【導(dǎo)讀】力和資源受限，對機床進行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金和快速上馬的有效途徑。機床的數(shù)控化改造已成為企業(yè)提高自身自動化程度的一種重要化手段。在設(shè)計的前期翻閱了大量的資料，根據(jù)任務(wù)書的要求確定了總體設(shè)計方。介紹了當前國內(nèi)外機床改造業(yè)的現(xiàn)狀，討論了如何經(jīng)濟實用地做好數(shù)控系統(tǒng)選型，實現(xiàn)新數(shù)控系統(tǒng)與舊機床的組合，最終滿足舊機床改造的要求，改善機床的技術(shù)性能。該系統(tǒng)是由日本生產(chǎn)的，其成本低，功能實用，運行可靠，而且操作與。維護容易，性能價格比非常突出。接著完成了系統(tǒng)的強電設(shè)計及主電路控制元器件的。作者的勞動強度，機床的控制精度也有了很大的提高。

　　

【正文】 電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，盡可能小的機電時間常數(shù)和起動電壓。 ④ 電機應(yīng)能承受頻繁的起動、制動和反轉(zhuǎn)。 (2) 進給伺服電機的類型 表 3— 9 伺服電機的類型 類型 主要特點 改進型直流電機 此類電機在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的直流電機沒有區(qū)別，但靜態(tài)和動態(tài)性能有改善，早期歐美電機多用。 小慣量直 流電機 能獲得較好的快速性，早期數(shù)控機床上應(yīng)用較多 步進電機 制造容易，主要用于經(jīng)濟型數(shù)控機床作為開環(huán)進給驅(qū)動元件。 永磁直流伺服電機 能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長期地工作，能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)于低速下而無爬行現(xiàn)象， 70年代至 80年代中期，在數(shù)控機床進給驅(qū)動中占據(jù)統(tǒng)治地位，至今仍有使用。 無刷直流電機 實質(zhì)是交流調(diào)速電機的一種，電機性能達到直流電機的水平，又取消了換向器和電刷，多年來引起人們很大興趣。 交流調(diào)速電機 自 80 年代中期開始，已經(jīng)得到迅速發(fā)展并形成潮流。日本生產(chǎn)的數(shù)控機床已全部采用，必定成為機床進給驅(qū) 動的方向。 (3) 進給伺服電機的選擇 在機床的改造中選用日本 FANUC0iTB 數(shù)控系統(tǒng)，與其配套使用的為交流永磁式同步伺服電機，交流伺服電機分類如表 3— 10 所示。 1) 選擇方法 伺服電機是根據(jù)負載條件來選取的。加在電機軸上的負載主要有兩種：負載扭矩和負載慣量，其中負載扭矩包括切削扭矩和摩擦扭矩。負載扭矩應(yīng)小于所選擇電機的額定扭矩，負載扭矩與加速扭矩之和應(yīng)等于所選擇電機的最大扭矩。 加速扭矩應(yīng)考慮負載慣量和電機慣量的匹配，考慮連續(xù)過載時間在所選電機的允許范圍內(nèi)，負載快速運動時所需的電機轉(zhuǎn)速應(yīng)在電機的 最高轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 ① 最高轉(zhuǎn)速 快速行程的電機轉(zhuǎn)速必須嚴格限制在電機的最高轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 表 3— 10 交流伺服電機分類 分類 特點 異步型交流伺服電機（交流感應(yīng)電機） 多為籠型轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)簡單，與同容量直流電機相比，質(zhì)量約輕 1/2，價格僅為直流電機的 1/3，但不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速。 