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1、 航空制造工程學(xué)院 創(chuàng)新能力綜合訓(xùn)練 研 究 報(bào) 告 題 目： 曲面磁力研磨機(jī)設(shè)計(jì) 所屬課題： 主運(yùn)動(dòng)控制 學(xué) 院： 航空制造工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 合作者： 指導(dǎo)教師： 二 O 一二年 十二月 - 1 -

2、 曲面磁力研磨機(jī)的主運(yùn)動(dòng)控制 研究 學(xué)生姓名：余興華 班級(jí)： 09031924 指導(dǎo)老師 ：柴京富 摘要：采用了內(nèi)裝式同軸電機(jī)主軸， 研究了主軸電機(jī)的性能和對(duì)曲面研磨機(jī)床 的影響和工作情況，以及主軸電動(dòng)機(jī)控制電路，表明了電主軸有良好的可控性 和簡(jiǎn)單緊湊的結(jié)構(gòu)等，以其優(yōu)異的性能，高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍，高精度，有助 于曲面磁力研磨的精度。 關(guān)鍵詞 : 電機(jī)主軸 性能 曲面研磨機(jī)床 控制電路

3、 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 本方法的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是： 1. 主軸低年級(jí)轉(zhuǎn)速的提高不受換向器的限制。 2. 采用了微處理器和現(xiàn)代控制理論進(jìn)行控制， 系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)， 振動(dòng)和噪音 - 2 - 小，并且可以獲得較大的調(diào)速范圍和較高的低速轉(zhuǎn)。。 3. 能實(shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)。 目 錄 1 引言 ???????

4、???????????? ? 2 2 研究方法 ??????????????????? .. 2 2.1 機(jī)床的結(jié)構(gòu) ????????????????? . ? 2 2.2 自由曲面磁粒光整加工原理 ??????????? 3 3 機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)的選擇和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析???? 4 3.1 機(jī)床主軸電機(jī)的基本要求 ????????????? 4 3.2 主軸電機(jī)的使用要求 ??????????????? 4 3.3 主軸電機(jī)的工藝性經(jīng)濟(jì)性要求 ???????????? 4 3.4 直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得特點(diǎn) ???????

5、?????? 5 3.5 交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ???????????????? 5 3.6 主軸部分的電氣控制原理 ????????????? 6 4 結(jié) 論 ???????????????????? 8 5 參考文獻(xiàn) ........................................ 9 - 3 - 1 引言 機(jī)床主軸系統(tǒng)采用內(nèi)裝式同軸電機(jī)主軸將會(huì)是高速

6、機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 。電主軸以其優(yōu)異的性能，高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍，高精度。良好的可控性和簡(jiǎn)單緊 湊的結(jié)構(gòu)等，已為越來(lái)越多的機(jī)床所選用。機(jī)械式主軸變速系統(tǒng)將逐步被前景看好的電主軸所取代。而電主軸的核心是伺服電機(jī)，選用何種電機(jī)將關(guān)系到電主軸的控制精度、調(diào)速范圍和制造經(jīng)濟(jì)性等多方面的性能好壞，只有權(quán)衡各類(lèi) 電機(jī)不同的優(yōu)缺點(diǎn)滿(mǎn)足基本的功能要求，才能選定最適合作機(jī)床主軸的電機(jī) .。 2 研究方法 2.1 機(jī)床的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

7、 - 4 - 圖 1 所示是數(shù)字化磁性磨粒光整加工機(jī)床示意圖。機(jī)床的工作行程 600mmX800mmX600mm, 主軸轉(zhuǎn)速。一 300or/min,磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 ~1.ST,3 個(gè)坐標(biāo)方向的移動(dòng)速度。一 6m/min。該機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)除了具有普通三坐標(biāo)數(shù) 控銑床控制系統(tǒng)

8、的功能 ( 如三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、手動(dòng)、自動(dòng)等 )外 ,還具有曲面的 示教方式三坐標(biāo)數(shù)字化測(cè)量功能、曲面加工軌跡的自動(dòng)編程功能及磁性磨料的 自動(dòng)更換功能等。 2.2 自由曲面磁粒光整加工原理 在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下 ,填充在磁場(chǎng)中的磁性磨料將沿著磁力線(xiàn)的方向排列起來(lái) ,吸附 在磁極上形成“軟磨料刷” ,并對(duì)工件表面產(chǎn)生一定的壓力。 “軟磨料刷”與工 件之間產(chǎn)生快速相對(duì)運(yùn)動(dòng) ,實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的光整加工 ,如圖 2 所示。 - 5 -

