半自动磨床的电动机调速系统的设计毕业论文.doc

摘 要本次设计的内容是半自动磨床的电动机调速系统的设计，重点设计和介绍了直流调速系统工作原理图。直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点，被广泛的应用。直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。系统弱电部分检测系统工作时的转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号，根据检测到的信号发出控制信号；强电部分根据控制信号调节电动机转速，拖动铰刀、钻机等机械负载进行作业，以满足不同作业现场的需要。磨床是应用于零件精加工，尤其是淬硬钢件和高硬度特殊材料精加工的一种机床。近年来由于科学技术的发展，现代机械零件的精度和表面粗糙度要求越来越高，各种硬度材料日益增多，所以磨床的应用越来越广泛。 关键词：半自动磨床；直流电动机；scrm自动调速系统；控制电路设计abstract the design of the contents include semi-automatic grinder and motor speed regulation system.it mainly designs and introduces the direct current governor system.the dc speed control system has good performance,reliablity,high speed advantage,by widespread application.dc speed control system is elv control and specialized combination of system control.system elv part detection system work,motor armature current speed,temperature,thyristor temperature signal,according to dectet the signal control signal;according to the control signal regulating &high part of the rotation,drag reamer,drill such mechanical load in the operations,to meet the needs of different assigments site.grinding machine is used in parts finishing,in particular hardened steel and special materials of high hardness of a machine tool for finishing.in recent years,due to the development of science and tachnology,modern machinery parts of the surface roughness and precision demand is higher and higher,the hardness of material is increasing,so the grinding machine is more and more widely applied.key words:semic automatic grinding machine;dc motor;scrm automatic speed regulating system;control circuit design 1绪论1.1 引言 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制原理的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。1.2 课题研究的目的和意义 直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握好直流系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。直流调速的电枢和励磁不是耦合的，是分开的，对电枢电流和励磁电流都能够做到精确控制；而交流调速，电枢电流和励磁电流是耦合的，是无法做到精确控制的。因此在轧机、造纸等对力矩要求很高的行业，直流调速还是具有广泛性，直流调速器具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道采用转速负反馈和pi调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。