的額定電流， A； 由以上公式可得：? ?? ?? ?AkIIk V AIkUPk V AkPPMCNMMCNMCN o s33????????????????????? 12 1 12 選擇變頻器時(shí)應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足以上三個(gè)等式的關(guān)系。綜合以上分析計(jì)算，確定選用三菱 FRA540系列變頻器，具體型 號(hào)為 FRA5407． 5KCH。 刀架部分的改造 拆除原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝由數(shù)控系統(tǒng)控制的四工位電動(dòng)刀架。根據(jù)車(chē)床的型號(hào)及主軸中心高度，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠(chǎng)生產(chǎn)的 LD4C6132型電動(dòng)刀架，該刀架內(nèi)帶 120W三相交流異步電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)正轉(zhuǎn)選刀。內(nèi)置的 4只霍爾元件檢測(cè)刀位位置，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)完成刀具定位鎖緊。安裝時(shí)，拆除車(chē)床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機(jī)風(fēng)罩，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，使刀架轉(zhuǎn)動(dòng)到 45176。 左右時(shí)，裝上螺釘，然后固定刀架即可。電機(jī)安裝好如圖 211所示。 圖 211 電動(dòng)刀架安裝實(shí)物圖 LD4C6132型電動(dòng)刀架技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 21。電動(dòng)刀架的安裝較為方便，安裝時(shí) 須注意以下兩點(diǎn)： 1)電動(dòng)刀架的兩側(cè)面與原車(chē)床縱、橫向的進(jìn)給方向平行； 2)電動(dòng)刀架與系統(tǒng)的連線(xiàn)在安裝時(shí)應(yīng)合理，以免加工時(shí)切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架連線(xiàn)。 13 1 13 數(shù)控系統(tǒng)的類(lèi)型及選擇 數(shù)控系統(tǒng)的分類(lèi) 目前 ,數(shù)控系統(tǒng)的品種規(guī)格繁多 ,功能各異 ,分類(lèi)方法不一 ,通?？砂聪旅鎯煞N方法進(jìn)行分類(lèi)。 1）點(diǎn)位控制系統(tǒng) 其特點(diǎn)是，只要求控制機(jī)床移動(dòng)部件從一點(diǎn) 移動(dòng)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，至于點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡（路徑和方向）并不嚴(yán)格要求。各坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)是不相關(guān)的，并且在移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削。 2）直線(xiàn)切削控制系統(tǒng) 其特點(diǎn)是，除了控制移動(dòng)部件從一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位外，還要控制兩相關(guān)點(diǎn)之間的移動(dòng)速度和路線(xiàn)（即軌跡），但其路線(xiàn)只是與機(jī)床坐標(biāo)軸平行的直線(xiàn)。也就是說(shuō)，同時(shí)控制的坐標(biāo)軸只有一個(gè)，且在移動(dòng)過(guò)程中刀具能以給定的進(jìn)給速度進(jìn)行切削，一般只能加工矩形、臺(tái)階形零件。 3）連續(xù)切削控制系統(tǒng) 也稱(chēng)為輪廓控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移和速度同時(shí)進(jìn)行 連續(xù)相關(guān)控制。在這類(lèi)控制方式中，要求數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算的功能，即根據(jù)程序輸入的基本數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的插補(bǔ)運(yùn)算器的數(shù)學(xué)處理，把直線(xiàn)或曲線(xiàn)的形狀描述出來(lái)，并一邊運(yùn)算，一邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向各坐標(biāo)軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)位移量與所要求的輪廓相符合。 1） 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)床，沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置。指令信號(hào)單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來(lái)，故稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)。這種機(jī)床采用開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置根據(jù)所給的進(jìn)給速度和進(jìn)給位移 ，輸出一定的頻率和數(shù)量的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后，每一個(gè)進(jìn)給脈沖控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，再經(jīng)減速齒輪、絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的一個(gè)當(dāng)量直線(xiàn)位移。 2）閉環(huán)控制系統(tǒng) 數(shù)控裝置將位移指令與位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)，隨時(shí)進(jìn)行比較，根據(jù)其差值與指令進(jìn)給速度的要求，按一定的規(guī)律進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，得到進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度指令。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是定位精度高，但由于這類(lèi)系統(tǒng)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，所以電動(dòng)機(jī)的控制線(xiàn)路比較復(fù)雜。另外檢測(cè)元件昂貴，調(diào)試和維修比較困難，成本高，所以主要用于精 度要求很高的大型或精密數(shù)控機(jī)床。 3）半閉環(huán)控制系統(tǒng) 這種機(jī)床是將位置檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)端部，或安裝在傳動(dòng)絲杠端部，間接測(cè)量部件的實(shí)際位置或位移，然后反饋到控制裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值14 1 14 進(jìn)行控制，直到差值消除為止。 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 本設(shè)計(jì)中由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床應(yīng)具有定位、直線(xiàn)插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。 考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，雖然開(kāi)環(huán)控制 系統(tǒng)中，沒(méi)有速度反饋和位移反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)單向發(fā)送，但開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單。如果采用螺距誤差補(bǔ)償和徑向間隙補(bǔ)償?shù)却胧?，定位精度可提高?77。 ，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇 微型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由 CPU、 ROM、 RAM擴(kuò)展電路、 I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。 