畢業(yè)設(shè)計--車床主軸拖動變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(論文) </b></p><p>　　車床主軸拖動變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計</p><p><b>　　二○一三年六月</b></p><p>　學(xué) 號：</p><p>　姓 名：</p><p>　專 業(yè)：電氣工程及其自動化<

2、;/p><p>　系 別：</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(論文) </b></p><p>　　車床主軸拖動變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計</p><p><b>　　二○一三年六月</b></p><p>　　題目： 車床主軸拖動變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計

3、 </p><p>　　系別：專業(yè)：電氣工程及其自動化 </p><p>　　姓名： 學(xué)號： </p><p>　　指導(dǎo)教師建議成績： 85分 </p><p>　　評閱教師建議成績： 80分 </p><p>　　答辯小組

4、建議成績： 80分 </p><p>　　總成績： 82分 </p><p>　　答辯委員會主席簽字：</p><p>　　年 月 日</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報

5、告</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評閱意見</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱教師評閱意見</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯小組評議意見</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信聲明</p><p>　　本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作

6、所取得的成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得xx海濱學(xué)院或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。</p><p>　　申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。</p><p>　　本人簽名： 日期： <

7、/p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）使用授權(quán)書</p><p>　　本人完全了解xx有關(guān)保管、使用論文的規(guī)定，其中包括：①學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；②學(xué)校可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存論文；③學(xué)?？稍试S論文被查閱或借閱；④學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文；⑤學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。</p><p>　　本

8、人簽名： 日期：</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　車床已經(jīng)成為工業(yè)器件加工應(yīng)用最廣泛的不可或缺的機器，但是我過車床的應(yīng)用水平對于世界比較低的，多年以來都是通過手柄控制主軸轉(zhuǎn)速，操作起來非常繁瑣，本論文以普通車床為研究對象，對普通車床的主軸進行了變頻調(diào)速的設(shè)計改造。主要研究完成了對普通車床的工作

9、原理進行了分析研究，簡單介紹了普通車床的拖動系統(tǒng)及機械特性，然后重點介紹了普通車床的原拖動系統(tǒng)。配以PLC控制實現(xiàn)變頻調(diào)速的目的。經(jīng)過變頻調(diào)速改造后，車床實際應(yīng)用效果良好，同時還具備了節(jié)能、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制、可以在車床應(yīng)用領(lǐng)域進行大面積推廣。</p><p>　　本畢業(yè)論文是對普通車床設(shè)計項目的技術(shù)總結(jié)，主要介紹了變頻調(diào)速原理，普通機床工作原理，PLC控制原理，實現(xiàn)了機床的無極調(diào)速，由原來7.5kw

10、的電機換成5.5kw后進行的變頻調(diào)速節(jié)能設(shè)計，通過電子觸摸屏實現(xiàn)速度切換功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電機轉(zhuǎn)矩線；機械傳動比；變頻調(diào)速；PLC編程；電子觸摸屏</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The lathe has become the most widely used industrial

11、device processing an indispensable machine, but I lived lathe application level for the world is relatively low, over the years is through the handle to control the rotational speed of the spindle, the operation is very

12、complicated, in this paper, ordinary lathe as the object of study, of the common lathe is designed transformation of frequency control of motor speed. The main research work principle of ordinary lathe for analysis and r

13、esearch</p><p>　　This thesis is a summary of common lathe design project technology, mainly introduces the principle of frequency conversion, the working principle of PLC control principle, general machine t

14、ools, machine tool was realized by the stepless speed regulating motor, the original 7.5kW is changed to energy-saving inverter design after the 5.5kW, through the electronic touch screen to achieve the speed switching f

15、unction.</p><p>　　KEYWORDS：Motor torque line; mechanical transmission ratio; frequency control; PLC programming; electronic touch screen</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><

16、b>　　摘 要i</b></p><p>　　ABSTRACTii</p><p><b>　　目 錄iii</b></p><p><b>　　1.緒論1</b></p><p>　　2.普通車床主軸的變頻調(diào)速2</p><p>　　2.

17、1 普通車床的主要功能與構(gòu)造2</p><p>　　2.1.1 普通車床的主要功能2</p><p>　　2.1.2 普通車床的構(gòu)造2</p><p>　　2.2 普通車床的拖動系統(tǒng)3</p><p>　　2.2.1 普通車床的運動系統(tǒng)3</p><p>　　2.2.2 普通車床主拖動系統(tǒng)的機械特性3<

18、;/p><p>　　2.2.3 主拖動系統(tǒng)的負(fù)載功率4</p><p>　　2.2.4 主拖動系統(tǒng)的工作特點4</p><p>　　2.2.5 普通車床的原拖動系統(tǒng)5</p><p>　　2.3 車床主拖動的變頻調(diào)速系統(tǒng)5</p><p>　　2.3.1 對變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本考慮5</p><

19、p>　　2.3.2 低速轉(zhuǎn)保留一級傳動比，且 方案6</p><p>　　2.3.3 低速轉(zhuǎn)保留一級傳動比，且 方案7</p><p>　　3.變頻調(diào)速的原理10</p><p>　　3.1 變頻器的控制方式10</p><p>　　3.2 變頻器的頻率給定10</p><p>　　4.PLC控制實

