【導(dǎo)讀】力和資源受限，對(duì)機(jī)床進(jìn)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(jī)床的數(shù)控化改造已成為企業(yè)提高自身自動(dòng)化程度的一種重要化手段。在設(shè)計(jì)的前期翻閱了大量的資料，根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求確定了總體設(shè)計(jì)方。介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)床改造業(yè)的現(xiàn)狀，討論了如何經(jīng)濟(jì)實(shí)用地做好數(shù)控系統(tǒng)選型，實(shí)現(xiàn)新數(shù)控系統(tǒng)與舊機(jī)床的組合，最終滿(mǎn)足舊機(jī)床改造的要求，改善機(jī)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(shí)用，運(yùn)行可靠，而且操作與。維護(hù)容易，性能價(jià)格比非常突出。接著完成了系統(tǒng)的強(qiáng)電設(shè)計(jì)及主電路控制元器件的。作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，機(jī)床的控制精度也有了很大的提高。

　　

【正文】 電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和起動(dòng)電壓。 ④ 電機(jī)應(yīng)能承受頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 (2) 進(jìn)給伺服電機(jī)的類(lèi)型 表 3— 9 伺服電機(jī)的類(lèi)型 類(lèi)型 主要特點(diǎn) 改進(jìn)型直流電機(jī) 此類(lèi)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的直流電機(jī)沒(méi)有區(qū)別，但靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能有改善，早期歐美電機(jī)多用。 小慣量直 流電機(jī) 能獲得較好的快速性，早期數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多 步進(jìn)電機(jī) 制造容易，主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床作為開(kāi)環(huán)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)元件。 永磁直流伺服電機(jī) 能在較大過(guò)載轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)期地工作，能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)于低速下而無(wú)爬行現(xiàn)象， 70年代至 80年代中期，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中占據(jù)統(tǒng)治地位，至今仍有使用。 無(wú)刷直流電機(jī) 實(shí)質(zhì)是交流調(diào)速電機(jī)的一種，電機(jī)性能達(dá)到直流電機(jī)的水平，又取消了換向器和電刷，多年來(lái)引起人們很大興趣。 交流調(diào)速電機(jī) 自 80 年代中期開(kāi)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(jī)床已全部采用，必定成為機(jī)床進(jìn)給驅(qū) 動(dòng)的方向。 (3) 進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇 在機(jī)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(jī)，交流伺服電機(jī)分類(lèi)如表 3— 10 所示。 1) 選擇方法 伺服電機(jī)是根據(jù)負(fù)載條件來(lái)選取的。加在電機(jī)軸上的負(fù)載主要有兩種：負(fù)載扭矩和負(fù)載慣量，其中負(fù)載扭矩包括切削扭矩和摩擦扭矩。負(fù)載扭矩應(yīng)小于所選擇電機(jī)的額定扭矩，負(fù)載扭矩與加速扭矩之和應(yīng)等于所選擇電機(jī)的最大扭矩。 加速扭矩應(yīng)考慮負(fù)載慣量和電機(jī)慣量的匹配，考慮連續(xù)過(guò)載時(shí)間在所選電機(jī)的允許范圍內(nèi)，負(fù)載快速運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)在電機(jī)的 最高轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(jī)轉(zhuǎn)速必須嚴(yán)格限制在電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 表 3— 10 交流伺服電機(jī)分類(lèi) 分類(lèi) 特點(diǎn) 異步型交流伺服電機(jī)（交流感應(yīng)電機(jī)） 多為籠型轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與同容量直流電機(jī)相比，質(zhì)量約輕 1/2，價(jià)格僅為直流電機(jī)的 1/3，但不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速。 同步型交流伺服 電機(jī) 電磁式 需集電環(huán)和電刷，機(jī)械可靠性與感應(yīng)電機(jī)相同，但功率因數(shù)高于異步電機(jī) 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(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高，采用高剩磁感應(yīng) 、高矯頑力的稀土類(lèi)磁鐵，比直流電機(jī)外形小 1/2，質(zhì)量減輕 60%，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電機(jī)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(jī)最高轉(zhuǎn)速（ r/min) N—— 快速行程中電機(jī)轉(zhuǎn)速（ r/min) mV —— 工作臺(tái)（或刀架）快速行程速度（ m/min) i—— 系統(tǒng)傳動(dòng)比 P—— 絲杠螺距（ mm） CA6140 機(jī)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(jī)電最高轉(zhuǎn)速應(yīng)高于 2020r/min。 ② 轉(zhuǎn)換到軸上的負(fù)載慣量 負(fù)載慣量應(yīng)限制在 倍電機(jī)慣量之內(nèi)（如果超過(guò) 倍也可以使用，但調(diào)整范圍將會(huì)減小，時(shí)間常數(shù)將會(huì)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(guò)電機(jī)額定扭矩 80％。