【正文】 通車床的機(jī)械特性如圖 22所示。 D 點(diǎn)是分界點(diǎn)，一般來說，大約在 2 處（ 是分界點(diǎn)的轉(zhuǎn)速， 是最高轉(zhuǎn)速）。尤其是車削毛坯時(shí)，由于同心度較差和表面的不光滑，常 會(huì)遇到較大的沖擊力。 ，為了提高工作效率，切削深度和進(jìn)刀量 都較大。在正常情況下，出現(xiàn)過載的可能性極小。他具有以下特點(diǎn)： 由于齒輪箱變速時(shí)，轉(zhuǎn)矩的變化與轉(zhuǎn)速的變化成反比，故具有恒功率的性質(zhì)。如忽略齒輪箱的功率損耗不計(jì)，則在全調(diào)速范圍內(nèi)，都具有恒功率的特點(diǎn)。 車床主拖動(dòng)的變頻調(diào)速系統(tǒng) 對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本考慮 (1) 由于調(diào)速范圍很廣，且要求有比較硬的機(jī)械特性。對(duì)于普通車床來說，由于對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高，用“無(wú)反饋矢量控制”方式已經(jīng)足夠。 (3) 電動(dòng)機(jī)的容量一般應(yīng)此比原拖動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)容量為大（詳見下速）。所以，變頻器的容量以比電動(dòng)機(jī)容量大一檔為好。從而，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 等于其額定轉(zhuǎn)速 ，它折算到負(fù)載軸上的值 應(yīng)大于負(fù)載要求的最大轉(zhuǎn)速 ： = （ 15） 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的折算值（折算到負(fù)載軸上的轉(zhuǎn)矩）應(yīng)大于負(fù)載的最大轉(zhuǎn)矩的 T； （ 16） 圖 21 1—— 負(fù)載機(jī)械特性曲線 2—— 電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線 綜上所述，電動(dòng)機(jī)的優(yōu)先轉(zhuǎn)矩線如圖 23 的曲線 2 所示，曲線 1 是車床的機(jī)械特性曲線。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2. 電動(dòng)機(jī)的容量 在圖 23 中，負(fù)載所需功率 （ 17） 其大小與面積 OADB 成正比。HG 成正比，其大小為： （ 18） 可見，采用了變頻調(diào)速以后，電動(dòng)機(jī)的容量需增大 倍以上。 (2) 最低頻率 因?yàn)橹挥幸粰n轉(zhuǎn)速，故頻率調(diào)節(jié)范圍 為： （ 19） 當(dāng) 時(shí)， 50/40= 當(dāng) 時(shí)， 50/140= 異步電動(dòng)機(jī)在這樣低的頻率下連續(xù)工作，如不用負(fù)載反饋，是比較困難的。但一般不宜超過額定頻率的 倍（即： ）。曲線 1為車床的機(jī)械特性曲線 。H180。成正比，其大小為 （ 113） 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 可見，頻率范圍過大之后，電動(dòng)機(jī)的容量可以比 減小 倍，但與負(fù)載功率相比，仍需 增大很多。因此，就切削精度而言，選擇 V/F 控制方式是能夠滿足要求的。因?yàn)樵诘退偾邢鲿r(shí)，需要預(yù)置較大的 V/F，則會(huì)出現(xiàn)在負(fù)載較輕的情況下，電動(dòng)機(jī)的磁路常處于過飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流過大的問題。由于無(wú)反饋矢量控制方式能夠克服 V/F 控制方式的缺點(diǎn)，故是一種最佳選擇。 ：有反饋矢量控制方式雖然是運(yùn)行性能最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(fèi)用，對(duì)編碼器的安裝也比較麻煩。 目前，國(guó)產(chǎn)變頻器技術(shù)非常成熟了， ABB 公司產(chǎn)品在價(jià)格和性能上足可以與國(guó)外媲美了。 頻率給定 可以直接通過變頻器的面板進(jìn)行調(diào)速，也可以通過外接電位器調(diào)速。圖中 ② 這個(gè)區(qū)域（約為 600~800r/min） 內(nèi)，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，有可能出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)帶不動(dòng)的情況。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 31 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 4. PLC 控制 實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速分段給定 原理 如果車床還需要進(jìn)行復(fù)雜的程序控制，可應(yīng)用可編程控制 器（ PLC）結(jié)合變頻器的多檔轉(zhuǎn)速功能來實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。通過 PLC 控制變頻器的外接輸入端子 X1， X2， X3的不同組合，得到 8檔轉(zhuǎn)速。 圖 41 邏輯表 檔位 1 2 3 4 5 6 7 8 二進(jìn)制 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 5. 設(shè) 計(jì) 系統(tǒng)構(gòu)成 一．系統(tǒng)構(gòu)成： 本課題是以《交流變頻調(diào)速技術(shù)》的典型應(yīng)用實(shí)例為基礎(chǔ)，對(duì)制造業(yè)量大面廣的普通車床主軸拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造：包括電動(dòng)機(jī)容量減??