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          數控車床主軸變額調速控制

          2016-01-08 16:15 作者:管理員11 來源:未知 瀏覽: 字號:
           數控車床主軸變額調速控制

            金屬切削機床的種類很多,主要有車床、銑床、磨床、鉆床、刨床、鏜床等。金屬切削機床
          的基本運動是切削運動,即工件與刀具之間的相對運動。切削運動由主運動和迸給運動組成。在
          切削運動中,承受主要切削功率的運動稱
          為主運動。在車床、磨床和刨床等機床中,
          主運動是工件的運動;而在銑床、鏜床和
          鉆床等機床中,主運動則是刀具的運動。
          金屬切削機床的主運動都要求調速,并且
          調速的范圍往往較大。例如,如圖6-70所
          示的CA6140型普通車床的調速范圍為
          120:1,X62W型銑床的調速范圍為50:l
          等。但金屬切削機床主運動的詞速,一般
          都在停機的情況下進行,在切削過程中是
          不進行調速的。這為采用多擋傳動比方案

          普通車床的基本結構
          的可行性提供了基礎。
              一、金屬切削機床主運動的負載性質
              通用機床的低速段,允許的最大進刀量都是相同的,負載轉矩也相同,屬于恒轉矩區;而在
          高速段,則由于受床身機械強度和振動以及刀具強度等的影響,速度越高,允許的最大進刀量越
          小,負載轉矩也越小,但切削功率保持相同,屬于恒功率區。恒轉矩區和恒功率區的分界轉速,
          稱為計算轉速,用nD表示,如圖6-71所示。關于轉速大小,規定大致如下:

              從最低速起,以全部級數的三分之一的最高速作為計算轉速。例如,CA6140型普通車床主
          軸的轉速分nl~n24共24級,第八擋轉速(n8)為計算轉速。但隨著刀具強度和切削技術的提
          高,計算轉速已經大為提高,通常的規定是:以最高轉速的(1/4~1/2)作為計算轉速
              nD≈nmax/(2~4)    (6-49)
              二、普通車床的基本構造和拖動系統
              1.普通車床的基本構造
              普通車床的基本構造如圖6-70所示,主要部件有頭架、尾架、刀架和床身。頭架用于固定
          工件,內藏齒輪箱,是主要的傳動機構之一。尾架用于頂住工件,是固定工件用的輔助部件。刀
          架用于固定車刀。床身用于安置所有部件。
            2.拖動系統
            普通車床的運動系統主要包括主運動和進給運動兩種運動。
            (1)主運動:工件的旋轉運動為普通車床的主運動,帶動工件旋轉的拖動系統為主拖動
          系統。
              (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
          速度嚴格配合,故中小型車床的進給運動通常由主電動機經迸給傳動鏈而拖動的,并無獨立的進
          給拖動系統。

              3.主運動系統阻轉矩的形成
              主運動系統的阻轉矩就是工件在切削過程中形
          成的阻轉矩。理論上說,切削功率用于切削的剝落
          和變形。故切削力正比于被切削的材料性質和截面
          積,切削面積由切削深度和走刀量決定。而切削轉
          矩則取決于切削力和工件回轉半徑的乘積,其大小
          與下列因素有關:切削深度;進刀量;工件的材質
          與直徑等,如圖6-71所示。
              三、實侈I和基本數據
              某意大利產SAG型精密車床,由于調速用電磁
          離合器損壞率較高,國內無配件,進口件又十分昂
          貴,故改用變頻調速。其具體情況如下。
              1.原拖動系統概況
              (1)轉速擋次