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(jī)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(fù)載比 D，可按下式求出 msT 21DTT Cms ? （ 33） ④ 連續(xù)過(guò)載時(shí)間 連續(xù)過(guò)載時(shí)間應(yīng)限制在電機(jī)規(guī)定時(shí)間之內(nèi)。 由上述方法，根據(jù)算出的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速要求及其他指標(biāo)，選擇： X MOTOR—— FANUC ? 8B/3000i 直軸帶鍵制動(dòng) Z MOTOR—— FANUC ? 8/3000i 直軸帶鍵 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表 3— 11 所示。 表 3— 11 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 技術(shù)指標(biāo) ? 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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（㎏㎡） 重量（㎏） 12 2)? i系列交流伺服電機(jī)的特點(diǎn) ? i 系列交流伺服電機(jī)具有極平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)和快速加速性能，非常適合用于機(jī)床的進(jìn)給軸。 》尺寸緊湊 新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使電機(jī)軸向長(zhǎng)度縮短，有助于機(jī)床小型化 》薄型高分辨率 Qi 系列位置編碼器 標(biāo)配：高分辨率（標(biāo)準(zhǔn)： 1,000,000/rev，選配： 16,000,000/rev）提高了機(jī)床的精度并實(shí)現(xiàn)了小型化。 》智能化伺服電機(jī) ? i 系列伺服電機(jī)有電機(jī)代碼信息和位置編碼器信息，有助于機(jī)床的快速維護(hù)。 》 200V 輸入電壓 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇 控制電機(jī)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)稱(chēng)為交流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)由伺服電動(dòng)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。目前將交流伺服系統(tǒng) 根據(jù)所用的電動(dòng)機(jī)不同分為兩大類(lèi)：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(jī)的主體是永磁同步式交流伺服電機(jī)，后者電機(jī)用籠型交流電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)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(lái)保證它在伺服控制中應(yīng)用。 改造后機(jī)床選用的伺服電機(jī)為永磁同步式交流伺服電機(jī)，與其配套使用的伺服驅(qū)動(dòng)器為 FANUC? i系列伺服放大器，型號(hào)為 SVM40i。其控制方式采用矢量變換 控制。 驅(qū)動(dòng)原理 (1)永磁交流伺服系統(tǒng)按照其工作原理、驅(qū)動(dòng)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(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng) ② 正弦波電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式，其驅(qū)動(dòng)原理如圖 3— 1 所示。 圖 31 正弦波交流伺服驅(qū)動(dòng)原理 電流環(huán)的作用主要是控制電機(jī)的三相繞組電流滿(mǎn)足下列要求： ① 嚴(yán)格的三相對(duì)稱(chēng)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(dòng)勢(shì)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(hào)成正比。 直流伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)，而永磁交流伺服系統(tǒng)的電流環(huán)控制卻與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，它提供轉(zhuǎn)子瞬時(shí)角位移信號(hào)。而且對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器的要求是高分辨率的，這個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)入交流伺服驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)各相繞組的電流“換向”或畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 對(duì)電流波形的控制。選用的 ? i 系列伺服驅(qū)動(dòng)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(diǎn) 》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(hù)方便 通過(guò)電機(jī)代碼和電機(jī)溫度信息可方便進(jìn)行維護(hù)，減少了信號(hào)電纜的配線(xiàn)。 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造 對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求 機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有很大差別。機(jī)床主傳動(dòng)的工作運(yùn)動(dòng)通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)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(guò)去，數(shù)控機(jī)床大多采用直流主軸系統(tǒng)，由于直 流電機(jī)的換向限制，恒功率范圍往往較小，滿(mǎn)足不了現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的要求。