；機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改造；機(jī)械變速改為變頻調(diào)速（微電子觸摸屏取代機(jī)械手柄笨重操作）； PLC 對(duì)車床的邏輯判斷控制等設(shè)計(jì)任務(wù)。因此除了要進(jìn)行計(jì)算傳動(dòng)比 1：3 的齒輪箱的機(jī)械設(shè)計(jì)，還要把這個(gè)多軸傳動(dòng)折算到電動(dòng)機(jī)軸側(cè)，以驗(yàn)算改造后的 GD178。 （ 2）變頻調(diào)速拖動(dòng)原理 根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n = 60 f /p 可知，調(diào)節(jié)交流電的頻率 f 能夠改變電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器是應(yīng)用電力電子元件通過整流再按不同頻率要求逆變成變頻交流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變 速，（實(shí)際是控制 E/f 比），由于變頻器內(nèi)核心單北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 元是 MPU 微機(jī)處理器，可以采用矢量及矩陣方法計(jì)算得到很好的調(diào)速機(jī)械特性，并可預(yù)置很多智能控制功能。 （ 4）變頻器程序譯碼器實(shí)現(xiàn)電子觸摸屏轉(zhuǎn)速設(shè)定 如（ 2）所述，變頻器接受 3 個(gè)信號(hào)譯出 8 種轉(zhuǎn)速作為變頻器給定；另外通過變頻器預(yù)先設(shè)置參數(shù)，存儲(chǔ) 8 種自動(dòng)變速的車削方案曲線，通過組合鍵選擇 ，使變頻器按 存 儲(chǔ)的不同轉(zhuǎn)速切削過程自動(dòng)調(diào)速。而改造后的機(jī)床通過 PLC 控制， 直接作用于電機(jī)， 外接電子觸摸屏 按鈕實(shí)現(xiàn)變速，少了齒輪 箱內(nèi)的大量齒輪組，只需要保留電機(jī)與機(jī)床主軸一對(duì)齒輪對(duì)！ 考慮到電機(jī)啟動(dòng)和低速作業(yè)時(shí)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，為了解決低速切削力量不夠的問題，設(shè)計(jì)電機(jī)與主軸 1:3 的傳動(dòng)比，如下圖。圖中接觸器 KM 用于接通變頻器的電源，由 SB1 和 SB2 控制。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 53 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)只有在變頻器接通電源后才能進(jìn)行；變頻器只有正反轉(zhuǎn)都不工作的時(shí)候才會(huì)切斷電源。 控制與實(shí)現(xiàn) 電子觸摸 圖 54 圖中， 0 為確認(rèn)鍵； 9 為復(fù)位鍵；其他數(shù)字鍵為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速鍵。按下對(duì)應(yīng)數(shù)字鍵再按確認(rèn)鍵，機(jī)器工作；按下復(fù)位鍵，機(jī)器停止。 1) 簡(jiǎn)介 Y2132S4 系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是為配合國(guó)外各類高性能的 IGBT 脈寬調(diào)制變頻器而特殊設(shè)計(jì)的，使用時(shí)一般不需配用外接濾波器。電動(dòng)機(jī)噪聲低、振動(dòng)小、調(diào)速范圍廣、外觀新穎。為了使電動(dòng)機(jī)能適應(yīng) PWM 變頻電源供電的狀況，在設(shè)計(jì)上，對(duì)定子、轉(zhuǎn)子 槽型和定子繞組分布形式做了特殊的考慮，以期獲得一個(gè)較為合適的電感值，來抑制和減小時(shí)間諧波和由其一起的一系列電動(dòng)機(jī)空間諧波所產(chǎn)生的不良影響。 Y2132S4 系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，考慮了采用 IGBT的 PWM 變頻器的高載波頻率的影響。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面， Y2132S4 系列的安裝尺寸與 Y 系列相同，以便用戶的配套和選用。另一種 IC416 系列，該系列使用單獨(dú)的軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 迫通風(fēng)，保證了電動(dòng)機(jī)在低速 （ 1~2HZ） 時(shí)恒轉(zhuǎn)矩長(zhǎng)期運(yùn)行溫升不超過允許值。 2) 主要技術(shù)性能 (1) 電動(dòng)機(jī)為連續(xù)工作制 S1 (2) 電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 380V、頻率為 50Hz。 (3) 電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)為 F級(jí)或 H級(jí)，絕緣結(jié)構(gòu)具有對(duì)變頻器輸出高載波頻率電壓的適應(yīng)能力。 IC411 系列可在 10~50HZ下實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速， 50~70HZ下實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速； IC416 系列在開環(huán) U/f 控制的條件下，可實(shí)現(xiàn) 3~50HZ 時(shí)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速， 50~100HZ 時(shí)的恒功率調(diào)速；在矢量控制的條件下，調(diào)速范圍還可以擴(kuò)大。能夠承受額定轉(zhuǎn)矩 160%過載，歷史 1min。低速時(shí)性能平滑，無(wú)爬行現(xiàn)象。 