20、現(xiàn)的轉(zhuǎn)速分段給定原理12</p><p>　　5.設(shè) 計13</p><p>　　5.1 系統(tǒng)構(gòu)成13</p><p>　　5.1.1 設(shè)備明細(xì)表14</p><p>　　5.1.2 傳動比設(shè)計（1:3）15</p><p>　　5.1.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路15</p><p&g

21、t;　　5.2 控制與實現(xiàn)16</p><p>　　5.2.1 電子觸摸屏16</p><p>　　5.2.2 控制流程圖17</p><p>　　6.計算選擇18</p><p>　　6.1 選擇電動機型號18</p><p>　　6.1.1 電動機的主要額定數(shù)據(jù)18</p><p&

22、gt;　　6.1.2 主要計算數(shù)據(jù)20</p><p>　　6.1.3 電動機容量不變的可行性核算21</p><p>　　6.2 變頻器22</p><p>　　6.2.1 變頻器的基本構(gòu)成22</p><p>　　6.2.2 變頻器內(nèi)部電路的基本功能22</p><p>　　6.2.3 變頻器的選擇23

23、</p><p>　　6.2.4 變頻器的功能參數(shù)表24</p><p>　　6.3 變頻器的功能預(yù)置27</p><p>　　6.3.1 各參數(shù)的設(shè)定值表27</p><p>　　6.3.2 多段速的參數(shù)設(shè)定表28</p><p>　　6.4 PLC選擇28</p><p><

24、b>　　結(jié) 論29</b></p><p><b>　　致 謝30</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　械制造技術(shù)已經(jīng)是生產(chǎn)、國際經(jīng)濟競爭、產(chǎn)品革新的一種重要手段，所

25、有國家都在尋求、獲得、開發(fā)和利用它。它正被看作是現(xiàn)代國家經(jīng)濟上獲得成功的關(guān)鍵因素。而車床已經(jīng)成為機械制造的主要工具。</p><p>　　目前，我國機床工業(yè)進入了一個關(guān)鍵的發(fā)展時期，當(dāng)前機床機械制造業(yè)面臨產(chǎn)品更新，進行技術(shù)改造的局面，這是提高生產(chǎn)效率和高速發(fā)展迫切需要的。一個觸目驚心的事實刺激著我們：我國傳統(tǒng)機床的制造業(yè)基礎(chǔ)很強，大量出口，可是由于技術(shù)含量低，往往出口到國外的價錢只是金屬材料的價格。某發(fā)達(dá)國家經(jīng)過

26、用高新技術(shù)對其的控制進行改造后，成為智能數(shù)控機床就以幾十倍甚至百倍的價格回銷我國，這是多么令國人痛心的情景呀！所以目前機床改造已成為我國迫切需要加大力度發(fā)展的事業(yè)。機床的控制主要采用機、電、氣、液壓控制，采用微機技術(shù)可以實現(xiàn)智能數(shù)控，提高機床的技術(shù)附加值和運行效率；另一方面還有節(jié)能的控制改造，配以可編程序控制器（PLC）數(shù)字控制（NC）和變頻調(diào)速等技術(shù)，可以大大提高傳統(tǒng)機床的加工水平，通過對其電力節(jié)能的改造后效果驚人，以C6150普通機

27、床為例，全國大概有三百多萬臺 ，如果每臺車床的電機由原來7.5KW的電機換成5.5KW的，每天按8小時工作估算，僅節(jié)約電力一項每年節(jié)約電能將近161億KW/h，這該是多么可觀的一筆節(jié)能挖潛的經(jīng)濟效益呀！本課題是結(jié)合PLC和變頻技術(shù)對普通C6150機床進行節(jié)能改造。作為機械與電氣控制</p><p>　　普通車床主軸的變頻調(diào)速</p><p>　　2.1 普通車床的主要功能與構(gòu)造</p

28、><p>　　2.1.1 普通車床的主要功能</p><p>　　普通車床以加工圓柱體為主，如：加工圓柱體的外圓、內(nèi)圓及端面；</p><p>　　圓柱體的鉆孔和擴孔；在外圓與內(nèi)圓表面車削螺紋，等。</p><p>　　2.1.2 普通車床的構(gòu)造</p><p>　　如圖2-1所示，主要部件有：</p>&l

29、t;p>　　圖2-1 普通車床的構(gòu)造</p><p>　　2.2 普通車床的拖動系統(tǒng)</p><p>　　2.2.1 普通車床的運動系統(tǒng)</p><p>　　普通車床的運行系統(tǒng)主要包括以下兩種運動：</p><p>　　1. 主運動 工件的旋轉(zhuǎn)運動為普通車床的主運動，帶動工件旋轉(zhuǎn)的拖動系統(tǒng)為主拖動系統(tǒng)。</p><

30、p>　　2. 進給運動 主要是刀架的移動。由于在車削螺紋時，刀架的移動速度必須和工件的旋轉(zhuǎn)速度嚴(yán)格配合，故中小型車床的進給運動通常由主電動機經(jīng)進給傳動鏈而拖動的，并無獨立的進給拖動系統(tǒng)。</p><p>　　2.2.2 普通車床主拖動系統(tǒng)的機械特性</p><p>　　1. 主拖動系統(tǒng)阻轉(zhuǎn)矩的形成 主拖動系統(tǒng)的阻轉(zhuǎn)矩就是工件在切削過程中形成的阻轉(zhuǎn)矩。理論上說切削功率用于切削的剝落和

