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1、 航空制造工程學院 創(chuàng)新能力綜合訓練 研 究 報 告 題 目： 曲面磁力研磨機設計 所屬課題： 主運動控制 學 院： 航空制造工程學院 專業(yè)名稱：機械設計制造及其自動化 班級學號： 學生姓名： 合作者： 指導教師： 二 O 一二年 十二月 - 1 -

2、 曲面磁力研磨機的主運動控制 研究 學生姓名：余興華 班級： 09031924 指導老師 ：柴京富 摘要：采用了內(nèi)裝式同軸電機主軸， 研究了主軸電機的性能和對曲面研磨機床 的影響和工作情況，以及主軸電動機控制電路，表明了電主軸有良好的可控性 和簡單緊湊的結構等，以其優(yōu)異的性能，高轉速、寬調(diào)速范圍，高精度，有助 于曲面磁力研磨的精度。 關鍵詞 : 電機主軸 性能 曲面研磨機床 控制電路

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

4、???????????? ? 2 2 研究方法 ??????????????????? .. 2 2.1 機床的結構 ????????????????? . ? 2 2.2 自由曲面磁粒光整加工原理 ??????????? 3 3 機床主軸電動機的選擇和主軸驅動系統(tǒng)分析???? 4 3.1 機床主軸電機的基本要求 ????????????? 4 3.2 主軸電機的使用要求 ??????????????? 4 3.3 主軸電機的工藝性經(jīng)濟性要求 ???????????? 4 3.4 直流主軸驅動系統(tǒng)得特點 ???????

5、?????? 5 3.5 交流主軸驅動系統(tǒng) ???????????????? 5 3.6 主軸部分的電氣控制原理 ????????????? 6 4 結 論 ???????????????????? 8 5 參考文獻 ........................................ 9 - 3 - 1 引言 機床主軸系統(tǒng)采用內(nèi)裝式同軸電機主軸將會是高速

6、機床的發(fā)展趨勢 。電主軸以其優(yōu)異的性能，高轉速、寬調(diào)速范圍，高精度。良好的可控性和簡單緊 湊的結構等，已為越來越多的機床所選用。機械式主軸變速系統(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，選用何種電機將關系到電主軸的控制精度、調(diào)速范圍和制造經(jīng)濟性等多方面的性能好壞，只有權衡各類 電機不同的優(yōu)缺點滿足基本的功能要求，才能選定最適合作機床主軸的電機 .。 2 研究方法 2.1 機床的結構和參數(shù)

7、 - 4 - 圖 1 所示是數(shù)字化磁性磨粒光整加工機床示意圖。機床的工作行程 600mmX800mmX600mm, 主軸轉速。一 300or/min,磁極的磁感應強度。 ~1.ST,3 個坐標方向的移動速度。一 6m/min。該機床的數(shù)控系統(tǒng)除了具有普通三坐標數(shù) 控銑床控制系統(tǒng)

8、的功能 ( 如三坐標聯(lián)動、點動、手動、自動等 )外 ,還具有曲面的 示教方式三坐標數(shù)字化測量功能、曲面加工軌跡的自動編程功能及磁性磨料的 自動更換功能等。 2.2 自由曲面磁粒光整加工原理 在強磁場作用下 ,填充在磁場中的磁性磨料將沿著磁力線的方向排列起來 ,吸附 在磁極上形成“軟磨料刷” ,并對工件表面產(chǎn)生一定的壓力。 “軟磨料刷”與工 件之間產(chǎn)生快速相對運動 ,實現(xiàn)對工件表面的光整加工 ,如圖 2 所示。 - 5 -

9、 磁場作用力的大小與磁性磨粒的導磁性、磁場強 度和磁場梯度有關。 如圖 3 所示。磁作用力 F 使得磁性磨粒向著磁力線集中的部位聚集 ,在磁極高速旋轉時能夠防止磁性磨粒因離心力的作用而飛散。 3 機床主軸電動機的選擇和 主軸驅動系統(tǒng)分析 3.1 機