通过本设计论文，我们将对直流调速有一个更深的了解。1.3 论文的主要内容 万能螺纹磨床布局与外圆磨床类似，工作台在床身上移动，作纵向进给运动；砂轮架作横向进给运动，为磨削不同导程角的工件；砂轮轴能在垂直面内转一定角度。为消除双向磨削时的换向间隙，在传动链中设有间隙消除机构。万能螺纹磨床有铲磨机构和螺距累积误差校正机构，可用单线砂轮和多线砂轮磨削各种精密螺纹（如外螺纹、内螺纹、锥螺纹和多头螺纹等）。 万能螺纹磨床用途广泛，可用于加工螺纹量规、螺纹滚压轮、滚珠丝杠、滚珠螺母、蜗杆、丝锥、滚刀、螺纹铣刀和其它螺纹件，使用适当的附件还可磨削环形沟槽齿条和搓丝板等。 本设计论文以直流电机为对象，用转速负反馈晶闸管直流调速小功率有静差调速速度和电流双闭环直流调速的调速方法对直流电机的调速进行研究。2 磨床的种类、用途及其发展状况2.1 磨床的类型与用途2.1.1 磨床的类型及其特点 用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨料等）为工具进行切削加工的机床，统称为磨床（英文为grinding machine），它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的。磨床的种类很多，主要有：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床，如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等。 对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、宽砂轮外圆磨床、断面外圆磨床等。 以上均为使用砂轮作为切削工具的磨床。此外，还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床，以油石和研磨剂为切削工具的精磨磨床等。 磨床与其它机床相比，具有以下几个特点：1、 磨床的磨具（砂轮）相对于工件做高速旋转运动（一般砂轮圆周线速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上发展）；2、 它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件；3、 它能使工件表面获得很高的精度和光洁度；4、 易于实现自动化和自动线，进行高效率生产；5、 磨床通常是电动机油泵发动部件，通过机械，电气，液压传动传动部件带动工件和砂轮相对运动工件部分组成。2.1.2 磨床的用途 磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成型表面。磨床可以进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛。随着科学技术的发展，对机械零件的精度和表面质量要求越来越高，各种高硬度材料的应用日益增多。精密铸造和精密锻造工艺的发展，使得有可能将毛坯直接磨成成品。高速磨削和强力磨削，进一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范围日益扩大。它在金属切削机床所占的比重不断上升。目前在工业发达的国家中，磨床在机床总数中的比例已达30%40%.据1997年欧洲机床展览会（emo）的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占23%，钻削只占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%。由此可见，在精密加工中，有许多零部件是通过精密磨削来达到其要求的，而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行，因此精密磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。但是要实现精密磨削加工，则所用的磨床就应该满足以下几个基本要求：1. 高几何精度。精密磨床应有高的几何精度，主要有砂轮主轴的回转精度和导轨的直线度以保证工件的几何形状精度。主轴轴承可采用液体静压轴承短三块瓦或长三块瓦油膜轴承，整体度油楔式动压轴承及动静压组合轴承等。当前采用动压轴承和动静压轴承较多。主轴的径向圆跳动一般小于1m，轴向圆跳动应限制在23m以内。2. 低速进给运动的稳定性。由于砂轮的修整导程要求1015mn/min,因此工作台必须低速进给运动，要求无爬行和无冲击现象并能平稳工作。3. 减少振动。精密磨削时如果产生振动，会对加工质量产生严重不良影响。故对于精密磨床，在结构上应 减少振动。4. 减少热变形。精密磨削中热变形引起的加工误差会达到总误差的50%，故机床和工艺系统的热变形已经成为实现精密磨削的主要障碍。2.1.3 外圆磨削和端面外圆磨床1. 