31、變形。故切削力正比于切削的材料性質(zhì)和截面積，截面積由切削深度和走刀量決定。而切削轉(zhuǎn)矩則取決于切削力和工件回轉(zhuǎn)半徑的乘積，其大小與下列因素有關(guān)：</p><p><b>　　(1) 切削深度；</b></p><p><b>　　(2) 進刀量；</b></p><p>　　(3) 工件的材質(zhì)與直徑等。</p>

32、<p>　　2. 主拖動系統(tǒng)的負(fù)載特點</p><p>　　(1) 在相當(dāng)大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，普通車床的允許切削深度和進刀量等都是相同的，因而具有恒轉(zhuǎn)矩的特點。</p><p>　　(2) 在高速段，由于受車床身機械強度及振動等的影響，速度越高，允許的切削深度和進刀量越小，阻轉(zhuǎn)矩也越小，因而具有恒功率的性質(zhì)。</p><p>　　(3) 綜上所述，普通車床的

33、機械特性如圖2-2所示。</p><p>　　圖中，D點以下是恒轉(zhuǎn)矩區(qū)；D點以上是恒功率區(qū)。D點是分界點，一般來說，大約在 2處（ 是分界點的轉(zhuǎn)速， 是最高轉(zhuǎn)速）。但考慮到低速車削通常為粗加工，切削量較大。尤其是車削毛坯時，由于同心度較差和表面的不光滑，常會遇到較大的沖擊力。所以，在實際處理時，通常取：</p><p><b>　?。?-1）</b></p>

34、;<p>　　2.2.3 主拖動系統(tǒng)的負(fù)載功率</p><p>　　如圖2-2，主拖動系統(tǒng)的負(fù)載功率取決于高速段任一點轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　2.2.4 主拖動系統(tǒng)的工作特點</p><p>　　1.調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍 由最高速 與最低速

35、的比值決定：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　通常： = 25~150</p><p>　　例如，國產(chǎn)CA5140型車床的 =140，而意大利SAG型精密車床的 =26.7。</p><p>　　2.低速時對過載能力要求較高因為低速運行常用于粗加工，為了提高工作效率，切削深度和進刀量都

36、較大。</p><p>　　3.高速是對過載能力要求較低因為高速運行常用于精加工，非但切削深度較小，進刀量也往往不大。在正常情況下，出現(xiàn)過載的可能性極小。</p><p>　　2.2.5 普通車床的原拖動系統(tǒng)</p><p>　　普通車床通常是由齒輪箱來傳動和調(diào)速的。他具有以下特點：</p><p>　　1.恒功率性質(zhì) 由于齒輪箱變速時，轉(zhuǎn)

37、矩的變化與轉(zhuǎn)速的變化成反比，故具有恒功率的性質(zhì)。所以對同一切削用量而言，電動機的輸出功率是不變的。如忽略齒輪箱的功率損耗不計，則在全調(diào)速范圍內(nèi)，都具有恒功率的特點。</p><p>　　2.低速時過載能力強 在低速段，拖動系統(tǒng)經(jīng)齒輪降速后的額定轉(zhuǎn)矩將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于負(fù)載的最大阻轉(zhuǎn)矩，具有極強的過載能力。</p><p>　　2.3 車床主拖動的變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>

38、;　　2.3.1 對變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本考慮</p><p>　　(1) 由于調(diào)速范圍很廣，且要求有比較硬的機械特性。所以，以選用矢量控制方式為宜。對于普通車床來說，由于對動態(tài)響應(yīng)要求不高，用“無反饋矢量控制”方式已經(jīng)足夠。</p><p>　　(2) 因為調(diào)速范圍廣，且高速段與低速段機械特性的特點不一樣，故工作頻率范圍應(yīng)不限于額定頻率以下。</p><p>　　(3

39、) 電動機的容量一般應(yīng)此比原拖動系統(tǒng)的電動機容量為大（詳見下速）。</p><p>　　(4) 如上述，在低速段，可能出現(xiàn)較大的沖擊過載，容易引起變頻器的跳閘。所以，變頻器的容量以比電動機容量大一檔為好。</p><p>　　2.3.2 低速轉(zhuǎn)保留一級傳動比，且 方案</p><p><b>　　1.基本工況 </b></p>&

40、lt;p>　　(1) 電動機和主軸之間的傳動比只有一檔，傳動比</p><p><b>　　（1-4）</b></p><p>　　(2) 變頻器的最大輸出頻率 等于電動機的額定頻率 。從而，電動機的最高轉(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 ：</p><p>　　=

41、 （1-5）</p><p>　　電動機額定轉(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；</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　1——負(fù)載機械特性曲線 2——電動機的有效轉(zhuǎn)矩

42、線</p><p>　　綜上所述，電動機的優(yōu)先轉(zhuǎn)矩線如圖2-3的曲線2所示，曲線1是車床的機械特性曲線。為了便于比較，圖中，電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為折算到負(fù)載軸上的值。</p><p>　　2. 電動機的容量 在圖2-3中，負(fù)載所需功率</p><p><b>　　（1-7）</b></p><p>　　其大小與面積O

