CK6150数控车床X向驱动装置设计毕业论文.doc

本科毕业设计说明书（论文）第1页共32页1引言数控技术是先进制造技术的关键技术之一，随着制造自动化水平和加工精度的提高，数控技术必将在未来的现代制造中起着非常重要的作用。伺服系统（ServoSystem）是自动控制系统的一个分支，通常应用闭环控制结构来控制被控制对象的某种状态，使其能自动、连续、精确的复现输入信号的变化规律。伺服控制技术伴随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展而发展。在主流的电机伺服系统中，电机控制技术是伺服控制的核心。交流电机的控制方法一直是研究的热点。20世纪70年代产生的矢量控制技术，对交流电机的控制产生了划时代的影响。矢量控制在理论上解决了交流电机的转矩控制问题，实现了交流电机模型的解耦，使其控制性能发生了质的飞越。随着多年的发展，交流伺服系统正逐步取代直流系统成为运动控制系统的主流。目前，矢量控制是交流电机应用最广泛、最有效的控制方法。数控机床的伺服系统是数控机床关键功能部件，是机床运动的最终执行件。伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标，其性能对加工精度与加工效率都起着重要的作用，在整个数控机床的成本构成中伺服系统也占有相当大的比例。所以，一个高精度，高性能的数控机床必须配置与之相适应的高性能的伺服驱动系统，才能充分发挥整个数控机床的性能与优势1。随着交流伺服技术的发展，交流伺服已逐步占据数控机床伺服系统的主导地位。由于通过采用矢量控制等先进的控制方法，交流伺服性能迅速提高，目前无论是数控系统的进给伺服驱动，还是主轴驱动，交流伺服系统都处于主流地位，正逐步淘汰直流伺服系统。现在国内外的数控产品的伺服系统绝大多数采用交流系统。因此，从数控加工特点出发，以矢量控制为着眼点，研究交流伺服系统的控制技术，紧跟其它学科先进技术的发展，消化吸收前沿技术，进一步推进数控技术，制造技术的完善和发展，有着十分重要的意义。同时，作为现代伺服系统主流的交流伺服技术，是研制开发各种先进的机电一体化设备，如数控机床、加工中心、工业机器人等的关键性技术。目前，高性能数控机床和工业机器人所采用的电机伺服系统仍然主要依靠进口，这种现状限制了我国相关产业的发展2。同时，矢量控制技术是目前交流伺服系统运用最多，最适宜实用化的交流伺服系统控制技术。因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，以交流电机控制为研究对象，从矢量控制技术着眼，以数控加工技术为结合点，对交流伺服系统的控制进行研究和仿真，开发高性能的交流伺服系统，对于促进我国数控机床工业，有着非常重要的意义。本科毕业设计说明书（论文）第2页共32页2数控机床伺服系统的发展现状及分数控机床的伺服系统在经历了开环的步进电机系统、直流伺服系统两个阶段之后，目前已进入交流伺服系统阶段。随着电力电子技术、计算机技术及控制理论的迅速发展，目前交流伺服系统已经处于主导地位。交流伺服系统控制可分为感应电机（IM）控制和永磁同步电机（PMSM）控制两大类3。目前，由这两类电机组成的高性能交流伺服驱动装置已占据了主导地位。永磁同步交流电机体积小，力矩惯量比大，过载能力强，通过运用矢量控制，控制精度高，性能好，但造价相对较贵，容量相对较小。因此，采用矢量控制永磁同步电机主要应用在高精度，高性能，但功率不大的场合。目前，采用矢量控制的永磁同步电机在高精度、高性能的中小功率伺服领域（如数控机床进给伺服，机器人等）占有不可动摇的地位，永磁交流同步电机已经成为数控机床进给伺服系统的主流。异步电机结构简单，成本低廉，可靠性高，且容易实现大容量，但其参数易受温度影响，控制精度不稳定。所以，采用矢量控制的异步电机多用在功率较大、精度要求不太高的场合4。而数控机床的主轴驱动要求提供很大的功率，若使用永磁同步电机，则容量受到限制，不易做到大容量。而采用矢量控制的异步电机作为主轴驱动，可提高主轴定位控制的刚性和精度，完全能满足高性能的数控装备主轴驱动的要求。目前，异步电机在主轴驱动系统中处于主导地位，国内外的数控产品中，主轴的驱动大多是采用矢量控制的交流异步电机。作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点5，并成为伺服系统的发展方向。总的来说其发展趋势主要有以下几个方面：(1)交流系统将完全取代直流系统伺服技术将迅速的由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况来看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机在运动控制市场占主导地位，国内的AC伺服电机产量也是迅速上升，技术进步很快，性能也日益提高6。(2)全数字化采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的交流伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在交本科毕业设计说明书（论文）第3页共32页流伺服系统中应用现代控制理论的先进算法如最优控制，人工智能，模糊控制，神经网络等）成为可能。(3)高度集成化新的交流伺服系统改变了划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，而是用单一的，高度集成化，多功能的控制单元7。(4)智能化最新数字化的伺服控制单元的智能化主要是应用专家系统、模糊逻辑及神经网络理论来实现自学习或自组织控制，具有故障自诊断与分析功能；具有参数自整定等。(5)模块化和网络化目前，在工厂自动化技术迅速发展的基础上，伺服系统都配置了标准的通信接口和专用的总线接口（如西门子的ProfiBus）。这些接口显著的增强了伺服系统与CNC之间的互联，而且若干台伺服单元与上位机，以及PLC等连成功能网络，从而大大提高了自动化水平。本科毕业设计说明书（论文）第4页共32页3CK6150车床的驱动装置及CK6150车床的参数数控的驱动控制线路与普通机床电路有所不同，除了常用的电器控制线路外，它还有数控装置。普通机床与数控机床的主要区别是数控机床的主轴调速和刀架的进给全部自动完成，即根据编程指令按要求执行。数控装置是整个数控机床的核心，机床的操作均由此发出。驱动装置位于数控装置和机床之间，包括进给驱动和主轴驱动装置。驱动装置根据控制电机不同，其控制电路形式也不同。步进电机有步进驱动装置，直流伺服电机有直流伺服驱动装置，交流伺服电机有交流伺服驱动装置8。机床电器控制装置位于数控装置与机床本体之间，它主要接收数控装置发出的开关命令。数控机床的组成结构图，见图1所示：图1数控机床的组成结构图3.1CK6150数控车床的驱动CK6150数控车床采用主轴变频调速，机床主轴的旋转运动由5.5KW变频主轴电动机经皮带传动至I轴,经三联齿轮变速将运动传至主轴,并得到低速、中速和高速三段范围内的无级变速。机床进给为两轴联动,配有四工位电动刀架,可满足不同需要的加工。Z坐标为大拖板左右运动方向,其运动由GK6063-6AC31交流永磁伺服电动机与滚珠丝杠直联实现；X坐标方向为中拖板前后运动方向,其运动由GK6062-6AC31交流永磁伺服电动机通过一对齿轮带动滚珠丝杠旋转得以实现。为保证车削加工螺纹时主轴转一圈,刀架移动一个导程(即被加工