【文章內(nèi)容簡介】 可能以任意比例 設(shè)定及調(diào)節(jié)。因此在普通型的 4M 立式車床，不能加工螺紋等復(fù)雜的輪廓表面 。 圖 4M 立式機(jī)床刀具切削 工件 過程示意圖 進(jìn)給系統(tǒng)的改造方案 為了使機(jī)床具備加工復(fù)雜表面輪廓的能力，必須使進(jìn)給系統(tǒng)的絲杠旋轉(zhuǎn)速度能沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 方案論證 7 在可控的范圍內(nèi)和主軸的旋轉(zhuǎn)速度以任意比例匹配。為了最大限度地利用機(jī)床的原有資源，進(jìn)隊(duì)機(jī)床 進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了數(shù)字化改造。具體的做法是： 機(jī)床原有的刀架進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是 三相異步電動(dòng)機(jī)， 額定轉(zhuǎn)速為 1380r/min。現(xiàn)改為 2KW 的三相同步伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min。利用同步電機(jī)絕對(duì)硬的機(jī)械特性，以保證進(jìn)給系統(tǒng)在切削加工過程中，轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載的增加而降低，以利于切削出預(yù)期的表面光潔度。 采用高靈敏度的感應(yīng)式接近開關(guān)和自制的葉輪旋轉(zhuǎn)探頭，組成的速度 傳感器，實(shí)時(shí)檢測主軸（旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)）的轉(zhuǎn)速，以計(jì)數(shù)脈沖的形式送入可編程控制器（ PLC），并由 PLC 通過控制算法得到符合工藝要 求的絲杠旋轉(zhuǎn)速度。 PLC 將絲杠旋轉(zhuǎn)速度換算成同步伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速（數(shù)字量），經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后，以模擬量的形式（ 0~10V，對(duì)應(yīng)于 0~5000r/min）輸入變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)同步伺服電機(jī)的無極調(diào)速。嚴(yán)格保證伺服電機(jī)能夠按照工藝條件要求的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，拖動(dòng)刀具進(jìn)行切削加工，得到預(yù)期的表面輪廓形狀。 采用高靈敏度感應(yīng)式接近開關(guān)，對(duì)刀具的原點(diǎn)、進(jìn)刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)實(shí)行精確定位，由 PLC 根據(jù)工藝要求，及時(shí)發(fā)出指令，對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)的上、下、左、右 4 個(gè)行程，以及主軸轉(zhuǎn)數(shù)在切削加工過程中的變化實(shí)行快速跟走，保證刀具的正確運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 8 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成由以下 5 個(gè)部分組成： 電源：包括三相變壓器和直流開關(guān)電源。 三相變壓器：交流 380V/200V， 3KVA，為三相同步伺服電動(dòng)機(jī)及其 變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)提供交流 200V 三相電源。 開關(guān)電源：直流 24V，為 PLC、 D/A 模塊及數(shù)字顯示表提供直流電源。 伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)：包括三相交流同步伺服電動(dòng)機(jī)（ 自帶光電編碼器）及變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)器。 三相交流同步伺服電動(dòng)機(jī)：選用日本松下公司的同步伺服電動(dòng)機(jī)，功率為 ，額定電壓為 200V，額定電流為 。 變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)器：選用日本松下公司的矢量控制的交 直 交逆變驅(qū)動(dòng)器。 數(shù)控單元 ：包括可編程控制器 PLC， D/A 轉(zhuǎn)換模塊。 可編程控制器 PLC：選用西門子公司生產(chǎn)的 S7200。 控制信號(hào)及數(shù)據(jù)采集：包括主軸轉(zhuǎn)速非接觸式速度傳感器和用于位置控制及 刀具上下左右 4 個(gè)行程的控制信號(hào)傳感器。 主軸轉(zhuǎn)速傳感器：用高靈敏度的感應(yīng)式接近開關(guān)和自制的多探頭葉輪組成。 刀具位置及行程控制傳感器：采用感應(yīng)式接近開關(guān)。接近開關(guān)選用 N15530AN6型，動(dòng)作接近距離為 15mm，動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間小于 2μ s。 人機(jī)界面：包括文本顯示器 TD200、手動(dòng)控制鍵盤、數(shù)字顯示儀表、信號(hào)燈及報(bào)警電鈴。 文本顯示器 TD200：采用西門子公司提供的 TD200 文本顯示器，可以用來向 PLC輸入和設(shè)置切削加工的工藝參數(shù)，也可以顯示系統(tǒng)的運(yùn)行信息，最多可顯示 80條信息，每條信息可包含 4 個(gè)狀態(tài)變量。 手動(dòng) 控制鍵盤：用于刀具調(diào)整（如換刀）時(shí)的手動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止及沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 9 刀具上、下、左、右 4 個(gè)行程的手動(dòng)控制。 數(shù)字顯示儀表：選用 ZNSX 只能數(shù)顯儀表，用于實(shí)時(shí)顯示機(jī)床主軸和進(jìn)給伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 信號(hào)燈及電鈴：用于指示機(jī)床工作狀態(tài)及故障報(bào) 警。 變頻 器介紹 變頻器（ Variablefrequency Drive， VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變 電機(jī) 工作電源 頻率 方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。 整流單元將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)化為直流電。逆變器由大功率開關(guān)晶體管整列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化為不同頻率、寬度、復(fù)讀的方波。通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能 、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。 主電路是給 異步電動(dòng)機(jī) 提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的 “ 整流器 ” ，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的 “ 平波回路 ” ，以及將直流功率變換為交流功率的 “ 逆變器 ” 。 同整流器相反 ，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使 6 個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到 3 相交流輸出?？