43、ADB成正比。而電動機的容量則與面積OA´HG成正比，其大小為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　可見，采用了變頻調(diào)速以后，電動機的容量需增大 倍以上。</p><p>　　3.電動機的工作頻率范圍</p><p>　　(1) 最高頻率 。</p><

44、p>　　(2) 最低頻率 因為只有一檔轉(zhuǎn)速，故頻率調(diào)節(jié)范圍 為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　當(dāng) 時， 50/40=1.25Hz</p><p>　　當(dāng) 時， 50/140=0.357Hz</p><p>　　異步電動機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

45、的。</p><p>　　2.3.3 低速轉(zhuǎn)保留一級傳動比，且 方案</p><p><b>　　1.基本工況</b></p><p>　　(1) 電動機和主軸之間的傳動比仍只有一檔，但變頻器的最高輸出頻率 允許超過額定頻率 。但一般不宜超過額定頻率的1.5倍（即： ）。</p><p><b>　　設(shè)最大調(diào)頻

46、比</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　則：電動機的最高轉(zhuǎn)速 也約為額定轉(zhuǎn)速 的 倍：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　(2) 電動機的額定轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　

47、（1-12）</b></p><p>　　電動機的有效轉(zhuǎn)矩線如圖2-4中的的曲線2所示。曲線1為車床的機械特性曲線。</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p>　　1——負(fù)載特性曲線 2——電動機的有效轉(zhuǎn)矩線</p><p>　　2. 電動機的容量 如圖

48、2-4，電動機的容量與面積OA´H´G´成正比，其大小為</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　可見，頻率范圍過大之后，電動機的容量可以比 減小 倍，但與負(fù)載功率相比，仍需增大很多。</p><p>　　3. 電動機的工作頻率范圍</p><p>　　設(shè)：最高

49、頻率為 75Hz，則最低頻率為</p><p>　　當(dāng) 時 ， =75/40=1.875Hz ；</p><p>　　當(dāng) 時， =75/140=0.54Hz ；</p><p><b>　　變頻調(diào)速的原理</b></p><p>　　3.1 變頻器的控制方式</p><p>　　1.V/F控制方式

50、：車床除了在車削毛坯的時候負(fù)荷大小有變化外，以后的車削過程中，負(fù)荷的變化通常是很小的。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。但從節(jié)能的角度看V/F控制方式并不理想。因為在低速切削時，需要預(yù)置較大的V/F，則會出現(xiàn)在負(fù)載較輕的情況下，電動機的磁路常處于過飽和狀態(tài)，勵磁電流過大的問題。</p><p>　　2.無反饋矢量控制方式：新的系列變頻器在無反饋矢量控制方式下，已經(jīng)能夠做到在0.5Hz時穩(wěn)定

51、運行，所以完全可以滿足普通車床主拖動系統(tǒng)的要求。由于無反饋矢量控制方式能夠克服V/F控制方式的缺點，故是一種最佳選擇。采用無反饋矢量控制方式，進行選擇時需要注意其能夠穩(wěn)定運行的最低頻率（部分變頻器在無反饋矢量控制方式下的實際穩(wěn)定運行的最低頻率為5~6Hz）。</p><p>　　3.有反饋矢量控制：有反饋矢量控制方式雖然是運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)，不但增加了費用，對編碼器的

52、安裝也比較麻煩。所以，除非該機床對加工精度有特殊要求，一般沒必要采取此種控制方式。</p><p>　　目前，國產(chǎn)變頻器技術(shù)非常成熟了，ABB公司產(chǎn)品在價格和性能上足可以與國外媲美了。</p><p>　　3.2 變頻器的頻率給定</p><p>　　變頻器的頻率給定方式可以有多種，應(yīng)根據(jù)具體情況進行選擇。</p><p>　　1.無極調(diào)速頻

53、率給定</p><p>　　可以直接通過變頻器的面板進行調(diào)速，也可以通過外接電位器調(diào)速。</p><p>　　在進行無極調(diào)速是必須注意：在低速段的一檔傳動切換到變頻器無極調(diào)速時，存在著一個電動機的有效轉(zhuǎn)矩線小于負(fù)載特性的區(qū)域，如下圖所示。圖中②這個區(qū)域（約為600~800r/min）內(nèi)，當(dāng)負(fù)載較重時，有可能出現(xiàn)電動機帶不動的情況。操作工應(yīng)該根據(jù)負(fù)載的具體情況，決定是否需要避開該轉(zhuǎn)速段。&l

54、t;/p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　PLC控制實現(xiàn)的轉(zhuǎn)速分段給定原理</p><p>　　如果車床還需要進行復(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)速功能來實現(xiàn)，如下圖所示。圖中，轉(zhuǎn)速檔由按鈕開關(guān)（或觸摸開關(guān)）開選擇。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

55、中電動機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，和停止分別由按鈕開關(guān)SF,SR,ST來進行控制。</p><p><b>　　圖4-1</b></p><p><b>　　邏輯表</b></p><p><b>　　設(shè) 計</b></p><p><b>　　5.1 系統(tǒng)構(gòu)成</b&g