9、 磁場(chǎng)作用力的大小與磁性磨粒的導(dǎo)磁性、磁場(chǎng)強(qiáng) 度和磁場(chǎng)梯度有關(guān)。 如圖 3 所示。磁作用力 F 使得磁性磨粒向著磁力線(xiàn)集中的部位聚集 ,在磁極高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠防止磁性磨粒因離心力的作用而飛散。 3 機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)的選擇和 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析 3.1 機(jī)

10、床主軸電機(jī)的基本要求 作為機(jī)床主軸，除了作高速回轉(zhuǎn)外，還要承受徑向、軸向、切向切削力，主軸在彎曲、扭轉(zhuǎn)的交變載荷下，按照要求進(jìn)行起動(dòng)、增速、減速和停車(chē)等。 因此主軸電機(jī)應(yīng)比一般用途電機(jī)的制造精度， 控制精度，使用條件等要求更高。 - 6 - 對(duì)主軸電機(jī)主要有以下幾個(gè)方面的要求： 3.2 主軸電機(jī)的使用要求 與一般用途電機(jī)一樣，主軸電機(jī)要滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)的基本要求，即：電機(jī)的輸出功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等應(yīng)與機(jī)械負(fù)載相匹配。另外還要考慮使用環(huán)境，應(yīng)用場(chǎng)合、工作制和使用電源，如電壓、電流、頻率等。 主軸電機(jī)的控制要求機(jī)床主軸的運(yùn)動(dòng)是機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)

11、的主運(yùn)動(dòng)。主軸經(jīng)常處于起動(dòng)、加速、切削、制動(dòng)、停車(chē)這種循環(huán)中，因此對(duì)主軸電機(jī)的控制應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)的一切需要。對(duì)主軸電機(jī)的控制有穩(wěn)態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制兩種要求，考核電機(jī)穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)指標(biāo)有電機(jī)的額定值、調(diào)速范圍、靜差率、平滑性等；考核電機(jī)動(dòng)態(tài)控制技術(shù)指標(biāo)有對(duì)控制信號(hào)的跟隨特性、抗干擾性等?？傊瑱C(jī) 床主軸電機(jī)對(duì)其的控制要求是恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)要平穩(wěn)、 轉(zhuǎn)速波動(dòng)小、 抗干擾能力強(qiáng)；調(diào)速范圍寬，并連續(xù)可調(diào)；電機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)安全可靠；電機(jī)控制系統(tǒng)可靠性高，工作壽命長(zhǎng)。 3.3 主軸電機(jī)的工藝性經(jīng)濟(jì)性要求 機(jī)床主軸電機(jī)與一般電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜許多，制造精度要求更高， 控制系統(tǒng)更完善。為適

12、應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)需要， 主軸電機(jī)的制造必須具備： 主軸及電機(jī)的 "制造工藝性要好； 主軸電機(jī)的裝配、調(diào)試、維護(hù)性能要好； 主軸電機(jī)應(yīng)具有效率高、壽命長(zhǎng)、體積小重量輕，可控制性好。 機(jī)床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)有很大的差別。根據(jù)機(jī)床主傳動(dòng)的工作特點(diǎn)，早期的機(jī)床主軸傳動(dòng)全部采用三相異步電動(dòng)機(jī)加上多級(jí)變速箱的結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)床結(jié)構(gòu)有了很大的改進(jìn)，從而對(duì)主軸系統(tǒng)提出了新的要求， 而且因用途而異。在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控車(chē)床占 42％，數(shù)控鉆鏜銑床占 33％，數(shù) 控磨床、沖床占 23％，其他只占 2％。為了滿(mǎn)足量大面廣的前兩類(lèi)數(shù)控機(jī)床的 需要，對(duì)主軸傳動(dòng)提出了下述要求： 主傳動(dòng)電動(dòng)

13、機(jī)應(yīng)有 2.2 ～250kW的功率范圍； 要有大的無(wú)級(jí)調(diào)速范圍，如能在 1：100～1000 范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和 1：10 的恒功率調(diào)速；要求主傳動(dòng)有四象限的驅(qū)動(dòng)能力；為了滿(mǎn)足螺紋車(chē)削，要求主 軸能與進(jìn)給實(shí)行同步控制等等。 主軸傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式同步電動(dòng)機(jī)和籠型異步電動(dòng)機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。而交流主軸電動(dòng)機(jī)的情況則不同，交流主軸電動(dòng)機(jī)均采用異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，這是因?yàn)?，一方面受永磁體的限制，當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量做得很大時(shí)，電動(dòng)機(jī)成本會(huì)很高，對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)講無(wú)法接受采用

