数控车床主轴变额调速控制

2016-01-08 16:15 作者:管理员11 来源:未知 浏览: 字号:
 数控车床主轴变额调速控制

  金属切削机床的种类很多,主要有车床、铣床、磨床、钻床、刨床、镗床等。金属切削机床
的基本运动是切削运动,即工件与刀具之间的相对运动。切削运动由主运动和迸给运动组成。在
切削运动中,承受主要切削功率的运动称
为主运动。在车床、磨床和刨床等机床中,
主运动是工件的运动;而在铣床、镗床和
钻床等机床中,主运动则是刀具的运动。
金属切削机床的主运动都要求调速,并且
调速的范围往往较大。例如,如图6-70所
示的CA6140型普通车床的调速范围为
120:1,X62W型铣床的调速范围为50:l
等。但金属切削机床主运动的词速,一般
都在停机的情况下进行,在切削过程中是
不进行调速的。这为采用多挡传动比方案

普通车床的基本结构
的可行性提供了基础。
    一、金属切削机床主运动的负载性质
    通用机床的低速段,允许的最大进刀量都是相同的,负载转矩也相同,属于恒转矩区;而在
高速段,则由于受床身机械强度和振动以及刀具强度等的影响,速度越高,允许的最大进刀量越
小,负载转矩也越小,但切削功率保持相同,属于恒功率区。恒转矩区和恒功率区的分界转速,
称为计算转速,用nD表示,如图6-71所示。关于转速大小,规定大致如下:

    从最低速起,以全部级数的三分之一的最高速作为计算转速。例如,CA6140型普通车床主
轴的转速分nl~n24共24级,第八挡转速(n8)为计算转速。但随着刀具强度和切削技术的提
高,计算转速已经大为提高,通常的规定是:以最高转速的(1/4~1/2)作为计算转速
    nD≈nmax/(2~4)    (6-49)
    二、普通车床的基本构造和拖动系统
    1.普通车床的基本构造
    普通车床的基本构造如图6-70所示,主要部件有头架、尾架、刀架和床身。头架用于固定
工件,内藏齿轮箱,是主要的传动机构之一。尾架用于顶住工件,是固定工件用的辅助部件。刀
架用于固定车刀。床身用于安置所有部件。
  2.拖动系统
  普通车床的运动系统主要包括主运动和进给运动两种运动。
  (1)主运动:工件的旋转运动为普通车床的主运动,带动工件旋转的拖动系统为主拖动
系统。
    (2)进给运动:主要是刀架的移动。由于在车削螺纹时,刀架的移动速度必须和工件的旋转
速度严格配合,故中小型车床的进给运动通常由主电动机经迸给传动链而拖动的,并无独立的进
给拖动系统。

    3.主运动系统阻转矩的形成
    主运动系统的阻转矩就是工件在切削过程中形
成的阻转矩。理论上说,切削功率用于切削的剥落
和变形。故切削力正比于被切削的材料性质和截面
积,切削面积由切削深度和走刀量决定。而切削转
矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积,其大小
与下列因素有关:切削深度;进刀量;工件的材质
与直径等,如图6-71所示。
    三、实侈I和基本数据
    某意大利产SAG型精密车床,由于调速用电磁
离合器损坏率较高,国内无配件,进口件又十分昂
贵,故改用变频调速。其具体情况如下。
    1.原拖动系统概况
    (1)转速挡次