          車床的機械特性
          負載側有八擋轉速:75、120、200、300、500、800、1200、2000r/min。
          (2)電動機的主要額定數據
          額定容量2.2kW;額定轉速1440r/min;過載能力2.5倍。
          (3)控制方式
          由手柄的八個位置來控制四個電磁離合器的分與合,得到齒輪的八種組合,從而得到八擋轉速。
          2.主要計算數據
          (1)調速范圍
              aL=nLmax/nLmin=2000/75=26.67       (6-50)
          (2)負載轉矩
          由式(6-49),并根據機械工程師提供的數據,有
              nD=2000/4r/min=500r/min       (6-51)
              在各擋轉速下的負載轉矩見表6-34(考慮到設計者在選擇電動機時通常都留有裕量,故負載
            功率按PL=2kW計)。
          各擋轉速下的負載轉矩
              (3)電動機額定轉矩
              TMN=9550X2.2/1440=14.6(N·m)    (6-52)
            3.用戶要求
            (1)盡可能不更換電動機。
            (2)在高速區,過載能力不低于1.8s。
            (3)轉速擋次及控制方式不變,即仍由手柄的八個位置來控制八擋轉速。
            四、變頻調速拖動系統的計算
            1.決定頻率范圍
            (1)基本方案的決定
            為了滿足用戶關于“盡可能不更換電動機”的要求,根據任務5中恒功率負載變頻調速所闡
          明的指導思想,決定采用兩擋傳動比的方案,如圖6-72所示。
              1)低速擋:當電動機的工作頻率為fmi一
          fmax時,負載轉速為nLmin-nLmid   (nLmid是高速
          擋與低速擋之間的分界速)。
              2)高速擋t當電動機的工作頻率為fmin-
          fmax時,負載轉速為nLmid-nLnu;。
              3)中間轉速nLmid的計算。忽略電動機轉
          差率變化的因素,則在低、高速擋分別有

          fx≤2fN兩檔傳動比帶恒功率負載
              (2)最低工作頻率
              本著“改造力求從簡”的原則,決定不增加速度反饋環節,而采用無反饋矢量控制功能或
          V/F控制方式。為了使低頻運行時能夠穩定可靠,應盡量提高最低轉速時的工作頻率.具體方
          法是減小恒轉矩區(即計算轉速),故取
              nD=300r/min    (6-55)
              1)恒功率區的調速范圍為
              aD=300/75 =4    (6-56)
              2)最低工作頻率為
              Amin=50/4Hz=12.5Hz    (6-57)
          (3)確定頻率范圍
          1)恒功率區的調速范圍為
              aLH=2000/300=6.67    (6-58)
          2)頻率范圍:采用兩擋傳動比的方案

            3)中間速度為
              nLmid=2000/2.58r/min= 775.2r/min    (6-60)
              由于中間速nLmid在低速擋與電動機的最高工作頻率fmax相對應,而fmax不宜超過額定頻率
          fN的2倍,故取
              nLmid-300×2r/min=600r/min    (6-61)
              2.確定傳動比
              拖動系統的工作區見表6-35。

          拖動系統的工作區
              (1)低速擋的傳動比
              1)決定傳動比50Hz (1440r/mir)與300r/min對應。λH≥NMN/nl300=1440/300=4.8,取λL=5。
              2)低速擋的轉速范圍。
              恒轉矩轉速范圍:nL=0~300 r/min.對應fx=0~50 Hz,
              恒功率轉速范圍:nL=300~600r/min,對應fx=50~100Hz。
              3)轉矩審核。
              50Hz以下:T'MN=TMNλ=14.6×5=73N·m>64N·m;
              50Hz以上:當nL=500r/min時,fx=83Hz時,電動機的有效轉矩為:TME=TMN(FMN/
          Fmax)=14.6×50/83=8.8N·m.
              折算到負載軸上的轉矩是:T'ME=TMEλ=8.8×5=44N·m>38N·m。
              (2)高速擋的傳動比
              1)決定傳動比:λH≥NMN/n1000=1440/1000=1.44,取λH=1.5,
              2)高速擋的轉速范圍。
              恒轉矩轉速范圍:nL=0~1000r/min,對應fx=0~50Hzr
              恒功率轉速范圍:nL=1000~2000r/min,對應fx=50~100Hz。
              3)轉矩審核。
              50Hz以下:電動機的有效轉矩為TME=λHTMN=1.5×14.6=21.9N·m.略小于800r/min
          時的負載轉矩(24N·m)。
              50Hz以上:當nL=1200r/min,fx=60Hz時,電動機的有效轉矩為:TME=TMN(FMN/
          Fmax)=14.6×50/60=12.1N·m.
              折算到負載軸上的轉矩是:T'ME=TMEλ=12.1×1.5=18.15N·m>16N·m。
              3.有效轉矩線
              有效轉矩線如圖6-73所示,各擋的轉速和工作頻率見表6-36。