外圆磨削 在外圆磨削过程中，工件是安装在两顶尖的中心之间，砂轮旋转是引起切削旋转的主要来源和原因。基本的外圆磨削方法有两种，即横磨法磨外圆和纵磨法磨外圆。事实上，外圆磨削可以通过其它以下几种方法来实施：（1） 传递方法：在这种方法中，磨削砂轮和工件旋转以及径向进给都应满足所有的整个长度，切削的深度是由磨削砂轮到工件的纵向进给来调整的。（2） 冲压切削方法：在这种方法中，磨削是通过砂轮的纵向进给和无轴向进给来完成的，正如我们所看到的，只有在表面成为圆柱的宽度比磨削轮磨损宽度短时，这种方法才能完成。（3） 整块深度切削方法：除了在磨削过程中，要进行间隙调整外，这种方法与传递方法很相似，同时这种方法具有代表性，除了磨削短而粗的轴。2. 端面外圆磨床及其特点端面外圆磨床是外圆磨床的一种变形机床，它宜于大批量磨削带肩的轴类工件，有较高的生产率。它的特点如下(1) 这种磨床的布局形成和运动联系与外圆磨床相似，只是砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度（通常10，15，26.23,30,45），数控端面外圆磨床mks1632a的砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜30。为避免砂轮架与工件或为架相碰，砂轮安装在砂轮架的右边，从斜向切入，一次磨削工件外圆和端面。(2) 由于它适用于大批量生产，所以具有自动磨削循环，完成快速进给（长切入）粗磨精磨无花磨削。由定程装置或自动测量控制工件尺寸。(3) 装有砂轮成型修整器，按样板修整出磨削工件外圆和端面的成型砂轮，为保证端面尺寸稳定及操作安全，一般具有轴向对刀装置。2.2磨床的现状及其发展趋势 随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增多，磨削加工技术正朝着超硬度磨料磨具、开发精密及超精密（从微米、亚微米磨削向纳米磨削发展）和研制高精度、高刚度、多轴的自动化磨床等方向发展，如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石平均半径可小至4m、磨削精度高达0.025m；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达400m/s,但这样的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用的砂轮线速度为4060m/s；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m的机床已经越来越多；从主轴转速来看，8.2kw主轴达60000r/min，13kw达42000r/min,高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60hrc硬度材料的加工中心。 北京第二机床厂引进日本丰田公司先进技术并与之合作生产的ca（p）6263数控外圆/数控端面外圆磨床，砂轮架采用原装进口，砂轮线速度可达60m/s；砂轮架主轴采用高刚性动静压轴承提高旋转精度，采用日本丰田工机公司gc32ecnc磨床专用数控系统可实现二轴（x和z）到四轴（x、z、u和w）控制。 此外，对磨床的环保要求越来越高，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。大量的工业清洗机和切削液处理机系统反映现代制造业对环保越来越高的要求。3直流电动机调速系统3.1自动调速系统中常用的反馈自动调速系统中的反馈分为硬反馈和软反馈两类。3.1.1硬反馈 硬反馈是指系统稳定运行时加入的反馈， 常用的硬反馈有转速负反馈、电压负反馈和电流正反馈。转速负反馈的作用是直接反馈电动机的转速，静特性较好。电压负反馈和电流正反馈又称电势内反馈，由于电动机的转速与电势成正比，因此电压负反馈和电流正反馈系统的静特性接近于转速负反馈的静特性。3.1.2软反馈 常软反馈是指在启动等暂态过程中加入的反馈，常用的软反馈有电流截止负反馈、电压微分负反馈等。电流截止负反馈的作用是防止调速系统启动时较大的电流对电动机的冲击；电压微分负反馈的作用，是防止电动机转速突变时所引起的振荡。3.2转速负反馈调速系统3.2.1转速负反馈调速系统的组成转速负反馈调速系统组成的方框图如图4-3所示。 图4-3 转速负反馈自动调速系统原理方框图由图4-3可知，转速负反馈调速系统的组成主要包括6个部分： 直流电动机m。 晶闸管触发电路和主电路。 放大器(比例调节器)。 给定环节：给定电压ug。 反馈环节：反馈电压uf。 比较环节：净输入电压u，且： （4-4） 3.2.2转速负反馈调速系统的工作原理在图4-3中，当扰动使电动机的转速n偏离给定值而下降与电动机同轴相连的测速发电机的转速也随之下降，测速发电机的输出电压uf下降比较环节的净输入电压n升高放大器输出电压uk增加触发器输出脉冲前移（变小）可控整流电路输出电压ud升高将电动机转速拉回给定值n。