【文章內(nèi)容簡介】 能最為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)，不但增加了費用，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對加工精度有特殊要求，一般沒有必要選擇此種控制方式。 目前，無反饋矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在 0． 5Hz時穩(wěn)定運行。所以，完全可以滿足主運動系統(tǒng)的要求。而且無反饋矢量控制方式能夠克服 U／ f控制方式的缺 點，因此可以說，是一種最佳選擇。 數(shù)控車床連續(xù)運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量 (kVA)計算式如下： MCNMMCNMCNkIIIkUPkPP????? 3103c o s?? 式中 PM——負(fù)載所要求的電動機的軸輸出功率； η——電動機的效率 (通常約 O． 85)； cosφ——電動機的功率因素 (通常約 O． 75) MU——電動機的電壓， 380V； MI——電動機工頻電源時的電流，為 15． 4A； k——電流波形的修正系數(shù) (PWM方式時取 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：? ?? ?? ?AkIIkVAIkUPkVAkPPMCNMMCNMCN o s33????????????????????? 12 1 12 選擇變頻器時應(yīng)同時滿足以上三個等式的關(guān)系。綜合以上分析計算，確定選用三菱 FRA540系列變頻器，具體型號為 FRA5407． 5KCH。 刀架部分的改造 拆除原手動刀架和小拖板，安裝由數(shù)控系統(tǒng)控制的四工位電動刀架。根據(jù)車床的型號及主軸中心高度，選用常州市宏達機床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4C6132型電動刀架，該刀架內(nèi)帶 120W三相交流異步電動機用于驅(qū)動正轉(zhuǎn)選刀。內(nèi)置的 4只霍爾元件檢測刀位位置，電動機反轉(zhuǎn)完成 刀具定位鎖緊。安裝時，拆除車床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機風(fēng)罩，逆時針方向轉(zhuǎn)動電機，使刀架轉(zhuǎn)動到 45176。 左右時，裝上螺釘，然后固定刀架即可。電機安裝好如圖 211所示。 圖 211 電動刀架安裝實物圖 LD4C6132型電動刀架技術(shù)參數(shù)見表 21。電動刀架的安裝較為方便，安裝時 須注意以下兩點： 1)電動刀架的兩側(cè)面與原車床縱、橫向的進給方向平行； 2)電動刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時應(yīng)合理，以免加工時切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動刀架連線。 13 1 13 數(shù)控系統(tǒng)的類型及選擇 數(shù)控系統(tǒng)的分類 目前 ,數(shù)控系統(tǒng)的品種規(guī)格繁多 ,功能各異 ,分類方法不一 ,通?？砂聪旅鎯煞N方法進行分類。 1）點位控制系統(tǒng) 其特點是，只要求控制機床移動部件從一點移動到另一點的準(zhǔn)確位置，至于點與點之間的移動軌跡（路徑和方向）并不嚴(yán)格要求。各坐標(biāo)軸之間的運動是不相關(guān)的，并且在移動過程中不進行切削。 2）直線切削控制系統(tǒng) 其特點是，除了控制移動部件從一點到另一點之間的準(zhǔn)確定位外，還要控制兩相關(guān)點之間的移動速度和路線（即軌跡），但其路線只是與機床坐標(biāo)軸平行的直線。也就是說，同時控制的坐標(biāo) 軸只有一個，且在移動過程中刀具能以給定的進給速度進行切削，一般只能加工矩形、臺階形零件。 3）連續(xù)切削控制系統(tǒng) 也稱為輪廓控制系統(tǒng)，其特點是能夠?qū)蓚€或兩個以上運動坐標(biāo)的位移和速度同時進行連續(xù)相關(guān)控制。在這類控制方式中，要求數(shù)控裝置具有插補運算的功能，即根據(jù)程序輸入的基本數(shù)據(jù)，通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的插補運算器的數(shù)學(xué)處理，把直線或曲線的形狀描述出來，并一邊運算，一邊根據(jù)計算結(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)動位移量與所要求的輪廓相符合。 1） 開環(huán)控制系統(tǒng) 采用開環(huán)控制系統(tǒng) 的機床，沒有檢測反饋裝置。指令信號單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。其驅(qū)動電動機采用步進電機。這種機床采用開環(huán)進給伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置根據(jù)所給的進給速度和進給位移，輸出一定的頻率和數(shù)量的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路放大后，每一個進給脈沖控制步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角，再經(jīng)減速齒輪、絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成工作臺的一個當(dāng)量直線位移。 2）閉環(huán)控制系統(tǒng) 數(shù)控裝置將位移指令與位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時進行比較，根據(jù)其差值與指令進給速度的要求，按一定的規(guī)律進行轉(zhuǎn)換后，得到進給伺服系統(tǒng)的速度指 令。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是定位精度高，但由于這類系統(tǒng)采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅(qū)動元件，所以電動機的控制線路比較復(fù)雜。另外檢測元件昂貴，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)控機床。 3）半閉環(huán)控制系統(tǒng) 這種機床是將位置檢測裝置安裝在驅(qū)動電機端部，或安裝在傳動絲杠端部，間接測量部件的實際位置或位移，然后反饋到控制裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值14 1 14 進行控制，直到差值消除為止。 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 本設(shè)計中由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位 、直線插補、順、逆圓插補、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)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)系統(tǒng)，雖然開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有速度反饋和位移反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號單向發(fā)送，但開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡單。