          各檔的轉速和工作頻率
              五、變頻調速的實施
              1.變頻器的選擇
              金屬切削機床在切削過程中要求切
          削得十分均勻,故要求拖動系統具有很
          硬的機械特性.那么宜選用高性能變頻
          器。小型車床在車削螺紋時,通常由機
          械離合器從正轉迅速地切換成反轉,在
          切換過程中負荷在重載一空載一重載之
          間變化,因此,對拖動系統的動態響應
          能力要求較高。針對這一特點,選用具
          有直接轉矩控制的ABB公司的ACS-800
          系列變頻器是比較有利的。由于最低工
          作頻率并不很低,故可以采用無反饋方式。
              車床在車削毛坯時有可能發生過載,所以變頻器的容量應略大于電動機的容量,F選用
          ACS800-01-0006-3型變頻器,其額定電流是7.5A,與3kW電動機適配。
              2.變頻調速控制電路
              變頻調速控制電路如圖6-74所示。
          有效轉矩線
          車床的變頻調速電路
          3.變頻器的功能預置
          變頻器的功能預置見表6-37。

          變頻器的功能預置
          4.電動機參數的自動測量
          (1)電動機和負載脫開。
          (2)電動機應為正方向旋轉。
          (3)電動機的轉速約為額定轉速的50%~80%。
          (4)時間約1min。


          PLC控制MM440變頻器實現電動機延時正反轉。
          1.訓練目的
          (1)熟練掌握PLC和變頻器聯機操作。
          (2)熟練掌握PLC和變頻器聯機調試。
              2.訓練器材
              (1) PLC實訓操作臺1套。
              (2)變頻器實訓操作臺1套。
              (3)0.04 kW三相交流籠型異步電動機1臺。
              3.訓練內容和步驟
              通過S7-226 PLC和MM440變頻器聯機,實現MM440控制端口開關操作,完成對電動機正
          反向延時起動運行的控制?刂撇襟E如下:
              (1) S7-226 PLC輸入/輸出分配
              根據控制要求寫出PLC的輸入/輸出分配,見表6-38。
          S7-Z26 PLC輸入/輸出分配
          (2)繪制電路接線圖
          根據寫出的PLC輸入/輸出分配表,繪制電路接線圖如圖6-75所示。
          (3) PLC程序設計及變頻器參數設置
          PLC程序設計:PLC程序設計的編程輸入步驟省略,只列出梯形圖,如圖6-76所示。

          PLC和MM440變頻器聯機延時正反向控制電路接線圖
          PLC和MM440變頻器聯機延時正方向控制梯形圖
          變頻器參數設置:變頻器的操作步驟省略,只列出需要設置參數,見表6-39。
          (4)操作控制
          1)電動機正向延時運行。
              當按下正轉按鈕SB1時.PLC輸入繼電器10.1得電,其動合觸點閉合,位存儲器M0.0得
          電,其動合觸點閉合實現自鎖,同時接通定時器T37并開始延時,當延時時間達到15s時,定時
          器T37輸出邏輯“1”,輸出繼電器Q0.1得電,使MM440的數字輸入端口DIN2為“ON”,電
          動機在發出正轉信號延時8s后,按P1120所設置的8s斜坡上升時間正向起動,經8s后電動機正
          向運行在由P1040所設置的30Hz頻率對應的轉速上。
          變頻器參數設置表
              2)電動機反向延時運行。
              當按下反轉按鈕SB3時,PLC輸入繼電器10.3得電,其動合觸點閉合,位存儲器M0.1得
          電,其動合觸點閉合實現自鎖,同時接通定時器T38并開始延時,當延時時間達到10s時.定時
          器T38輸出邏輯“1”,輸出繼電器QO.2得電,使MM440的數字輸入端口DIN3為“ON”,電
          動機在發出反轉信號延時10s后,按P1121所設置的8s斜坡上升時間反向起動,經8s后電動機
          反向運行在由P1040所設置的30Hz頻率對應的轉速上。為了保證運行安全,’在程序設計中,利
          用位存儲器M0.0和M0.1的動斷觸頭實現互鎖。
              3)電動機停止。
              無論電動機當前處于正向還是反向工作狀態,當按下停止按鈕SB2時,輸入繼電器10.2得
          電,其動斷觸點斷開,使M0.0(或M0.1)失電,其動合觸點斷開取消自鎖,同時使定時器Tl
          或(T2)斷開,輸出繼電器Q0.1(或(的.2)失電,MM440端口“5”(或“6”)為“OFF”,電
          動機按P1121所設置的10s斜坡下降時間正向(或反向)停車,經l0s后電動機停止運行。
            4.實訓考核及成績評定
            參見表6-14。

           1.金屬切削機床的負載運動方式是什么?
          2.金屬切削機床的變頻調速特點是什么?
          (責任編輯:laugh521521)
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