刂齐娐肥墙o異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的 “ 運(yùn)算電路 ” ，主電路的 “ 電壓、電流檢測電路 ” ，電動(dòng)機(jī)的 “ 速度檢測電路 ” ，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的 “ 驅(qū)動(dòng)電路 ” ，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的 “ 保護(hù)電路 ” 組成。 基于調(diào)速方便、節(jié)能、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，變頻調(diào)速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速及調(diào)壓調(diào)速方式。直接轉(zhuǎn)矩控制以測量電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入。 該模型每隔 25μ m 產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值，轉(zhuǎn)矩比沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 10 較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進(jìn)行比較，以確定最佳開關(guān)位置。由此可以看出它是對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通的測量，即刻調(diào)整逆變電路的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達(dá)到精確控制的目的。 變頻器的作用是改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，因而改變其運(yùn)動(dòng)磁場的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡單化，用變頻器 +伺服電機(jī)的組合替代了大部分原先只能用直流電機(jī)完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展到新的階段 。變頻器可以 優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行，所以也能夠起到增效節(jié)能的作用。 本系統(tǒng)所采用的是交 直 交型變頻器，這種 變頻器先把交流電經(jīng)整流器先整流成 直流 電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出平滑濾波，再經(jīng)過逆變器把這個(gè)直流電變成頻率和電壓都可變的交流電。 伺服 電機(jī) 介紹 作為數(shù)控機(jī)床的重要控制功能部件，伺服系統(tǒng)的特性 一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能 轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。具體在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調(diào) 與整大后，由電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺(tái)及刀架，通過軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)功，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。 伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量 。功率驅(qū)動(dòng)裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動(dòng)機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電，電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。 伺服主要靠 脈沖 來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到 1 個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn) 1 個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 11 機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同 時(shí) 又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位 ， 直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低 、 結(jié)構(gòu)簡單 、 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 、 調(diào)速范圍寬 、 控制容易 、 需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾 、 對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 無刷電機(jī)體積小 、 重量輕 、 出力大 、 響應(yīng)快 、 速度高 、 慣量小 、 轉(zhuǎn)動(dòng)平滑 、 力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相 方式 靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 交流伺服電機(jī)也是 無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。 伺服電機(jī)（ servo motor）是指在伺服系統(tǒng)中控制 機(jī)械元件 運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓 信號(hào)轉(zhuǎn)化為 轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信 號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。 本系統(tǒng)所采用的是三相交流同步伺服電機(jī) ， 這種 伺服電動(dòng)機(jī)雖較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡單。它的定子與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，都在定子上裝有對(duì)稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。數(shù)控機(jī)床中多用 永磁式同步電動(dòng)機(jī) 。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率較高；缺點(diǎn)是體積大、啟動(dòng)特性欠佳。 可編程控制器的硬件組成 可編程控制器種類繁多，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)由中央處理器（ CPU） ， 存儲(chǔ)器，輸入、輸出接口，電源，擴(kuò)展接口，通信接口，編沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 12 程工具，智能 I/O 接口，智能單元等組成。 1．中央處理器（ CPU） 與一般計(jì)算機(jī)一樣， CPU 是 PLC 的核心，他按 PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC 有條不紊地進(jìn)行工作。 2．存儲(chǔ)器 PLC 存儲(chǔ)器是用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運(yùn)行