同步型交流伺服 電機 電磁式 需集電環(huán)和電刷，機械可靠性與感應(yīng)電機相同，但功率因數(shù)高于異步電機 非電磁式 磁滯式 較永磁式效率低，功率因數(shù)差，制造容量不大 永磁式 結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高，采用高剩磁感應(yīng) 、高矯頑力的稀土類磁鐵，比直流電機外形小 1/2，質(zhì)量減輕 60%，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電機的 1/5 反應(yīng)式 較永磁式效率低，功率因數(shù)差，制造容量不大 1 0 3max ??? PiVNN m (31) 式中， maxN —— 電機最高轉(zhuǎn)速（ r/min) N—— 快速行程中電機轉(zhuǎn)速（ r/min) mV —— 工作臺（或刀架）快速行程速度（ m/min) i—— 系統(tǒng)傳動比 P—— 絲杠螺距（ mm） CA6140 機床橫、縱向滑板快速行程速度為 10m/min,絲杠螺距為 P=5mm,由上式可以算出 N≈ 2020r/min,所以選擇的機電最高轉(zhuǎn)速應(yīng)高于 2020r/min。 ② 轉(zhuǎn)換到軸上的負載慣量 負載慣量應(yīng)限制在 倍電機慣量之內(nèi)（如果超過 倍也可以使用，但調(diào)整范圍將會減小，時間常數(shù)將會增加）。 LM JJ ?? （匹配條件） （ 32） ③ 工 作狀態(tài)載荷扭矩 在正常狀態(tài)下，工作狀態(tài)載荷扭矩應(yīng)不超過電機額定扭矩 80％。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 msMS TT ?? %80 式中， MST —— 電機額定扭矩 msT —— 工作狀態(tài)載荷扭矩 msT 取決于操作模式，若知道最大切削扭矩 cT 和最大負載比 D，可按下式求出 msT 21DTT Cms ? （ 33） ④ 連續(xù)過載時間 連續(xù)過載時間應(yīng)限制在電機規(guī)定時間之內(nèi)。 由上述方法，根據(jù)算出的電機最高轉(zhuǎn)速要求及其他指標，選擇： X MOTOR—— FANUC ? 8B/3000i 直軸帶鍵制動 Z MOTOR—— FANUC ? 8/3000i 直軸帶鍵 電機主要技術(shù)參數(shù)如表 3— 11 所示。 表 3— 11 電機主要技術(shù)參數(shù) 技術(shù)指標 ? 8/3000i(? 8B/3000i) 額定輸出功率（ KM） 額定扭矩（ Nm） 8 最高轉(zhuǎn)速（ r/min） 3000 電機轉(zhuǎn)動慣量（㎏㎡） 重量（㎏） 12 2)? i系列交流伺服電機的特點 ? i 系列交流伺服電機具有極平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動和快速加速性能，非常適合用于機床的進給軸。 》尺寸緊湊 新的結(jié)構(gòu)設(shè)計使電機軸向長度縮短，有助于機床小型化 》薄型高分辨率 Qi 系列位置編碼器 標配：高分辨率（標準： 1,000,000/rev，選配： 16,000,000/rev）提高了機床的精度并實現(xiàn)了小型化。 》智能化伺服電機 ? i 系列伺服電機有電機代碼信息和位置編碼器信息，有助于機床的快速維護。 》 200V 輸入電壓 伺服電機驅(qū)動模塊的選擇 控制電機采用交流伺服電動機的伺服系統(tǒng)稱為交流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)由伺服電動畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 機和伺服驅(qū)動器兩部分組成。目前將交流伺服系統(tǒng) 根據(jù)所用的電動機不同分為兩大類：即永磁交流伺服系統(tǒng)和異步型交流伺服系統(tǒng)。前者電機的主體是永磁同步式交流伺服電機，后者電機用籠型交流電機。伺服驅(qū)動器通常采用電流型脈寬調(diào)制（ PWM）三相逆變器和具有電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)，其外特性與直流伺服系統(tǒng)相似，以足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍和 4象限工作能力來保證它在伺服控制中應(yīng)用。 改造后機床選用的伺服電機為永磁同步式交流伺服電機，與其配套使用的伺服驅(qū)動器為 FANUC? i系列伺服放大器，型號為 SVM40i。其控制方式采用矢量變換 控制。 驅(qū)動原理 (1)永磁交流伺服系統(tǒng)按照其工作原理、驅(qū)動電流波形和控制方式的不同，又可分為兩種伺服系統(tǒng)： ① 矩形波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng) ② 正弦波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng) FANUC? i系列伺服放大器采用正弦波電流驅(qū)動方式，其驅(qū)動原理如圖 3— 1 所示。 