由于 MCS51單片微型機(jī)具有各種尋址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很強(qiáng)的位尋址和運(yùn)算功能，特別適合于控制應(yīng)用場(chǎng)合，使用 MCS51來(lái)構(gòu)成各種控制系統(tǒng)，可大大簡(jiǎn)化 硬件結(jié)構(gòu)，降低成本。 1） 單片機(jī)的選擇 MCS51系列中的 8031單片機(jī)片內(nèi)無(wú) ROM，適于需外接 ROM、能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，價(jià)格低，使用靈活，從實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性考慮，采用 8031作為控制系統(tǒng)的單片機(jī)。 2） 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 ① 8031的片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，必須外接擴(kuò)展電路，具有擴(kuò)展 2片 2764共 16K的程序擴(kuò)展電路。 ② 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 8031內(nèi)部有 128個(gè)字節(jié) RAM存儲(chǔ)器。它可以作為寄存器，堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器， CPU對(duì)其內(nèi)部 RAM有豐富的操作指令。因此，這個(gè) RAM是十分 珍惜的資源。我們應(yīng)合理地充分地應(yīng)用片內(nèi) RAM存儲(chǔ)器，但片內(nèi) RAM存儲(chǔ)器往往是不夠的。外接 RAM擴(kuò)展電路可擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量。本設(shè)計(jì)擴(kuò)展一個(gè) 6264（ 8K）的外部 RAM。 ③ 接口電路，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等 接口電路主要用于控制縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)，刀架電機(jī)等。鍵盤(pán)有 32個(gè)鍵。此外，還有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，光電耦合器電路，報(bào)警電路， 8031時(shí)鐘電路，復(fù)位電路等。 由此可得車(chē)床伺服系統(tǒng)控制方案，如圖 213所示。 第三章 進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和 控制 一 .橫向電機(jī)計(jì)算 1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 由于橫向步進(jìn)電機(jī)經(jīng)兩對(duì)齒輪降速 后傳到絲桿，此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量dJ可由下式計(jì)算 15 1 15 ? ? ? ? miLiJJiJJJJ zzzzZd 20221 2114321 ???????????? ? 式中zJ為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， i為傳動(dòng)比， m取 50kg,絲杠導(dǎo)程0L為 ； 計(jì)算圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的公式為 J=324ld?? ? 為材料密度， d為傳動(dòng)件的等效直徑， l為軸向長(zhǎng)度； 按照上式可依次計(jì)算出各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中絲杠的等效直徑取 ???mm 經(jīng)計(jì)算： mkgJ z ??? ? mkgJ Z ??? ?， mkgJ Z ??? ? mkgJ Z ??? ?， mkgJS ??? ? 則將各傳動(dòng)部件及工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 mkgJ d ??? ? 2) 慣量匹配驗(yàn)算 參考同類(lèi)型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 110BF003型反 應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第 5卷》表 Ts=,則41mdJJ=1所以慣量匹配比較合理。 3）步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn) 作用在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T可按下式計(jì)算 ? ? ? ?iFLiFLiFLJJT uwdm ?? ?????? 2 122 202100 ?????? ①空載啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)矩： mNTJ ?? ② 電動(dòng)機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩： mNTu ?? 16 1 16 ③工作臺(tái)上的最大軸向載荷折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： mNTw ?? ④設(shè)滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力是最大軸向載荷的31，則可得到因預(yù)緊力而引起的、折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩： mNT ?? 0 則空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 mNTTTT uJp ???????? 反應(yīng)式步 在最大外載荷下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 mNTTTT uw ???????? 7 9 步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩 Ts可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 mNTT s ??? ~~ 12 由于初選的步進(jìn)電機(jī) 110BF003最大靜轉(zhuǎn)矩 mNTs ?? mas2sT所以按給定要求 110BF003步進(jìn)電機(jī)可以正常啟動(dòng)，可作為初選電機(jī)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 3） 電機(jī)最大空載啟動(dòng)頻率qf和最大運(yùn)行工作頻率zf的確定 Hzvf pq 350060500 m a x ?? ??? ? Hzvf p sz 550060500 ?? ??? ? 從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）第 5卷》表 110BF003型步進(jìn)電機(jī)允許最大空載啟動(dòng)頻率為 1500Hz，運(yùn)行頻率為 110BF003步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩 頻特性曲線(xiàn)?？煽闯?，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩，直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制，將起動(dòng)頻率降到 1230Hz.，起動(dòng)力矩可增高到 M=，即可滿(mǎn)足要求。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)， 110BF003型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全可以滿(mǎn)足要求。 4） 系統(tǒng)剛度計(jì)算 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的剛度主要由絲杠本身的拉壓剛度LK、絲杠螺母間的接觸剛度NK以及軸承和17 1 17 軸承座組成的支承剛度BK三部分組成。由于絲杠本身的扭轉(zhuǎn)剛度與拉壓剛度相比要小得多，故可將其忽略不計(jì)。 ① 絲杠本身的最大、最小拉壓剛度 mNl EdK L / 9m in2m a x ??? ? mNl EdK / 9m a x2m in ??? ? ②軸承和軸承座組成的支承剛度 mNFZdK aB / i ns i 73 2207 ???? ?? 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 r admNlGdK T / 44 ???? ? 5） 動(dòng)態(tài)分析 絲杠工作臺(tái)縱振的最低頻率 sr a dsr a dmm Ksnc /33170m i n ???????? 折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 22 0 0 3 6 mkgJJ isd ??? 如果忽略電動(dòng)機(jī)軸與減速 器的扭轉(zhuǎn)變形，則系統(tǒng)最低扭振固有頻率為 sr adsr adJK sdTnc /4m i n ????? 此設(shè)計(jì)中，nc?300rad/s,nt?30