调速系统在电动机的转速偏离给定值时，由反馈回路检测出偏差，前向通道迅速纠正偏差。这种调节称之为有差调节。3.3电流截止负反馈 在转速负反馈系统中,电动机起动瞬间,转子没有动,没有反馈电压,只有给定电压起作用.一方面,电动机将快速起动;另一方面,过大的起动电流对电动机不利。为了限制电动机起动过程时的过大电流,引入电流截止负反馈。实际应用的自动调速系统都带有电流截止负反馈环节。电流截止负反馈环节由信号源、比较源和方向整流器三个部分组成。电流截止负反馈的静特性近似挖掘机特性.如图4-4所示。.带电流截止负反馈的调速系统方框图如图4-5所示。图4-4 电流截止负反馈的静特性 图4-5 带电流截止负反馈的调速系统方框图4直流电动机的调速方法4.1直流电机调速方法简介sa7512半自动螺纹磨床头架电动机采用直流电动机，该调速系统为晶闸管-电动机自动调速系统。要求的调速指标为：电动机转速为60-1200r/min，即调速范围为1：20，最大可达1：30；满载时系统静差度小于10%。由于加工工艺的需要，电动机应能正反转。自动调速系统中的反馈分为硬反馈和软反馈两类。硬反馈是指系统稳定运行时加入的反馈，软反馈是指在启动等暂态过程中加入的反馈。常用的硬反馈有转速负反馈、电压负反馈和电流正反馈。转速负反馈的作用是直接反馈电动机的转速，静特性较好。电压负反馈和电流正反馈又称电势内反馈，由于电动机的转速与电势成正比，因此电压负反馈和电流正反馈系统的静特性接近于转速负反馈的静特性。常用的软反馈有电流截止负反馈、电压微分负反馈等。电流截止负反馈的作用是防止调速系统启动时较大的电流对电动机的冲击；电压微分负反馈的作用，是防止电动机转速突变时所引起的振荡。根据调速性能指标的要求，设计的转速负反馈自动调速系统电气原理图如图4-21所示。分析该电路图，应先找到直流电动机，再找到直流测速发电机；然后按图4-5所示带电流截止负反馈的转速负反馈调速系统的方框图，先分析每一个方框电路，最后综合读图。 图4-21 sa7512型半自动螺纹磨床头架电动机调速系统电气原理图4.2 sa7512半自动螺纹磨床头架电动机调速系统电气原理图分析4.2.1直流电动机电路sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的直流电动机电路见图4-22。电动机为他励式直流电动机。在图4-22电动机m的电枢电路中，由两对正反向接触器km1和km2来实现电动机的正反转。电动机采用能耗制动，r6为能耗制动电阻，在电动机正常工作时，由于km1或km2的动断触点断开，r6并没有接入主电路，只有停车时接触器km1和km2都失电释放，其动断触点闭合，r6才接入主电路，电动机实现动耗制动。电动机电枢电路由晶闸管可控整流电路供电，励磁电路由v1二极管组成的单相整流桥供电。电动机设有弱磁保护，ka是弱磁保护继电器。当激磁回路弱磁或失磁时，ka动作，接在比较环节（图4-21中回路标号157-156之间）的ka动合触点恢复常开状态，使系统失去控制信号，电动机停止，从而保护了电动机。 图4-22 电动机电路4.2.2晶闸管可控整流电路的主电路sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的晶闸管可控整流电路的主电路见图4-23。在图4-23中，主电路为单相半控桥式整流电路，两只晶闸管为共阴极组接法，可以简化触发电路；两只二极管为共阳极组接法。由于主电路由220v电压直接供电，直流输出电压平均值最大为198v。但是，电动机为反电势负载，加上实际移相范围达不到1800，因此实际使用的最高电压，在电动机空载时约为250v，选用220v额定电压的直流电动机，能够充分利用电动机的功率和转速。在主回路中加有滤波电抗器l（125-127之间），以减弱可控整流电路输出电压的脉动成分，使整流电流平稳，能减小加工工件的表面粗糙度。由于电动机电枢绕组和l的存在，主回路为电感性负载，为了保证晶闸管可靠换相而不失控，接入了续流二极管v2。晶闸管的保护电路：由快速熔断器实现过电流保护，快速熔断器接在回路标号x31右边。由电阻电容支路实现阻容吸收过电压保护，r1c1接入交流侧，r2c2、r3c3接入晶闸管元件侧，r4c4接入直流侧。 图4-23 可控整流主电路4.2.3晶闸管可控整流电路的触发电路晶闸管的导通控制信号由触发电路提供，触发电路的类型按组成器件分为单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成触发电路和计算机数字触发电路等。由单结晶体管组成的触发电路，具有线路简单、可靠、前沿陡峭、抗干扰能力强、能量损耗小、温度补偿性能好等优点，广泛应用于中小容量晶闸管的触发控制。sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的晶闸管可控整流电路的触发电路见图4-24。 