圖 31 正弦波交流伺服驅(qū)動原理 電流環(huán)的作用主要是控制電機的三相繞組電流滿足下列要求： ① 嚴格的三相對稱正弦函數(shù)變化關(guān)系： ② 它們的相位分別與該相的反電動勢相位同相（或反相） 。 ③ 電流幅值 與速度調(diào)節(jié)器的輸出的指令信號成正比。 直流伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制與電動機轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，而永磁交流伺服系統(tǒng)的電流環(huán)控制卻與電動機的轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，交流伺服電機運轉(zhuǎn)必須有電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器，它提供轉(zhuǎn)子瞬時角位移信號。而且對轉(zhuǎn)子位置傳感器的要求是高分辨率的，這個傳感器信號進入交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)部分，實現(xiàn)對電動機各相繞組的電流“換向”或畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 對電流波形的控制。選用的 ? i 系列伺服驅(qū)動系統(tǒng)恰好提供了高分辨率的 ? i 系列位置編碼器。 (2) ? i 系列伺服放大器特點 》小型化 寬度減少了 20%，厚度減少 11%，有利于電柜尺寸縮小。 》節(jié)能 應(yīng)用最新的節(jié)能功率模塊，能量損耗減少了 10％。 》維護方便 通過電機代碼和電機溫度信息可方便進行維護，減少了信號電纜的配線。 主軸驅(qū)動系統(tǒng)的改造 對主軸驅(qū)動的要求 機床的主軸驅(qū)動和進給驅(qū)動有很大差別。機床主傳動的工作運動通常是旋轉(zhuǎn)運動，對主軸要求在很寬范圍內(nèi)速度連續(xù)可調(diào)，并在各種速度下提供恒定的切削功率。過去，數(shù)控機床大多采用直流主軸系統(tǒng)，由于直 流電機的換向限制，恒功率范圍往往較小，滿足不了現(xiàn)代數(shù)控機床的要求。此外，制造大容量直流電機也比較困難。 80年代初期，隨著微電子技術(shù)和大功率晶體管的高速發(fā)展，開始推出交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)，一方面交流電機不像直流電機那樣在高轉(zhuǎn)速和大容量方面受到限制；另一方面交流主軸驅(qū)動的性能已達到直流驅(qū)動系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低，而在價格上卻不比直流主軸驅(qū)動貴。 主軸驅(qū)動應(yīng)具有如下特點： (1) 輸出功率大 為滿足生產(chǎn)率的要求，主軸和進給相比應(yīng)具有更大的功率。 (2) 具有恒扭矩段及恒功率段 機床在加工過程中，高轉(zhuǎn)速時 切削力很小，為充分提高電機使用效率，一般在電機高速段實行弱磁控制，使電機輸出功率恒定。 (3) 具有準?？刂? 機床在加工中常要求主軸必須停在某一固定的徑向位置，因此要求伺服具有準確停在某一預(yù)先設(shè)定位置上的功能。 (4) 主軸與進給的聯(lián)動 在機床的螺紋加工中，需要主軸和進給的聯(lián)動，因此要求主軸具有和進給一樣的伺服功能。 (5) 恒線速切削控制 機床在進行端面切削時，常要求工件與刀尖的接觸點的線速度恒定，因此要求主軸具有均勻升速的功能。 主軸電機的分析與選用 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 (l) 對主軸電機的要求 根據(jù)上述特點，對主軸伺 服電機的具體要求為： ① 據(jù)各種機械要求，能在一定范圍內(nèi)保持恒轉(zhuǎn)矩或恒功率輸出，功率較大，約在 ～ 25OKW 范圍。 ② 具有一定的過載能力，為額定值的 ～ 倍，過載時間為幾分鐘至半小時。 ③ 在大的調(diào)速范圍內(nèi)速度應(yīng)該穩(wěn)定，且恒功率的速度范圍寬。 ④ 加速和減速時間短。 ⑤ 要求電機體積小。 ⑥ 電機溫升要低，振動與噪聲要小。 (2) 典型主軸電機介紹 目前，數(shù)控機床多采用交流主軸電機，交流主軸電機采用感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)形式，但是專門設(shè)計的。從國外較有代表性的 FANUC 公司的產(chǎn)品情況看，交流主軸電機有 下述幾種形式 : ① 輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機 為滿足機床切削的需要，要求主軸電機在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率。但主軸電機由于本身特性的限制，在低速時輸出功率發(fā)生變化（即為恒轉(zhuǎn)矩輸出），而在高速區(qū)則為恒功率輸出。為此， FANUC 公司生產(chǎn)出一種輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機。例如三角形 — 星形切換和繞組數(shù)切換，或二者組合切換。尤其是繞組數(shù)切換方法格外方便，每套繞組都能設(shè)計成最佳的功率特性，得到很寬的恒功率范圍，一般能達到1:8～ 1:30。 ② 液體冷卻主軸電機 在電機尺寸一定的條件下，為了得到大的輸出功率，必然會 大幅度增加電機的發(fā)熱量。為此，必須解決電機的散熱問題。一般是采用風(fēng)扇冷卻的方法散熱，但若采用液體強迫冷卻法則能在保持小體積條件下獲得大的輸出功率。 FANUC 公司生產(chǎn)的這類電機用強迫循環(huán)的潤滑油來冷卻繞組和軸承，使電機可在 20200r/min 高速下連續(xù)運行。這類電機的值功率范圍也很寬。 ③ 內(nèi)裝式主軸電機 若能將主軸與電機制成一體，可使主軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡化。降低了噪聲、共振，即使在高速下運行，振動也極小。 (3) 主軸電機的選擇 ① 主軸電機的選擇及主要參數(shù) 改造機床的主軸電機也選用 ? i系列交流主軸電機，在選用時主要根據(jù)原機床主軸電機的參數(shù)來選擇的（如轉(zhuǎn)速范圍、輸出功率、最大轉(zhuǎn)矩），最后確定型號為 SPINDLE MOTOR ? 22/7000i。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 電機主要參數(shù)如表 3— 12所示。 ② ? i 系列交流主軸電機主要特點 高速時能保持高功率的高性能交流主軸電機，特別適用于機床的主軸。 》高功率、高加速 通過線圈優(yōu)化設(shè)計和使用有效的冷卻裝置，電機即使在高速時也能保持恒定的功率，實現(xiàn)快速的加速。 表 3— 12 ? 22/7000i 主軸電機主要技術(shù)參數(shù) 技術(shù)指標 ? 22/7000i 額定輸出功率 連續(xù)輸出功率（ KW） 22（ ） 30 分鐘輸出功率（ KW） 26（ 22） 基本轉(zhuǎn)速（ r/min） 1500 恒功率輸出轉(zhuǎn)速（ r/min） 6000 最大轉(zhuǎn)速（ r/min） 7000 扭矩（ Nm） 140 轉(zhuǎn)動慣量（ Kg ㎡） 注：括號里的值為在最大轉(zhuǎn)速時的額定輸出。 》可通冷卻液的空心 軸主軸電機 冷卻液可通過電機中心軸，直接連到機床的主軸上。 》采用簡潔的主軸結(jié)構(gòu) 提高了主軸性能實現(xiàn)了高速、高精和低振動。 主軸驅(qū)動裝置 數(shù)控機床的主軸驅(qū)動裝置根據(jù)主軸速度控制信號的不同可分為模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置和串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動裝置兩類，模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置采用變頻器實現(xiàn)主軸電動機的控制，有通用變頻器控制通用電動機和專用變頻器控制專用電動機兩種形式。串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動裝置是數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家用來驅(qū)動該廠家專用主軸電動機的驅(qū)動裝置。其控制方式采用正弦波 PWM 控制（即 SPWM)。 (l) 控制原理 正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）是一個交 — 直 — 交供電系統(tǒng)，由