CK6150數(shù)控車床X向驅(qū)動裝置設計畢業(yè)論文.doc

本科畢業(yè)設計說明書（論文）第1頁共32頁1引言數(shù)控技術是先進制造技術的關鍵技術之一，隨著制造自動化水平和加工精度的提高，數(shù)控技術必將在未來的現(xiàn)代制造中起著非常重要的作用。伺服系統(tǒng)（ServoSystem）是自動控制系統(tǒng)的一個分支，通常應用閉環(huán)控制結構來控制被控制對象的某種狀態(tài)，使其能自動、連續(xù)、精確的復現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。伺服控制技術伴隨著電力電子技術、計算機技術和控制理論的發(fā)展而發(fā)展。在主流的電機伺服系統(tǒng)中，電機控制技術是伺服控制的核心。交流電機的控制方法一直是研究的熱點。20世紀70年代產(chǎn)生的矢量控制技術，對交流電機的控制產(chǎn)生了劃時代的影響。矢量控制在理論上解決了交流電機的轉矩控制問題，實現(xiàn)了交流電機模型的解耦，使其控制性能發(fā)生了質(zhì)的飛越。隨著多年的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)正逐步取代直流系統(tǒng)成為運動控制系統(tǒng)的主流。目前，矢量控制是交流電機應用最廣泛、最有效的控制方法。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床關鍵功能部件，是機床運動的最終執(zhí)行件。伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標，其性能對加工精度與加工效率都起著重要的作用，在整個數(shù)控機床的成本構成中伺服系統(tǒng)也占有相當大的比例。所以，一個高精度，高性能的數(shù)控機床必須配置與之相適應的高性能的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮整個數(shù)控機床的性能與優(yōu)勢1。隨著交流伺服技術的發(fā)展，交流伺服已逐步占據(jù)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的主導地位。由于通過采用矢量控制等先進的控制方法，交流伺服性能迅速提高，目前無論是數(shù)控系統(tǒng)的進給伺服驅(qū)動，還是主軸驅(qū)動，交流伺服系統(tǒng)都處于主流地位，正逐步淘汰直流伺服系統(tǒng)?，F(xiàn)在國內(nèi)外的數(shù)控產(chǎn)品的伺服系統(tǒng)絕大多數(shù)采用交流系統(tǒng)。因此，從數(shù)控加工特點出發(fā)，以矢量控制為著眼點，研究交流伺服系統(tǒng)的控制技術，緊跟其它學科先進技術的發(fā)展，消化吸收前沿技術，進一步推進數(shù)控技術，制造技術的完善和發(fā)展，有著十分重要的意義。同時，作為現(xiàn)代伺服系統(tǒng)主流的交流伺服技術，是研制開發(fā)各種先進的機電一體化設備，如數(shù)控機床、加工中心、工業(yè)機器人等的關鍵性技術。目前，高性能數(shù)控機床和工業(yè)機器人所采用的電機伺服系統(tǒng)仍然主要依靠進口，這種現(xiàn)狀限制了我國相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展2。同時，矢量控制技術是目前交流伺服系統(tǒng)運用最多，最適宜實用化的交流伺服系統(tǒng)控制技術。因此，通過借鑒國外研究工作的先進經(jīng)驗，以交流電機控制為研究對象，從矢量控制技術著眼，以數(shù)控加工技術為結合點，對交流伺服系統(tǒng)的控制進行研究和仿真，開發(fā)高性能的交流伺服系統(tǒng)，對于促進我國數(shù)控機床工業(yè)，有著非常重要的意義。本科畢業(yè)設計說明書（論文）第2頁共32頁2數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及分數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)在經(jīng)歷了開環(huán)的步進電機系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)兩個階段之后，目前已進入交流伺服系統(tǒng)階段。隨著電力電子技術、計算機技術及控制理論的迅速發(fā)展，目前交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)處于主導地位。交流伺服系統(tǒng)控制可分為感應電機（IM）控制和永磁同步電機（PMSM）控制兩大類3。目前，由這兩類電機組成的高性能交流伺服驅(qū)動裝置已占據(jù)了主導地位。永磁同步交流電機體積小，力矩慣量比大，過載能力強，通過運用矢量控制，控制精度高，性能好，但造價相對較貴，容量相對較小。因此，采用矢量控制永磁同步電機主要應用在高精度，高性能，但功率不大的場合。目前，采用矢量控制的永磁同步電機在高精度、高性能的中小功率伺服領域（如數(shù)控機床進給伺服，機器人等）占有不可動搖的地位，永磁交流同步電機已經(jīng)成為數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的主流。