如果采用螺距誤差補償和徑向間隙補償?shù)却胧?，定位精度可提高?77。 ，可以滿足設(shè)計要求。 計算機系統(tǒng)的選擇 微型機數(shù)控系統(tǒng)由 CPU、 ROM、 RAM擴展電路、 I/O接口電路、伺服電機 驅(qū)動電路等幾部分組成。 由于 MCS51單片微型機具有各種尋址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很強的位尋址和運算功能，特別適合于控制應(yīng)用場合，使用 MCS51來構(gòu)成各種控制系統(tǒng)，可大大簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低成本。 1） 單片機的選擇 MCS51系列中的 8031單片機片內(nèi)無 ROM，適于需外接 ROM、能在現(xiàn)場進行修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，價格低，使用靈活，從實用性與經(jīng)濟性考慮，采用 8031作為控制系統(tǒng)的單片機。 2） 存儲器擴展 ① 8031的片內(nèi)沒有程序存儲器，必須外接擴展電路，具有擴展 2片 2764共 16K的程序擴展電路。 ② 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 8031內(nèi)部有 128個字節(jié) RAM存儲器。它可以作為寄存器，堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器， CPU對其內(nèi)部 RAM有豐富的操作指令。因此，這個 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存儲器，但片內(nèi) RAM存儲器往往是不夠的。外接 RAM擴展電路可擴大存儲器容量。本設(shè)計擴展一個 6264（ 8K）的外部 RAM。 ③ 接口電路，伺服電機驅(qū)動電路等 接口電路主要用于控制縱向和橫向步進電機，刀架電機等。鍵盤有 32個鍵。此外，還有伺服電機驅(qū)動電路，光電耦合器電路，報警電路， 8031時鐘電路，復(fù)位電路等。 由此可得車床伺服系統(tǒng)控制方案，如圖 213所示。 第三章 進給步進電機計算和 控制 一 .橫向電機計算 1）等效轉(zhuǎn)動慣量計算 由于橫向步進電機經(jīng)兩對齒輪降速后傳到絲桿，此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上總的轉(zhuǎn)動慣量dJ可由下式計算 15 1 15 ? ? ? ? miLiJJiJJJJ zzzzZd 20221 2114321 ???????????? ? 式中zJ為轉(zhuǎn)動慣量， i為傳動比， m取 50kg,絲杠導(dǎo)程0L為 ； 計算圓柱體轉(zhuǎn)動慣量的公式為 J=324ld?? ? 為材料密度， d為傳動件的等效直徑， l為軸向長度； 按照上式可依次計算出各傳動件的轉(zhuǎn)動慣量，其中絲杠的等效直徑取 ???mm 經(jīng)計算： mkgJ z ??? ? mkgJ Z ??? ?， mkgJ Z ??? ? mkgJ Z ??? ?， mkgJS ??? ? 則將各傳動部件及工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 mkgJ d ??? ? 2) 慣量匹配驗算 參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機 110BF003型反應(yīng)式步進電動機，查《機械設(shè)計手冊第 5卷》表 Ts=,則41mdJJ=1所以慣量匹配比較合理。 3）步進電機負(fù)載能力校驗 作用在步進電動機軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T可按下式計算 ? ? ? ?iFLiFLiFLJJT uwdm ?? ?????? 2 122 202200 ?????? ①空載啟動時，電動機軸上的慣性轉(zhuǎn)矩： mNTJ ?? ② 電動機軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩： mNTu ?? 16 1 16 ③工作臺上的最大軸向載荷折算到電動機軸上的負(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、折算到電動機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩： mNT ?? 0 則空載啟動時電動機上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 mNTTTT uJp ???????? 8 2 1 反應(yīng)式步 在最大外載荷下工作時，電動機軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 mNTTTT uw ???????? 7 9 步進電機正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩 Ts可由以下經(jīng)驗公式計算 mNTT s ??? ~~ 12 由于初選的步進電機 110BF003最大靜轉(zhuǎn)矩 mNTs ?? mas2sT所以按給定要求 110BF003步進電機可以正常啟動，可作為初選電機，但還必須進一步考核步進電機的啟動矩頻特性和運行矩頻特性。 3） 電機最大空載啟動頻率qf和最大運行工作頻率zf的確定 Hzvf pq 350060500 m a x ?? ??? ? Hzvf p sz 550060500 ?? ??? ? 從《機械設(shè)計手冊（新版）第 5卷》表 110BF003型步進電機允許最大空載啟動頻率為 1500Hz，運行頻率為 110BF003步進電機的啟動矩頻特性和運行矩頻特性曲線?？煽闯?，當(dāng)步進電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩，直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制，將起動頻率降到 1230Hz.，起動力矩可增高到 M=，即可滿足要求。當(dāng)快速運動和切削進給時， 110BF003型步進電 機運行矩頻特性完全可以滿足要求。 4） 系統(tǒng)剛度計算 絲杠螺母機構(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。 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） 動態(tài)分析 絲杠工作臺縱振的最低頻率 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)動慣量為 22 0 0 3 6 mkgJJ isd ??? 如果忽略電動機軸與減速器的扭轉(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)計中，nc?30