56、t;</p><p><b>　　一．系統(tǒng)構(gòu)成：</b></p><p>　　本課題是以《交流變頻調(diào)速技術(shù)》的典型應(yīng)用實例為基礎(chǔ)，對制造業(yè)量大面廣的普通車床主軸拖動系統(tǒng)進行節(jié)能改造：包括電動機容量減??；機械傳動機構(gòu)改造；機械變速改為變頻調(diào)速（微電子觸摸屏取代機械手柄笨重操作）；PLC對車床的邏輯判斷控制等設(shè)計任務(wù)。</p><p><b&

57、gt;　　圖5-1</b></p><p>　　二.本課題所涉及的技術(shù)原理分述如下：</p><p>　?。?）機械傳動機構(gòu)與電機轉(zhuǎn)矩特性</p><p>　　分析確定機床的主傳動功率轉(zhuǎn)矩，由于車床低速段為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，在高速段為恒功率負(fù)載特性，為了減小電動機容量后啟動轉(zhuǎn)矩不夠的問題，改造設(shè)計一級傳動機構(gòu)的傳動比為1：3，這樣使得減小的電動機的轉(zhuǎn)矩線被

58、有效覆蓋，以滿足負(fù)載特性，達(dá)到經(jīng)濟、節(jié)能。因此除了要進行計算傳動比1：3的齒輪箱的機械設(shè)計，還要把這個多軸傳動折算到電動機軸側(cè)，以驗算改造后的GD²。和折算電動機的有效功率。</p><p>　　（2）變頻調(diào)速拖動原理</p><p>　　根據(jù)交流異步電動機的轉(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 機轉(zhuǎn)速，變頻器是應(yīng)用電力電子元件通過整流再按

59、不同頻率要求逆變成變頻交流電驅(qū)動電動機變速，（實際是控制E/f比），由于變頻器內(nèi)核心單元是MPU微機處理器，可以采用矢量及矩陣方法計算得到很好的調(diào)速機械特性，并可預(yù)置很多智能控制功能。</p><p>　?。?）PLC在變速設(shè)定和存儲切削自動過程等應(yīng)用</p><p>　　PLC的DI接受觸摸屏微動開關(guān)信號，通過DO輸出3個信號可以輸出給變頻器X1，X2，X3端子，組合成8種轉(zhuǎn)速。 <

60、;/p><p>　?。?）變頻器程序譯碼器實現(xiàn)電子觸摸屏轉(zhuǎn)速設(shè)定</p><p>　　如（2）所述，變頻器接受3個信號譯出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8種自動變速的車削方案曲線，通過組合鍵選擇，使變頻器按存儲的不同轉(zhuǎn)速切削過程自動調(diào)速。</p><p>　　5.1.1 設(shè)備明細(xì)表</p><p><b>　　

61、表1</b></p><p>　　5.1.2 傳動比設(shè)計（1:3）</p><p>　　由于改造前的機床是手動變速，是通過手柄改動變速箱內(nèi)齒輪對實現(xiàn)變速，操作起來比較繁瑣。而改造后的機床通過PLC控制，直接作用于電機，外接電子觸摸屏按鈕實現(xiàn)變速，少了齒輪箱內(nèi)的大量齒輪組，只需要保留電機與機床主軸一對齒輪對！</p><p>　　考慮到電機啟動和低速作業(yè)時

62、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)計電機與主軸1:3的傳動比，如下圖。</p><p><b>　　圖5-2</b></p><p>　　5.1.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路</p><p>　　以采用外接電位器調(diào)速為例，控制電路如下圖所示。圖中接觸器KM用于接通變頻器的電源，由SB1和SB2控制。繼電器KA1用于正轉(zhuǎn)，由SF和ST控

63、制；KA2用于反轉(zhuǎn)，由SR和ST控制。</p><p><b>　　圖5-3</b></p><p>　　正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)只有在變頻器接通電源后才能進行；變頻器只有正反轉(zhuǎn)都不工作的時候才會切斷電源。由于車床需要有點動環(huán)節(jié)，故在電路中增加了點動控制按鈕SJ和繼電器KA3。</p><p><b>　　5.2 控制與實現(xiàn)</b>&l

64、t;/p><p>　　5.2.1 電子觸摸</p><p><b>　　圖5-4</b></p><p>　　圖中，0為確認(rèn)鍵；9為復(fù)位鍵；其他數(shù)字鍵為對應(yīng)轉(zhuǎn)速鍵。當(dāng)電源開關(guān)按下時，電源指示燈亮。按下對應(yīng)數(shù)字鍵再按確認(rèn)鍵，機器工作；按下復(fù)位鍵，機器停止。</p><p>　　5.2.2 控制流程圖</p>&l

65、t;p><b>　　圖5-5</b></p><p><b>　　計算選擇</b></p><p>　　6.1 選擇電動機型號</p><p>　　6.1.1 電動機的主要額定數(shù)據(jù)</p><p>　　(1) 額定容量 5.5kW；</p><p>　　(2) 額定轉(zhuǎn)