车床的机械特性
负载侧有八挡转速:75、120、200、300、500、800、1200、2000r/min。
(2)电动机的主要额定数据
额定容量2.2kW;额定转速1440r/min;过载能力2.5倍。
(3)控制方式
由手柄的八个位置来控制四个电磁离合器的分与合,得到齿轮的八种组合,从而得到八挡转速。
2.主要计算数据
(1)调速范围
    aL=nLmax/nLmin=2000/75=26.67       (6-50)
(2)负载转矩
由式(6-49),并根据机械工程师提供的数据,有
    nD=2000/4r/min=500r/min       (6-51)
    在各挡转速下的负载转矩见表6-34(考虑到设计者在选择电动机时通常都留有裕量,故负载
  功率按PL=2kW计)。
各挡转速下的负载转矩
    (3)电动机额定转矩
    TMN=9550X2.2/1440=14.6(N·m)    (6-52)
  3.用户要求
  (1)尽可能不更换电动机。
  (2)在高速区,过载能力不低于1.8s。
  (3)转速挡次及控制方式不变,即仍由手柄的八个位置来控制八挡转速。
  四、变频调速拖动系统的计算
  1.决定频率范围
  (1)基本方案的决定
  为了满足用户关于“尽可能不更换电动机”的要求,根据任务5中恒功率负载变频调速所阐
明的指导思想,决定采用两挡传动比的方案,如图6-72所示。
    1)低速挡:当电动机的工作频率为fmi一
fmax时,负载转速为nLmin-nLmid   (nLmid是高速
挡与低速挡之间的分界速)。
    2)高速挡t当电动机的工作频率为fmin-
fmax时,负载转速为nLmid-nLnu;。
    3)中间转速nLmid的计算。忽略电动机转
差率变化的因素,则在低、高速挡分别有

fx≤2fN两档传动比带恒功率负载
    (2)最低工作频率
    本着“改造力求从简”的原则,决定不增加速度反馈环节,而采用无反馈矢量控制功能或
V/F控制方式。为了使低频运行时能够稳定可靠,应尽量提高最低转速时的工作频率.具体方
法是减小恒转矩区(即计算转速),故取
    nD=300r/min    (6-55)
    1)恒功率区的调速范围为
    aD=300/75 =4    (6-56)
    2)最低工作频率为
    Amin=50/4Hz=12.5Hz    (6-57)
(3)确定频率范围
1)恒功率区的调速范围为
    aLH=2000/300=6.67    (6-58)
2)频率范围:采用两挡传动比的方案

  3)中间速度为
    nLmid=2000/2.58r/min= 775.2r/min    (6-60)
    由于中间速nLmid在低速挡与电动机的最高工作频率fmax相对应,而fmax不宜超过额定频率
fN的2倍,故取
    nLmid-300×2r/min=600r/min    (6-61)
    2.确定传动比
    拖动系统的工作区见表6-35。

拖动系统的工作区
    (1)低速挡的传动比
    1)决定传动比50Hz (1440r/mir)与300r/min对应。λH≥NMN/nl300=1440/300=4.8,取λL=5。
    2)低速挡的转速范围。
    恒转矩转速范围:nL=0~300 r/min.对应fx=0~50 Hz,
    恒功率转速范围:nL=300~600r/min,对应fx=50~100Hz。
    3)转矩审核。
    50Hz以下:T'MN=TMNλ=14.6×5=73N·m>64N·m;
    50Hz以上:当nL=500r/min时,fx=83Hz时,电动机的有效转矩为:TME=TMN(FMN/
Fmax)=14.6×50/83=8.8N·m.
    折算到负载轴上的转矩是:T'ME=TMEλ=8.8×5=44N·m>38N·m。
    (2)高速挡的传动比
    1)决定传动比:λH≥NMN/n1000=1440/1000=1.44,取λH=1.5,
    2)高速挡的转速范围。
    恒转矩转速范围:nL=0~1000r/min,对应fx=0~50Hzr
    恒功率转速范围:nL=1000~2000r/min,对应fx=50~100Hz。
    3)转矩审核。
    50Hz以下:电动机的有效转矩为TME=λHTMN=1.5×14.6=21.9N·m.略小于800r/min
时的负载转矩(24N·m)。
    50Hz以上:当nL=1200r/min,fx=60Hz时,电动机的有效转矩为:TME=TMN(FMN/
Fmax)=14.6×50/60=12.1N·m.
    折算到负载轴上的转矩是:T'ME=TMEλ=12.1×1.5=18.15N·m>16N·m。
    3.有效转矩线
    有效转矩线如图6-73所示,各挡的转速和工作频率见表6-36。