10、床主軸電機的基本要求 作為機床主軸，除了作高速回轉外，還要承受徑向、軸向、切向切削力，主軸在彎曲、扭轉的交變載荷下，按照要求進行起動、增速、減速和停車等。 因此主軸電機應比一般用途電機的制造精度， 控制精度，使用條件等要求更高。 - 6 - 對主軸電機主要有以下幾個方面的要求： 3.2 主軸電機的使用要求 與一般用途電機一樣，主軸電機要滿足驅動的基本要求，即：電機的輸出功率、轉速、轉矩等應與機械負載相匹配。另外還要考慮使用環(huán)境，應用場合、工作制和使用電源，如電壓、電流、頻率等。 主軸電機的控制要求機床主軸的運動是機床傳動系統(tǒng)

11、的主運動。主軸經(jīng)常處于起動、加速、切削、制動、停車這種循環(huán)中，因此對主軸電機的控制應滿足機床主軸運動的一切需要。對主軸電機的控制有穩(wěn)態(tài)控制和動態(tài)控制兩種要求，考核電機穩(wěn)態(tài)控制技術指標有電機的額定值、調(diào)速范圍、靜差率、平滑性等；考核電機動態(tài)控制技術指標有對控制信號的跟隨特性、抗干擾性等?？傊?，機 床主軸電機對其的控制要求是恒速運動時要平穩(wěn)、 轉速波動小、 抗干擾能力強；調(diào)速范圍寬，并連續(xù)可調(diào)；電機起動、制動安全可靠；電機控制系統(tǒng)可靠性高，工作壽命長。 3.3 主軸電機的工藝性經(jīng)濟性要求 機床主軸電機與一般電機相比，結構上要復雜許多，制造精度要求更高， 控制系統(tǒng)更完善。為適

12、應市場經(jīng)濟需要， 主軸電機的制造必須具備： 主軸及電機的 "制造工藝性要好； 主軸電機的裝配、調(diào)試、維護性能要好； 主軸電機應具有效率高、壽命長、體積小重量輕，可控制性好。 機床的主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)有很大的差別。根據(jù)機床主傳動的工作特點，早期的機床主軸傳動全部采用三相異步電動機加上多級變速箱的結構。隨著技術的不斷發(fā)展，機床結構有了很大的改進，從而對主軸系統(tǒng)提出了新的要求， 而且因用途而異。在數(shù)控機床中，數(shù)控車床占 42％，數(shù)控鉆鏜銑床占 33％，數(shù) 控磨床、沖床占 23％，其他只占 2％。為了滿足量大面廣的前兩類數(shù)控機床的 需要，對主軸傳動提出了下述要求： 主傳動電動

13、機應有 2.2 ～250kW的功率范圍； 要有大的無級調(diào)速范圍，如能在 1：100～1000 范圍內(nèi)進行恒轉矩調(diào)速和 1：10 的恒功率調(diào)速；要求主傳動有四象限的驅動能力；為了滿足螺紋車削，要求主 軸能與進給實行同步控制等等。 主軸傳動和進給傳動一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動。交流伺服電動機有永磁式同步電動機和籠型異步電動機兩種結構形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動機的結構形式。而交流主軸電動機的情況則不同，交流主軸電動機均采用異步電動機的結構形式，這是因為，一方面受永磁體的限制，當電動機容量做得很大時，電動機成本會很高，對數(shù)控機床來講無法接受采用

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

15、C主軸驅動的數(shù)控機床 , 在機械結構方面，小型機床通常采用電機與主軸直接或皮帶變速的結構形式、中、大型機床通常只設 置高 , 低速兩級簡單的機械變速機構， 因此，主軸電動機的調(diào)速必須全部依賴主軸驅動器進行控制。 為保證數(shù)控機床的加工范圍 , 使加工工藝相對集中， 并達到理想的切削效果，主軸驅動器必須實現(xiàn)無級變速，且具有教寬的調(diào)速范圍。 （ 2） 在結構上，ＦＡＮＵＣ直流主軸電動機為全封閉的結構形式， 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主軸電動機采用了特殊法人熱管冷卻系統(tǒng)，可以將轉子產(chǎn)生的熱量迅速的向外界發(fā)散

16、。 （ 4） 在磁路設計上， 為了使電機發(fā)熱最小， ＦＡＮＵＣ煮粥電動機定子采用了獨特的附加磁極，以減小損耗，提高了效率。 3.5 交流主軸驅動系統(tǒng) 在近幾年，很多機床都采用交流主軸驅動系統(tǒng)， 下面談論一下交流主軸驅動系統(tǒng)與交流主軸驅動系統(tǒng)的一些特點： （ 1） 由于驅動系統(tǒng)采用了微處理器和現(xiàn)代控制理論進行控制，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，振動和噪音小，并且可以獲得較大的調(diào)速范圍和較高的低速轉矩，可以較方便地與數(shù)控機床相配套。 （ 2） 較大功率驅動系統(tǒng)采用了難度較大的“回饋制動”技術，在制動時，既可將電動機能量反饋回電網(wǎng)，起到節(jié)能的效果，又可以加快起、制動速度。

