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1、湖 南 师 范 大 学高等教育自学考试本科生毕业论文数控机床主轴与变频器电机控制 学生姓名： 籍号：910809100818 年级专业：2008级数控指导老师及职称： 学 院：工学院湖南长沙提交日期：2010年05月湖南师范大学高等教育自学考试本科生毕业论文诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名：
2、 年 月 日目 录 摘要 1关键词 11数控机床简介 21.1数控机床主轴结构 21.2 数控机床主轴传动形式 21.3 数控机床主轴驱动方式21.4 数控机床电器控制系统的组成32 数控机床主轴系统 32.1 数控机床主轴驱动系统分类32.2 数控机床的主轴性能32.3 主轴伺服系统的故障及诊断42.4 数控机床为何能加工高精度工件42.5 电主轴53 变频器矢量控制介绍64 数控车床主轴变频控制的系统结构与运行模式64.1 主轴变频控制的基本原理64.2 主轴变频控制的系统构成75 无速度传感器的矢量控制变频器85.1 主轴变频器的基本选型85.2 无速度传感器的矢量变频器95.3 矢量控
3、制中的电机参数辨识95.4 数控车床主轴变频矢量控制的功能设置106 结论10参考文献 11致谢11 数控机床主轴与变频器电机控制学 生: 陈泽勇指导老师：周志冰（湖南师范大学工学院，长沙 410128）摘 要：本次论文论述是数控机床主轴与变频器电机控制问题。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。数控机床在当今机械制造业中占据重要地位和巨大效益，它显示了一个国家基础工业的现代化，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控机床数控技
4、术的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最常用最重要的加工设备.而主轴是机床的核心部件,主轴电机的控制对机床的精度和稳定性也起着决定性作用。要得到达精度合格产品，首先我们应有相应加工精度的数控机床，这样我们才能对其进行工艺加工，顺利的加工出符合要求或规格的成品。所以，在此我介绍数控机床主轴与变频器电机控制，对数控机床主轴与变频器电机控制进行论述。通过对数控机床与变频器电机控制方面知识的学习和资料的查找，在本论文介绍了采用数控车床的主轴运动和主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并简述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用原理。关
5、键词： 主轴;变频;矢量控制 数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。随着机电一体化技术的推广，其典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，是数控机床完成切削任务的核心部件，其精度和承载能力直接影响到零件的精度和质量。而动力约占整台车床的动力的70%80%。动力的基本控制有主轴的正转、反转和停止，可自动换档和无级调速。在目前数控车床中，主轴控制装置主要是采用交流变频器来控制交
6、流主轴电动机1来实现。为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须具有以下几个性能:(1)要有较宽调速范围，且速度稳定性能要高;(2)在断续负载下情况下，电机的转速波动范围要小;(3)电机加减速响应时间要短;(4)过载能力强;(5)使用噪声低、震动小、寿命长。此论文介绍了数控机床主轴及变频器电机控制，通过对数控机床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本原理和应用，是数控技术、数控机床的进一步剖析。 1 数控机床主轴简介1.1 数控机床主轴结构数控机床主轴是机床的核心部件。主轴的精度和承载能力直接影响机床的工作，其对加工零件的质量精度起主导作用。数控机床主轴的一
7、般组成：主轴电机、传动皮带,皮带轮,齿轮箱、主轴心轴(连鼻端) 、主轴轴承、拉刀,松刀机构(加工中心)和加工中心的主轴配重(有配重块或刹车马达,油压配重等) 。主轴传动是将主轴电机的旋转运动变为主轴心轴的旋转运动,并通过连接带动刀具和工件进行旋转,实现切削运动. 1.2 数控机床主轴传动形式数控机床主轴传动形式主要有四种：一、带有变速齿轮的主传动 大、中型数控机床采用这种变速方式。通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求二、通过带传动的主传动主要应用于转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调速就能满足要求，可以避免齿轮传动引起的振动与噪音三、用两个电机分别驱
8、动主轴 上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴四、内装电动机主轴传动结构 大大简化主轴箱体与主轴的结构，有效提高主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大1.3 数控机床的主轴驱动方式数控机床的主轴驱动方式:21.步进电机调速方法：调脉冲；2.直流电机调速方法：调枢电阻、调枢电压、调磁通均可；3.交流电机调速方法：调频率1.4 数控机床电气控制系统组成数控机床电气控制系统由：数控系统、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动系统、主轴驱动系统四部分组成。2 数控机床主轴系统2.1 数控机床主轴驱动系统分类 数控机床所用的进给伺服系统和
9、主轴伺服系统按其所用的电动机来分，分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。从20世纪7080年代用得较多的是直流伺服系统。而在直流伺服系统中又分晶闸管整流方式(以下简称为SCR速度控制系统)和晶体管脉宽调制方式(以下简称为PWM速度控制系统)两种。直流驱动系统在70年代初至80年代中期在数控机床上占据主导地位，这是由于直流电动机具有良好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度高，控制原理简单，易于调整。随着微电子技术的迅速发展80年代初期推出了交流驱动系统，由于交流驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机无须维护，便于制造，不受恶劣环境影响，所以目前直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。
10、初期是采用模拟式交流伺服系统，而现在伺服系统的主流是数字式交流伺服系统。交流伺服驱动系统走向数字化，驱动系统中的电流环、速度环的反馈控制已全部数字化，系统的控制模型和动态补偿均由高速微处理器实时处理，增强了系统自诊断能力，提高了系统的快速性和精度。2.2 数控机床的主轴性能数控机床的主轴性能是在很宽范围内转速连续可调，恒功率范围宽。当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功能时，则需要对主轴进行进给控制和位置控制。此时，主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统，主轴电动机装配有编码器或者在主轴上安装外置式的编码器，作为主轴位置检测。主流的普通数控机床一般采用变频器加变频电机调速。数控机床是机床
11、行业的发展主流，主电机使用的是数控用主轴电机，西门子或法兰克的电机就有用到，电机本身就有速度检测功能，为了使工作转速准确一般可通过旋转编码器或角度编码器实现速度的闭环控制。主轴驱动变速目前主要有两种形式：一是主轴电动机带齿轮换挡，目的在于降低3主轴转速，增大传动比，以适应切削的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带或v带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成为主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。2.3 主轴伺服系统的故障及诊断 主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在CRT或
12、操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障，三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障如下。(1)外界干扰于受到电磁干扰，屏蔽和接地措施不良的影响，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判别有无干扰的方法是：当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。(2)过载 削用量过大，或频繁地正、反转变速等均可引起过载报警。具体表现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。 2.4 数控机床为何能加工高精度工件这个恐怕要和数控机床的主轴控制器联系起来了. 一般的普通机床也能加工高精密工件. 只是由于数控机床的普及话, 各大公司也不愿意在快淘汰的机床上花心思去提高精度. 数控机床是电脑控制，加上有较好的刀具和各样伺服电机等！伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 伺服电机是加有反馈的闭环控制的电机，电机是鼠笼的，也许定子、转子形状不同有好几种类型。 但同步电机是没有反馈的开环电机。同步电机的转子是永磁的。 普通三相交流电机转子是鼠笼的没有磁性。这就是区别。 两者不是一个概念。伺服电