此外，制造大容量直流電機(jī)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(kāi)始推出交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一方面交流電機(jī)不像直流電機(jī)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(dòng)的性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低，而在價(jià)格上卻不比直流主軸驅(qū)動(dòng)貴。 主軸驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有如下特點(diǎn)： (1) 輸出功率大 為滿(mǎn)足生產(chǎn)率的要求，主軸和進(jìn)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(jī)床在加工過(guò)程中，高轉(zhuǎn)速時(shí) 切削力很小，為充分提高電機(jī)使用效率，一般在電機(jī)高速段實(shí)行弱磁控制，使電機(jī)輸出功率恒定。 (3) 具有準(zhǔn)?？刂? 機(jī)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(zhǔn)確停在某一預(yù)先設(shè)定位置上的功能。 (4) 主軸與進(jìn)給的聯(lián)動(dòng) 在機(jī)床的螺紋加工中，需要主軸和進(jìn)給的聯(lián)動(dòng)，因此要求主軸具有和進(jìn)給一樣的伺服功能。 (5) 恒線(xiàn)速切削控制 機(jī)床在進(jìn)行端面切削時(shí)，常要求工件與刀尖的接觸點(diǎn)的線(xiàn)速度恒定，因此要求主軸具有均勻升速的功能。 主軸電機(jī)的分析與選用 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 (l) 對(duì)主軸電機(jī)的要求 根據(jù)上述特點(diǎn)，對(duì)主軸伺 服電機(jī)的具體要求為： ① 據(jù)各種機(jī)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(guò)載能力，為額定值的 ～ 倍，過(guò)載時(shí)間為幾分鐘至半小時(shí)。 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(shí)間短。 ⑤ 要求電機(jī)體積小。 ⑥ 電機(jī)溫升要低，振動(dòng)與噪聲要小。 (2) 典型主軸電機(jī)介紹 目前，數(shù)控機(jī)床多采用交流主軸電機(jī)，交流主軸電機(jī)采用感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，但是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。從國(guó)外較有代表性的 FANUC 公司的產(chǎn)品情況看，交流主軸電機(jī)有 下述幾種形式 : ① 輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機(jī) 為滿(mǎn)足機(jī)床切削的需要，要求主軸電機(jī)在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率。但主軸電機(jī)由于本身特性的限制，在低速時(shí)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(jī)。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(jì)成最佳的功率特性，得到很寬的恒功率范圍，一般能達(dá)到1:8～ 1:30。 ② 液體冷卻主軸電機(jī) 在電機(jī)尺寸一定的條件下，為了得到大的輸出功率，必然會(huì) 大幅度增加電機(jī)的發(fā)熱量。為此，必須解決電機(jī)的散熱問(wèn)題。一般是采用風(fēng)扇冷卻的方法散熱，但若采用液體強(qiáng)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(lèi)電機(jī)用強(qiáng)迫循環(huán)的潤(rùn)滑油來(lái)冷卻繞組和軸承，使電機(jī)可在 20200r/min 高速下連續(xù)運(yùn)行。這類(lèi)電機(jī)的值功率范圍也很寬。 ③ 內(nèi)裝式主軸電機(jī) 若能將主軸與電機(jī)制成一體，可使主軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。降低了噪聲、共振，即使在高速下運(yùn)行，振動(dòng)也極小。 (3) 主軸電機(jī)的選擇 ① 主軸電機(jī)的選擇及主要參數(shù) 改造機(jī)床的主軸電機(jī)也選用 ? i系列交流主軸電機(jī)，在選用時(shí)主要根據(jù)原機(jī)床主軸電機(jī)的參數(shù)來(lái)選擇的（如轉(zhuǎn)速范圍、輸出功率、最大轉(zhuǎn)矩），最后確定型號(hào)為 SPINDLE MOTOR ? 22/7000i。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 電機(jī)主要參數(shù)如表 3— 12所示。 ② ? i 系列交流主軸電機(jī)主要特點(diǎn) 高速時(shí)能保持高功率的高性能交流主軸電機(jī)，特別適用于機(jī)床的主軸。 》高功率、高加速 通過(guò)線(xiàn)圈優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用有效的冷卻裝置，電機(jī)即使在高速時(shí)也能保持恒定的功率，實(shí)現(xiàn)快速的加速。 表 3— 12 ? 22/7000i 主軸電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 技術(shù)指標(biāo) ? 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(dòng)慣量（ Kg ㎡） 注：括號(hào)里的值為在最大轉(zhuǎn)速時(shí)的額定輸出。 》可通冷卻液的空心 軸主軸電機(jī) 冷卻液可通過(guò)電機(jī)中心軸，直接連到機(jī)床的主軸上。 》采用簡(jiǎn)潔的主軸結(jié)構(gòu) 提高了主軸性能實(shí)現(xiàn)了高速、高精和低振動(dòng)。 主軸驅(qū)動(dòng)裝置 數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)主軸速度控制信號(hào)的不同可分為模擬量控制的主軸驅(qū)動(dòng)裝置和串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動(dòng)裝置兩類(lèi)，模擬量控制的主軸驅(qū)動(dòng)裝置采用變頻器實(shí)現(xiàn)主軸電動(dòng)機(jī)的控制，有通用變頻器控制通用電動(dòng)機(jī)和專(zhuān)用變頻器控制專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)兩種形式。串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控裝置生產(chǎn)廠(chǎng)家用來(lái)驅(qū)動(dòng)該廠(chǎng)家專(zhuān)用主軸電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(gè)交 — 直 — 交供電系統(tǒng)，由