3) 結(jié)構(gòu)形式 電動(dòng)機(jī)的外殼防護(hù)等級(jí)為 IP44，也可以按用戶需要制成 IP54：電動(dòng)機(jī)的冷卻方式分為全封閉外表軸向自扇冷卻 （ IC411） 及全封閉帶單獨(dú)軸流風(fēng)機(jī)的外表軸向風(fēng)機(jī)冷卻 （ IC416） 兩種，也可以按需要制成其他冷卻方式；電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及安裝形式為 LMB LMB LMB35，并可在這三種基本安裝形式的基礎(chǔ)上派生其它安裝型式。 IC416 系列可根據(jù)用戶要求帶各種高分辨率的傳感器（光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器及測(cè)速發(fā)電機(jī)）。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 表 63 各檔轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩核算結(jié)果 負(fù)載轉(zhuǎn)速 /（ r/min） 80 120 250 500 800 1200 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 /（ r/min） 480 720 1500 600 960 1440 電動(dòng)機(jī)工作頻率 /Hz 25 50 與表 32 中的各檔負(fù)載轉(zhuǎn)矩相比，可以看出 ： 各檔的過載能力基本滿足要求。 而對(duì)于采用了矢量控制方式的變頻器來說，由于進(jìn)行矢量控制時(shí)需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，其運(yùn)算電路中有時(shí)還有一個(gè)以 DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為主的轉(zhuǎn)矩計(jì)算用 CPU 以及相應(yīng)的磁通監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)電路。它的主要作用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。 直流中間電路的作用是對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外，由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)電阻以及其它輔助電路。它的作用是在控制電路的控制下將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門極（基極）驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電力以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，也是變頻器的核心部分?？只胖H電路的主要作用是將檢測(cè)電力得到的各種信號(hào)送至運(yùn)算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)要求為變頻器主電路提供必要的保護(hù)。 變頻器的選擇 變頻器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻 器容量應(yīng)滿足 : 式中： —— 負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的輸出功率； y—— 電動(dòng)機(jī)的效率（通常為 ）； —— 電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（通常約為 ）； —— 電動(dòng)機(jī)的電流， A； k—— 電流波形修正參數(shù)； —— 變頻器的額定容量， kVA。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)計(jì)算如下： =1 （ ） = =1 = 所以選擇普通功能 矢量 控制的變頻器，在此選擇變頻器的類型為 ABBACS510。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 變頻器的功能參數(shù)表 1. 參考頻率（功能代碼 01） 參考頻率即當(dāng)前的給定頻率，輸出頻率始終按設(shè)定的加減速時(shí)間跟隨參考頻率。 若頻率給定方式為鍵盤時(shí)，可通過▼▲兩鍵對(duì)給定頻率進(jìn)行 在線調(diào)整，最后的給定頻率值被記憶。 （功能代碼 10） 表 64 10 功能說明 備注 0 由按鍵 RUN、 STOP 控制變頻器的起動(dòng)與停止 運(yùn)轉(zhuǎn)方向由端子 F/R 控制 F/R=OFF，正轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)優(yōu)先） F/R=OFF，反轉(zhuǎn) 在運(yùn)行過程中，允許正反轉(zhuǎn)切換，由鍵盤上的指示燈FWD 或 REV指示。 1 由端子 RUN=ON=OFF 控制變頻器的起動(dòng)與停止 2 端子 RUN 定義為正轉(zhuǎn)運(yùn)行指令，端子 F/R 定義為反轉(zhuǎn)運(yùn)行指令。反轉(zhuǎn)禁止功能有效（功能代碼 93 定義時(shí)），只能正轉(zhuǎn)運(yùn)行，與 F/R 端子無(wú)關(guān)。但設(shè)定頻率不受上 /下限頻率值的影響。若給定頻率小于下限且無(wú)停車指令，則輸 出頻率保持在下限頻率值不變。 此功能常用于保證電機(jī)工作于允許頻段，以避免誤操作或意想不到的原因?qū)е聶C(jī)械系統(tǒng)或變頻器發(fā)生意外。 4. 多段速度（功能代碼 35—— 46） 多段速度由外部端子的狀態(tài)決定。最大可實(shí)現(xiàn) 15 段外部速度。 多段速度優(yōu)先級(jí)高于鍵盤給定或模擬給定。 多段速度運(yùn)行時(shí)的起動(dòng) /停機(jī)由控制方式選擇功能代碼 10 決定，可選擇鍵盤或端子指令。每個(gè)端子由指定的功能代碼定義其功能。因此，要選擇西門子 S7200（輸入 14 點(diǎn)，輸出 10 點(diǎn)）變