異步電機結構簡單，成本低廉，可靠性高，且容易實現(xiàn)大容量，但其參數(shù)易受溫度影響，控制精度不穩(wěn)定。所以，采用矢量控制的異步電機多用在功率較大、精度要求不太高的場合4。而數(shù)控機床的主軸驅(qū)動要求提供很大的功率，若使用永磁同步電機，則容量受到限制，不易做到大容量。而采用矢量控制的異步電機作為主軸驅(qū)動，可提高主軸定位控制的剛性和精度，完全能滿足高性能的數(shù)控裝備主軸驅(qū)動的要求。目前，異步電機在主軸驅(qū)動系統(tǒng)中處于主導地位，國內(nèi)外的數(shù)控產(chǎn)品中，主軸的驅(qū)動大多是采用矢量控制的交流異步電機。作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標。圍繞伺服系統(tǒng)動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅(qū)動技術。可以預見隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡制造等先進制造技術的發(fā)展，具有網(wǎng)絡接口的全數(shù)字伺服系統(tǒng)、直線電機及高速電主軸等將成為數(shù)控機床行業(yè)的關注的熱點5，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向?？偟膩碚f其發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：(1)交流系統(tǒng)將完全取代直流系統(tǒng)伺服技術將迅速的由DC伺服系統(tǒng)轉向AC伺服系統(tǒng)。從目前國際市場的情況來看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達國家，AC伺服電機在運動控制市場占主導地位，國內(nèi)的AC伺服電機產(chǎn)量也是迅速上升，技術進步很快，性能也日益提高6。(2)全數(shù)字化采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理器（DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在交本科畢業(yè)設計說明書（論文）第3頁共32頁流伺服系統(tǒng)中應用現(xiàn)代控制理論的先進算法如最優(yōu)控制，人工智能，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡等）成為可能。(3)高度集成化新的交流伺服系統(tǒng)改變了劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，而是用單一的，高度集成化，多功能的控制單元7。(4)智能化最新數(shù)字化的伺服控制單元的智能化主要是應用專家系統(tǒng)、模糊邏輯及神經(jīng)網(wǎng)絡理論來實現(xiàn)自學習或自組織控制，具有故障自診斷與分析功能；具有參數(shù)自整定等。(5)模塊化和網(wǎng)絡化目前，在工廠自動化技術迅速發(fā)展的基礎上，伺服系統(tǒng)都配置了標準的通信接口和專用的總線接口（如西門子的ProfiBus）。這些接口顯著的增強了伺服系統(tǒng)與CNC之間的互聯(lián)，而且若干臺伺服單元與上位機，以及PLC等連成功能網(wǎng)絡，從而大大提高了自動化水平。本科畢業(yè)設計說明書（論文）第4頁共32頁3CK6150車床的驅(qū)動裝置及CK6150車床的參數(shù)數(shù)控的驅(qū)動控制線路與普通機床電路有所不同，除了常用的電器控制線路外，它還有數(shù)控裝置。普通機床與數(shù)控機床的主要區(qū)別是數(shù)控機床的主軸調(diào)速和刀架的進給全部自動完成，即根據(jù)編程指令按要求執(zhí)行。數(shù)控裝置是整個數(shù)控機床的核心，機床的操作均由此發(fā)出。驅(qū)動裝置位于數(shù)控裝置和機床之間，包括進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動裝置。驅(qū)動裝置根據(jù)控制電機不同，其控制電路形式也不同。步進電機有步進驅(qū)動裝置，直流伺服電機有直流伺服驅(qū)動裝置，交流伺服電機有交流伺服驅(qū)動裝置8。機床電器控制裝置位于數(shù)控裝置與機床本體之間，它主要接收數(shù)控裝置發(fā)出的開關命令。數(shù)控機床的組成結構圖，見圖1所示：圖1數(shù)控機床的組成結構圖3.1CK6150數(shù)控車床的驅(qū)動CK6150數(shù)控車床采用主軸變頻調(diào)速，機床主軸的旋轉運動由5.5KW變頻主軸電動機經(jīng)皮帶傳動至I軸,經(jīng)三聯(lián)齒輪變速將運動傳至主軸,并得到低速、中速和高速三段范圍內(nèi)的無級變速。機床進給為兩軸聯(lián)動,配有四工位電動刀架,可滿足不同需要的加工。Z坐標為大拖板左右運動方向,其運動由GK6063-6AC31交流永磁伺服電動機與滾珠絲杠直聯(lián)實現(xiàn)；X坐標方向為中拖板前后運動方向,其運動由GK6062-6AC31交流永磁伺服電動機通過一對齒輪帶動滾珠絲杠旋轉得以實現(xiàn)。為保證車削加工螺紋時主軸轉一圈,刀架移動一個導程(即被加工