各档的转速和工作频率
    五、变频调速的实施
    1.变频器的选择
    金属切削机床在切削过程中要求切
削得十分均匀,故要求拖动系统具有很
硬的机械特性.那么宜选用高性能变频
器。小型车床在车削螺纹时,通常由机
械离合器从正转迅速地切换成反转,在
切换过程中负荷在重载一空载一重载之
间变化,因此,对拖动系统的动态响应
能力要求较高。针对这一特点,选用具
有直接转矩控制的ABB公司的ACS-800
系列变频器是比较有利的。由于最低工
作频率并不很低,故可以采用无反馈方式。
    车床在车削毛坯时有可能发生过载,所以变频器的容量应略大于电动机的容量。现选用
ACS800-01-0006-3型变频器,其额定电流是7.5A,与3kW电动机适配。
    2.变频调速控制电路
    变频调速控制电路如图6-74所示。
有效转矩线
车床的变频调速电路
3.变频器的功能预置
变频器的功能预置见表6-37。

变频器的功能预置
4.电动机参数的自动测量
(1)电动机和负载脱开。
(2)电动机应为正方向旋转。
(3)电动机的转速约为额定转速的50%~80%。
(4)时间约1min。


PLC控制MM440变频器实现电动机延时正反转。
1.训练目的
(1)熟练掌握PLC和变频器联机操作。
(2)熟练掌握PLC和变频器联机调试。
    2.训练器材
    (1) PLC实训操作台1套。
    (2)变频器实训操作台1套。
    (3)0.04 kW三相交流笼型异步电动机1台。
    3.训练内容和步骤
    通过S7-226 PLC和MM440变频器联机,实现MM440控制端口开关操作,完成对电动机正
反向延时起动运行的控制。控制步骤如下:
    (1) S7-226 PLC输入/输出分配
    根据控制要求写出PLC的输入/输出分配,见表6-38。
S7-Z26 PLC输入/输出分配
(2)绘制电路接线图
根据写出的PLC输入/输出分配表,绘制电路接线图如图6-75所示。
(3) PLC程序设计及变频器参数设置
PLC程序设计:PLC程序设计的编程输入步骤省略,只列出梯形图,如图6-76所示。

PLC和MM440变频器联机延时正反向控制电路接线图
PLC和MM440变频器联机延时正方向控制梯形图
变频器参数设置:变频器的操作步骤省略,只列出需要设置参数,见表6-39。
(4)操作控制
1)电动机正向延时运行。
    当按下正转按钮SB1时.PLC输入继电器10.1得电,其动合触点闭合,位存储器M0.0得
电,其动合触点闭合实现自锁,同时接通定时器T37并开始延时,当延时时间达到15s时,定时
器T37输出逻辑“1”,输出继电器Q0.1得电,使MM440的数字输入端口DIN2为“ON”,电
动机在发出正转信号延时8s后,按P1120所设置的8s斜坡上升时间正向起动,经8s后电动机正
向运行在由P1040所设置的30Hz频率对应的转速上。
变频器参数设置表
    2)电动机反向延时运行。
    当按下反转按钮SB3时,PLC输入继电器10.3得电,其动合触点闭合,位存储器M0.1得
电,其动合触点闭合实现自锁,同时接通定时器T38并开始延时,当延时时间达到10s时.定时
器T38输出逻辑“1”,输出继电器QO.2得电,使MM440的数字输入端口DIN3为“ON”,电
动机在发出反转信号延时10s后,按P1121所设置的8s斜坡上升时间反向起动,经8s后电动机
反向运行在由P1040所设置的30Hz频率对应的转速上。为了保证运行安全,’在程序设计中,利
用位存储器M0.0和M0.1的动断触头实现互锁。
    3)电动机停止。
    无论电动机当前处于正向还是反向工作状态,当按下停止按钮SB2时,输入继电器10.2得
电,其动断触点断开,使M0.0(或M0.1)失电,其动合触点断开取消自锁,同时使定时器Tl
或(T2)断开,输出继电器Q0.1(或(的.2)失电,MM440端口“5”(或“6”)为“OFF”,电
动机按P1121所设置的10s斜坡下降时间正向(或反向)停车,经l0s后电动机停止运行。
  4.实训考核及成绩评定
  参见表6-14。

 1.金属切削机床的负载运动方式是什么?
2.金属切削机床的变频调速特点是什么?
(责任编辑:laugh521521)
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