14、；另一方面，數(shù)控機(jī)床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)不必像進(jìn)給伺服系統(tǒng)那樣要求如此高的性能，采用成本低的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量閉環(huán)控制，完全可滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。 但對(duì)交流主軸電動(dòng)機(jī)性能要求又與普通異步電動(dòng)機(jī)不同，要求交流主軸電動(dòng)機(jī)的輸出特性曲線(xiàn)（輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系）是在基本速度以下時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上時(shí)為恒功率區(qū)域。 - 7 - 3.4 直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得特點(diǎn) 在數(shù)控機(jī)床高速 , 高效 , 高精度的控制要求 , 使得 FANUC直流主軸驅(qū)動(dòng)與通常的速度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比有以下特點(diǎn) : （ 1） 調(diào)速范圍寬 , 采用 FANU

15、C主軸驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床 , 在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，小型機(jī)床通常采用電機(jī)與主軸直接或皮帶變速的結(jié)構(gòu)形式、中、大型機(jī)床通常只設(shè) 置高 , 低速兩級(jí)簡(jiǎn)單的機(jī)械變速機(jī)構(gòu)， 因此，主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速必須全部依賴(lài)主軸驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。 為保證數(shù)控機(jī)床的加工范圍 , 使加工工藝相對(duì)集中， 并達(dá)到理想的切削效果，主軸驅(qū)動(dòng)器必須實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，且具有教寬的調(diào)速范圍。 （ 2） 在結(jié)構(gòu)上，ＦＡＮＵＣ直流主軸電動(dòng)機(jī)為全封閉的結(jié)構(gòu)形式， 可以在有塵埃和切削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。 （ 3） 在冷卻系統(tǒng)上， 為了縮小體積，提高效率，ＦＡＮＵＣ主軸電動(dòng)機(jī)采用了特殊法人熱管冷卻系統(tǒng)，可以將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量迅速的向外界發(fā)散

16、。 （ 4） 在磁路設(shè)計(jì)上， 為了使電機(jī)發(fā)熱最小， ＦＡＮＵＣ煮粥電動(dòng)機(jī)定子采用了獨(dú)特的附加磁極，以減小損耗，提高了效率。 3.5 交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在近幾年，很多機(jī)床都采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 下面談?wù)撘幌陆涣髦鬏S驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一些特點(diǎn)： （ 1） 由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了微處理器和現(xiàn)代控制理論進(jìn)行控制，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音小，并且可以獲得較大的調(diào)速范圍和較高的低速轉(zhuǎn)矩，可以較方便地與數(shù)控機(jī)床相配套。 （ 2） 較大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了難度較大的“回饋制動(dòng)”技術(shù)，在制動(dòng)時(shí)，既可將電動(dòng)機(jī)能量反饋回電網(wǎng)，起到節(jié)能的效果，又可以加快起、制動(dòng)速度。

17、 （ 3） 驅(qū)動(dòng)器具有Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器、 實(shí)際轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出、 電氣主軸 “定向準(zhǔn)?！钡裙δ?，可以方便地與各類(lèi)ＣＮＣ配套。 （ 4） 電機(jī)采用無(wú)外殼結(jié)構(gòu)， 定子硅鋼片直接進(jìn)行空氣冷卻， 可以在浮塵、 切削液飛濺的場(chǎng)合安全、可靠地工作。 （ 5） 與直流電機(jī)相比， 由于交流主軸電機(jī)在結(jié)構(gòu)上無(wú)換向器， 主軸電機(jī)通常不需要進(jìn)行維修。 （ 6） 主軸低年級(jí)轉(zhuǎn)速的提高不受換向器的限制， 最高轉(zhuǎn)速通常比直流主軸低年級(jí)更高。 （ 7） 主軸電機(jī)的冷卻空氣由前端向后流動(dòng)， 可以有效減少電機(jī)發(fā)熱對(duì)機(jī)床精 - 8 - 度的影響。

18、 3.6 、主軸部分的電氣控制原理 圖 1 和圖 2 分別是該磨床主軸部分的主電路圖和控制電路圖。此電路是根據(jù)原機(jī)床的電氣原理圖繪制，由于原圖中所有電器符號(hào)與我國(guó)的電器符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)不一樣，因此圖 1 和圖 2 中的各電器符號(hào)均改為符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的電器符號(hào)。 圖 1 主軸主電路圖 圖 2 主軸控制電