66、速 1440r/min；</p><p>　　(3) 過載能力 2.5</p><p>　　考慮到電動機的額定容量和過載能力，選擇了Y2-132S-4 型變頻調(diào)速三相異步電動機。</p><p>　　1) 簡介Y2-132S-4系列變頻調(diào)速三相異步電動機電動機是為配合國外各類高性能的IGBT脈寬調(diào)制變頻器而特殊設(shè)計的，使用時一般不需配用外接濾波器。</p&

67、gt;<p>　　電動機的各項性能指標(biāo)同國外20世紀(jì)80年代水平相當(dāng)，其基本技術(shù)條件符合IEC34-1和GB755國際和國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。電動機噪聲低、振動小、調(diào)速范圍廣、外觀新穎。</p><p>　　Y2-132S-4系列變頻調(diào)速三相異步電動機集國內(nèi)外同類產(chǎn)品之優(yōu)點，采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)進行設(shè)計。為了使電動機能適應(yīng)PWM變頻電源供電的狀況，在設(shè)計上，對定子、轉(zhuǎn)子槽型和定子繞組分布形式做了特殊的考

68、慮，以期獲得一個較為合適的電感值，來抑制和減小時間諧波和由其一起的一系列電動機空間諧波所產(chǎn)生的不良影響。電動機的電磁負(fù)載設(shè)計也考慮了一定的裕度，這樣，既能保證電動機在高頻時的過載能力，又能在低頻運行時仍能保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。</p><p>　　Y2-132S-4系列變頻調(diào)速三相異步電動機絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計，考慮了采用IGBT的PWM變頻器的高載波頻率的影響。由其是匝間絕緣，為了能夠承受由高電壓上升率在線圈匝間反復(fù)施加的

69、陡度極大的沖擊電壓所導(dǎo)致的嚴(yán)酷考驗，采用了特殊措施予以加強。</p><p>　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，Y2-132S-4系列的安裝尺寸與Y系列相同，以便用戶的配套和選用。系列的冷卻方式有兩種：一種為IC411系列，可以保證在該系列規(guī)定的頻率范圍（10~70HZ）內(nèi)實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩恒功率調(diào)速，并保證在此條件下長期運行，電動機繞組溫升不超過允許值。另一種IC416系列，該系列使用單獨的軸流風(fēng)機強迫通風(fēng)，保證了電動機在低速（1~

70、2HZ）時恒轉(zhuǎn)矩長期運行溫升不超過允許值。</p><p>　　Y2-132S-4系列變頻器三相異步電動機出廠試驗時均采用變頻器電源供電，符合實際使用工況。</p><p><b>　　2) 主要技術(shù)性能</b></p><p>　　(1) 電動機為連續(xù)工作制S1</p><p>　　(2) 電動機的額定電壓為380V、

71、頻率為50Hz。也可以給據(jù)用戶要求確定額定點的電壓和頻率。</p><p>　　(3) 電動機的絕緣等級為F級或H級，絕緣結(jié)構(gòu)具有對變頻器輸出高載波頻率電壓的適應(yīng)能力。</p><p>　　(4) 電動機調(diào)速范圍廣。IC411系列可在10~50HZ下實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，50~70HZ下實現(xiàn)恒功率調(diào)速；IC416系列在開環(huán)U/f控制的條件下，可實現(xiàn)3~50HZ時的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，50~100HZ時的

72、恒功率調(diào)速；在矢量控制的條件下，調(diào)速范圍還可以擴大。</p><p>　　(5) 過載能力強。能夠承受額定轉(zhuǎn)矩160%過載，歷史1min。</p><p>　　(6) 低速性能好。低速時性能平滑，無爬行現(xiàn)象。</p><p>　　(7) 電動機的接線方式，250及以下機座號為Y聯(lián)結(jié)，280及以上機座號為△聯(lián)結(jié)。</p><p>　　3) 結(jié)構(gòu)

73、形式 電動機的外殼防護等級為IP44，也可以按用戶需要制成IP54：電動機的冷卻方式分為全封閉外表軸向自扇冷卻（IC411）及全封閉帶單獨軸流風(fēng)機的外表軸向風(fēng)機冷卻（IC416）兩種，也可以按需要制成其他冷卻方式；電動機的結(jié)構(gòu)及安裝形式為LMB3、LMB5、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。</p><p>　　根據(jù)用戶要求可帶電磁式制動器，齒輪減速機等附件。</p>&

74、lt;p>　　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)變壓器及測速發(fā)電機）。</p><p>　　4) 主要技術(shù)數(shù)據(jù)Y2-132S-4變頻調(diào)速三相異步電動機主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表3-1；</p><p>　　表6-1 Y2-132S-4參數(shù)表</p><p>　　6.1.2 主要計算數(shù)據(jù)</p><p>　　調(diào)速范

75、圍 由式（1-15）得：</p><p>　　n=1440/30=48 </p><p><b>　　負(fù)載轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　(1) 恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 由式（1-1）得：</p><p>　　1440r/min/2=720r/min </p><p>　　(2) 在各檔轉(zhuǎn)速下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

76、見表3-2（負(fù)載功率按 ）</p><p>　　表6-2 各檔轉(zhuǎn)度下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p>　　(3) 電動機額定轉(zhuǎn)矩</p><p>　　TMN=9550×5.5KW/1440r/min=36.5N.m</p><p>　　6.1.3 電動機容量不變的可行性核算</p><p><b>　　