17、 （ 3） 驅動器具有Ｄ／Ａ轉換器、 實際轉速／轉矩信號輸出、 電氣主軸 “定向準?！钡裙δ?，可以方便地與各類ＣＮＣ配套。 （ 4） 電機采用無外殼結構， 定子硅鋼片直接進行空氣冷卻， 可以在浮塵、 切削液飛濺的場合安全、可靠地工作。 （ 5） 與直流電機相比， 由于交流主軸電機在結構上無換向器， 主軸電機通常不需要進行維修。 （ 6） 主軸低年級轉速的提高不受換向器的限制， 最高轉速通常比直流主軸低年級更高。 （ 7） 主軸電機的冷卻空氣由前端向后流動， 可以有效減少電機發(fā)熱對機床精 - 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)原機床的電氣原理圖繪制，由于原圖中所有電器符號與我國的電器符號標準不一樣，因此圖 1 和圖 2 中的各電器符號均改為符合我國標準的電器符號。 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 主軸電動機功率 4.5kW, 接法；為減小起動電流，采用 Y- 起動，用接觸器 KMY和 KM 完成起動與運行的切換。主軸電動機起動時接觸器 KMY通電，主軸電動機定子繞組為 Y 形接法，起動電流減小為直接起動電流的 1/3, 一段時 - 9 - 間后， KMY斷電， KM 通電，電動機定子繞組換接成 接法。 KM1和 KM2用 主軸電動機能夠正轉和反轉，從主電路中可以看出，接觸器 于完成主軸電動機的正反轉控制。 當接觸器 KM1通電接通時，主軸電動機正轉；當接觸器 KM2通電接通時，主

20、軸電動機反轉 主軸控制電路的工作原理 由于整個機床所用的電器比較多，線路比較復雜，為了安全，所有電器均 采用 36V供電，繼電器用直流供電（見圖 2 所示）。 SA1是主軸電動機正反轉 控制的轉換開關，共有 3 個操作位置：Ⅰ位—主軸正轉控制；Ⅱ位—主軸反轉 控制； 0 位—主軸停止； SA2是主軸具有不同加工過程控制的轉換開關， 當觸點 SA2-2 和 SA2-3 閉合時，主軸單獨轉動； KT1 是控制主軸起動的時間繼電器。 合上總電源開關，電源向變壓器供電，時間繼電器 KT1通電，其延時斷開 動合觸點 KT1瞬時閉合，延時閉合動斷觸

21、點 KT1瞬時斷開，接觸器 KMY通電， 主軸電動機為 Y 形接法準備起動。 如果要求主軸電動機單獨反向旋轉， 可把轉換開關 SA1置Ⅱ位，接觸器 KM2 通電，主軸電動機開始 Y形接法起動經(jīng)延時自動切換成 形接法運行， 其過程 與上述主軸正轉過程一樣，把轉換開關 SA1置 0 位，接觸器 KM1或 KM2斷電釋放，主軸電動機停止。 4 結 論 1、通過上面兩種主軸驅動系統(tǒng)的比較，交流主軸電動機在工作環(huán)境，冷卻系統(tǒng)和調(diào)速范圍上都優(yōu)于直流主軸驅動系統(tǒng)，故根據(jù)在這些方面的優(yōu)勢本設計的主軸

22、驅動系統(tǒng)采用交流主軸驅動系統(tǒng)． 其選用的交流主軸電機的參數(shù)如下： 主軸型號 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 車床，電動機參數(shù) ： 額定功率： 5.5kW， 額定頻率： 50Hz, 額定電壓： 380V， 額定電流： 11A， -10- 額定轉速： 1440r/min 機械傳動比： 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 [1] 楊建東 ,田春林 .高速研磨技術 [M]. 北京 :國防工業(yè)出版社 ,2003. [2] 沙 琳,王永良,張登霞.一種新型曲面研磨機的研制與實驗[J].機械設計 ,2007,24(1):57-59. [3] 王鳳

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