19、路圖 主軸主電路的工作原理 主軸電動(dòng)機(jī)功率 4.5kW, 接法；為減小起動(dòng)電流，采用 Y- 起動(dòng)，用接觸器 KMY和 KM 完成起動(dòng)與運(yùn)行的切換。主軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)接觸器 KMY通電，主軸電動(dòng)機(jī)定子繞組為 Y 形接法，起動(dòng)電流減小為直接起動(dòng)電流的 1/3, 一段時(shí) - 9 - 間后， KMY斷電， KM 通電，電動(dòng)機(jī)定子繞組換接成 接法。 KM1和 KM2用 主軸電動(dòng)機(jī)能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從主電路中可以看出，接觸器 于完成主軸電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。 當(dāng)接觸器 KM1通電接通時(shí)，主軸電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)接觸器 KM2通電接通時(shí)，主

20、軸電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 主軸控制電路的工作原理 由于整個(gè)機(jī)床所用的電器比較多，線(xiàn)路比較復(fù)雜，為了安全，所有電器均 采用 36V供電，繼電器用直流供電（見(jiàn)圖 2 所示）。 SA1是主軸電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn) 控制的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，共有 3 個(gè)操作位置：Ⅰ位—主軸正轉(zhuǎn)控制；Ⅱ位—主軸反轉(zhuǎn) 控制； 0 位—主軸停止； SA2是主軸具有不同加工過(guò)程控制的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)， 當(dāng)觸點(diǎn) SA2-2 和 SA2-3 閉合時(shí)，主軸單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)； KT1 是控制主軸起動(dòng)的時(shí)間繼電器。 合上總電源開(kāi)關(guān)，電源向變壓器供電，時(shí)間繼電器 KT1通電，其延時(shí)斷開(kāi) 動(dòng)合觸點(diǎn) KT1瞬時(shí)閉合，延時(shí)閉合動(dòng)斷觸

21、點(diǎn) KT1瞬時(shí)斷開(kāi)，接觸器 KMY通電， 主軸電動(dòng)機(jī)為 Y 形接法準(zhǔn)備起動(dòng)。 如果要求主軸電動(dòng)機(jī)單獨(dú)反向旋轉(zhuǎn)， 可把轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) SA1置Ⅱ位，接觸器 KM2 通電，主軸電動(dòng)機(jī)開(kāi)始 Y形接法起動(dòng)經(jīng)延時(shí)自動(dòng)切換成 形接法運(yùn)行， 其過(guò)程 與上述主軸正轉(zhuǎn)過(guò)程一樣，把轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) SA1置 0 位，接觸器 KM1或 KM2斷電釋放，主軸電動(dòng)機(jī)停止。 4 結(jié) 論 1、通過(guò)上面兩種主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較，交流主軸電動(dòng)機(jī)在工作環(huán)境，冷卻系統(tǒng)和調(diào)速范圍上都優(yōu)于直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，故根據(jù)在這些方面的優(yōu)勢(shì)本設(shè)計(jì)的主軸

22、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)． 其選用的交流主軸電機(jī)的參數(shù)如下： 主軸型號(hào) 連續(xù)輸出功率 ３０分鐘額定 基本速度 變速范圍 輸出功率 5.5 5.5 ＫＷ 7.5 ＫＷ １ ５ ０ ０ ４５～６００ r/min ０ r/min 5.5kW 車(chē)床，電動(dòng)機(jī)參數(shù) ： 額定功率： 5.5kW， 額定頻率： 50Hz, 額定電壓： 380V， 額定電流： 11A， -10- 額定轉(zhuǎn)速： 1440r/min 機(jī)械傳動(dòng)比： 1：1.5

23、 加工材料： 45#鋼 2、采用圖 1 所示主軸主電路；采用圖 2 所示主軸控制電路圖。 圖 1 主軸主電路圖 圖 2 主軸控制電路圖 5 參考文獻(xiàn) [1] 楊建東 ,田春林 .高速研磨技術(shù) [M]. 北京 :國(guó)防工業(yè)出版社 ,2003. [2] 沙 琳,王永良,張登霞.一種新型曲面研磨機(jī)的研制與實(shí)驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì) ,2007,24(1):57-59. [3] 王鳳

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