77、核算公式</b></p><p>　　(1) 低速檔恒轉(zhuǎn)矩區(qū)折算至負(fù)載軸</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　帶負(fù)載的過載能力</b></p><p><b>　　（1-21）</b></p><p>

78、;　　(2) 低速檔恒功率區(qū)核算至負(fù)載軸的電動機轉(zhuǎn)矩</p><p>　　= （1-22）</p><p><b>　　帶負(fù)載的過載能力</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　(3) 高

79、速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)折算至負(fù)載軸的電動機轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p><b>　　帶負(fù)載的過載能力</b></p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　(4) 高速檔恒功率區(qū)折算至負(fù)載軸的電動機轉(zhuǎn)矩（按允許電流不變的原則

80、計算）</p><p><b>　　（1-26）</b></p><p><b>　　帶負(fù)載的過載能力</b></p><p><b>　?。?-27）</b></p><p>　　核算結(jié)果 跟據(jù)上述公式，將計算結(jié)果列于表3-4中。</p><p>　　

81、表6-3 各檔轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩核算結(jié)果</p><p>　　與表3-2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。</p><p><b>　　6.2 變頻器</b></p><p>　　6.2.1 變頻器的基本構(gòu)成</p><p>　　變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中葉曾出現(xiàn)過多種類型的變頻

82、器，但是目前成為市場主流的變頻器基本上有相似的基本結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　而對于采用了矢量控制方式的變頻器來說，由于進行矢量控制時需要進行大量的運算，其運算電路中有時還有一個以DSP（數(shù)字信號處理器）為主的轉(zhuǎn)矩計算用CPU以及相應(yīng)的磁通監(jiān)測和調(diào)節(jié)電路。</p><p>　　6.2.2 變頻器內(nèi)部電路的基本功能</p><p>　　一般的三相變頻器的整流電路由三

83、相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式可以使直流電壓源也可以是直流電流源。</p><p>　　直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，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。當(dāng)整流電路是電壓源時直流中間電路的主要元器件是大容量的電解電容，而當(dāng)整流電路是電流源時平滑電路則主要由大容量電感組成。此外，由于電動機制動

84、的需要，在直流中間電路中有時還包括制動電阻以及其它輔助電路。</p><p>　　逆變電路是變頻器最主要的部分之一。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。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。</p><p>　　變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極（基極）驅(qū)動電路、外部接口電力以及保護電路等幾

85、個部分，也是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？只胖H電路的主要作用是將檢測電力得到的各種信號送至運算電路，使運算電路能夠根據(jù)要求為變頻器主電路提供必要的保護。此外，控制電路還通過A/D，D/A等外部接口電路接收/發(fā)送多種形式的外部信號和給出系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)，以便使變頻器能夠和外部設(shè)備配合進行各種高性能的控制。</p><p>　　6.2.3 變頻器的選擇</p><p&

86、gt;　　變頻器連續(xù)運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量應(yīng)滿足:</p><p>　　式中： ——負(fù)載所要求的電動機的輸出功率；</p><p>　　y——電動機的效率（通常為0.85）；</p><p>　　——電動機的功率因數(shù)（通常約為0.95）；</p><p>　　——電動機的電流，A；</p><p>　　k——電流波形修

87、正參數(shù)；</p><p>　　——變頻器的額定容量，kVA;</p><p>　　——變頻器的額定電流，A。</p><p>　　根據(jù)電動機銘牌數(shù)據(jù)計算如下：</p><p>　　=1×5.5/（0.85×0.95）=6.8kVA</p><p>　　=1×11.6=11.6A</p

88、><p>　　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ABB-ACS510。容量：7kVA，電流：12A，完全滿足以上計算要求。</p><p>　　6.2.4 變頻器的功能參數(shù)表</p><p>　　1. 參考頻率（功能代碼01）</p><p>　　參考頻率即當(dāng)前的給定頻率，輸出頻率始終按設(shè)定的加減速時間跟隨參考頻率。但在運行

89、過程中，輸出頻率始終大于下限頻率（停車過程例外），而小于上限頻率。</p><p>　　若頻率給定方式為鍵盤時，可通過▼▲兩鍵對給定頻率進行在線調(diào)整，最后的給定頻率值被記憶。</p><p>　　在多段速度運行時，每一段的頻率值也可用▼▲兩鍵進行在線調(diào)整，但改變后的頻率值在停機后不記憶。</p><p>　　2.控制方式的選擇（功能代碼10）</p>

90、<p><b>　　表6-4</b></p><p>　　3. 上/下限頻率（功能代碼16、17）</p><p>　　在參數(shù)設(shè)定時，此功能自動限制下限頻率不高于上限頻率，自動限制上限頻率不高于最大頻率。但設(shè)定頻率不受上/下限頻率值的影響。</p><p>　　在運行過程中，自動保證輸出頻率不高于上限頻率，不低于下限頻率。若給定頻率小

91、于下限且無停車指令，則輸出頻率保持在下限頻率值不變。在停車過程中，不受下限頻率的影響。</p><p>　　此功能常用于保證電機工作于允許頻段，以避免誤操作或意想不到的原因?qū)е聶C械系統(tǒng)或變頻器發(fā)生意外。在防止低速或超速運行的場合尤為適用。</p><p>　　4. 多段速度（功能代碼35——46）</p><p>　　多段速度由外部端子的狀態(tài)決定。由功能代碼72——

92、77定義任意端子為多段速度控制端子51、52、53、54，可重復(fù)定義，也可部分定義（未定義時視為OFF狀態(tài)）。最大可實現(xiàn)15段外部速度。</p><p>　　在多段速度運行時，用戶可以用鍵盤▲▼鍵對當(dāng)前運行的頻率進行調(diào)整，但調(diào)整后的頻率，在停機或斷電后不保存。</p><p>　　多段速度優(yōu)先級高于鍵盤給定或模擬給定。故當(dāng)S1=S2=S3=S4=OFF時，頻率給定方式由功能代碼11選擇，運

93、行頻率由鍵盤給定或模擬給定，因而，實際最多可選擇16段速度運行。</p><p>　　多段速度運行時的起動/停機由控制方式選擇功能代碼10決定，可選擇鍵盤或端子指令。</p><p>　　5. 參數(shù)設(shè)定模式（功能代碼71）</p><p><b>　　表6-5</b></p><p>　　6. 可編程輸入端子（功能代碼7

94、2——77）</p><p>　　可編程輸入端子RST、FRE、S1、S2、S3、S4共六個，每個端子的功能都可以定義，既可屏蔽不用，也可重復(fù)定義，使用更方便。每個端子由指定的功能代碼定義其功能。如下表所示：</p><p><b>　　表6-6</b></p><p>　　6.3 變頻器的功能預(yù)置</p><p>　　

95、6.3.1 各參數(shù)的設(shè)定值表</p><p><b>　　表6-6</b></p><p>　　6.3.2 多段速的參數(shù)設(shè)定表</p><p><b>　　表6-7</b></p><p><b>　　6.4 PLC選擇</b></p><p>　　PL

96、C選型要選最簡單的輸入14點，輸出8點。因此，要選擇西門子S7-200（輸入14點，輸出10點）變頻器。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　時光飛逝，歲月如梭，轉(zhuǎn)眼間幾個月的畢業(yè)設(shè)計接近尾聲在此次設(shè)計中我設(shè)計的是普通車床主軸的變頻調(diào)速。</p><p>　　在設(shè)計中主要的是車床的拖動原理以及變頻器的調(diào)速原理，還有

97、就是用到的一些電子元器件的相關(guān)基本知識以及電動機、變頻器的型號選擇，我的設(shè)計主要是利用變頻器改變速度來控制車床的變頻調(diào)速。</p><p>　　經(jīng)改造后的變頻調(diào)速擁有節(jié)能、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制、可以實現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制、容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換、可以進行高頻度的起停運轉(zhuǎn)、可以進行電氣自動。符合廣大用戶的需求，是我國目前發(fā)展的需要。</p><p>　　由于本人對機床不是

98、很了解，論文任務(wù)大時間緊，沒有在實踐中實驗。所以，本設(shè)計必然存在一些缺點和不足，請各位老師諒解！</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本課題是在xx老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗，使我受益匪淺。老師正直高尚的品質(zhì)、求真務(wù)實的作風(fēng)和敬業(yè)勤勉的精神也深深地影響了我。在此，謹(jǐn)代表我個人對老師致以崇高的

99、敬意和衷心的感謝。</p><p>　　在本次畢業(yè)設(shè)計的研討與完善過程中，老師給予了我大力支持和指導(dǎo)，并促使這一項目的完整實施。</p><p>　　該課題是本人在生產(chǎn)實踐中結(jié)合車床的結(jié)構(gòu)、功能和變頻器技術(shù)進行了研究、分析、實踐、總結(jié)，形成了一個比較完整的理論體系，其主要精髓是在應(yīng)用變頻器對普通車床進行變頻調(diào)速。這一課題是一個多方面的綜合性設(shè)計項目，涉及普通車床的功能與構(gòu)造，普通車床的拖動

100、系統(tǒng)，車床主拖動的變頻調(diào)速系統(tǒng)，同時還介紹了變頻器的種類，變頻器的選擇，以及變頻器的功能預(yù)置等多個相關(guān)方面的知識。但距全面掌握系統(tǒng)設(shè)計還有一定差距，所以本文仍有許多不足之處，望老師同學(xué)給予批評指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　大連組合機車研究所.《組合機床設(shè)計手冊 機械部分》.機械工業(yè)出版社.</p><p&

101、gt;<b>　　1975</b></p><p>　　大連組合機車研究所.《組合機床設(shè)計參考圖冊》.機械工業(yè)出版社.1975</p><p>　　周宗明.《金屬切削機床》.清華大學(xué)出版社.2004</p><p>　　濮良貴.紀(jì)名剛.《機械設(shè)計》.高等教育出版社.2006</p><p>　　賈亞洲.《金屬切削機床概論

102、》.機械工業(yè)出版社.2005</p><p>　　周開勤.《機械零件手冊》.高等教育出版社.2002</p><p>　　孫恒、陳作模.《機械原理》.北京高等教育出版社.2001</p><p>　　朱林.《機電一體化設(shè)計》.石油工業(yè)出版社.2008</p><p>　　甘永立.《幾何量公差與檢測》.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 2001</p&