sa7512型螺纹磨床采用单结晶体管移相触发电路，触发脉冲电路是通过电源变压器t2和稳压管v5来解决触发脉冲与主电路同步的。 在图4-24中，由单结晶体管v04、电阻r16、r17、r12、电容c7和三极管v02组成单结晶体管触发电路。利用三极管v02发射结和集电结的等效电阻代替可变电位器实现自动移相。为了可靠触发晶闸管，该触发电路增加了脉冲放大环节。脉冲放大环节由三极管v05、v06电路组成。单结晶体管输出的正脉冲经过c10耦合到v05基极，经两级放大，再由脉冲变压器输出。 并联在脉冲变压器t3一次侧的二极管v11，是给t3一次侧绕组提供放电通路的，避免三极管v06受过电压而损坏。v12、v13可保证只有正脉冲才能加在晶闸管控制极上；为了防止干扰信号引起晶闸管的误动作，并联了电容c12、c13。此外，r16、r17、r18、r19、r20是建立三极管静态工作点的电阻。 图4-24 可控整流电路触发电路4.2.4放大器电路sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的放大器电路见图4-25。由给定信号与反馈信号综合而成的净输入信号，经117和157两端送入给晶体管v01基极与发射极之间，经v01单级晶体管电压放大器放大，从集电极输出信号至晶闸管触发电路。由于晶体管v01基极与发射极之间要综合多个信号，是控制电路中的薄弱部位，因而设置了由v8、v9组成的正反向限幅电路，电容c8过电压吸收等保护电路。 图4-25 放大器电路和直流电源电路4.2.5放大器和触发器的直流电源电路sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的直流电源电路也见图4-25。由于选择的单结晶体管（20v）和三极管（12v）所需电源电压不同，因此电路有两路不同的直流电压输出。 放大器和触发器的直流电源电路由电源变压器、二极管整流桥v6、二极管v7、稳压管v8、并联式稳压电路电阻r8和滤波电容c6组成。70v电源电压经整流、稳压后输出20v直流电压，作为单结晶体管v04第二基极的电源电压，20v电压再经由二极管v7降压后变为12v直流电压供给三极管作为电源电压。4.2.6给定环节sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的给定电压电路见图4-26。110v电压为给定的交流电源，经二极管桥v14整流，再经r7、c13、c14滤波后作为给定电压。4rp为调速电位器，3rp为高速上限调整用电位器，5rp为低速下限调整用电位器，3rp、5rp在出厂时已经调整好，使用时只需调整4rp，在不同位置可以得到不同的给定电压。 图4-26 给定环节电路4.2.7反馈环节sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的反馈环节电路见图4-27。tg为直流他激式测速发电机，系统要求测速反馈的信号电压的极性不变，以保证转速的负反馈。由于发电机发出的电压极性与电动机转向有关，为了保证测速反馈电压的极性不变，在直流测速发电机输出端加了一组整流电路v15，这样就能保证系统在正反转时都是负反馈。 反馈电压从电位器6rp上输出。图4-27 反馈环节电路4.2.8比较环节sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的比较环节电路见图4-28。图4-28 比较环节电路给定电压和反馈电压比较后的净输入电压，由117和157两端输送至放大器部分的晶体管v01的输入电路。中间串接有弱磁保护的ka动合触点，还串接有正反转接触器km1和km2动合触点并联电路。只有在直流电动机励磁回路正常，且电路正转工作或反转工作时，净输入电压才能送达放大器输入端。4.2.9电流截止负反馈环节在转速负反馈系统中,电动机起动瞬间,转子没有动,没有反馈电压,只有给定电压起作用.一方面,电动机将快速起动;另一方面,过大的起动电流对电动机不利。为了限制电动机起动过程时的过大电流,引入电流截止负反馈。实际应用的自动调速系统都带有电流截止负反馈环节。sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的电流截止负反馈环节电路见图4-29，位于触发电路移相电容附近。电流截止负反馈属于软反馈，防止电动机在高速起动、正反转等情况下电流过大，从而保护电动机。电流截止负反馈环节由1rp、2rp、v10、v03组成。图4-29 电流截止负反馈环节电路当主电路电流超过规定值时，在电动机主电路的电阻1rp上产生的电压也增大，击穿稳压管v10，晶体管v03得到基极电流而导通。晶体管v03导通后，对电容c7的充电电流起分流作用，使电容c7的充电速度变慢，触发脉冲后移，从而使整流电压降低，主回路电流就被限制在规定值以内。 调速系统正常工作时，主回路电流在规定值以内，稳压管v10两端电压小于其规定值处于截止状态，晶体管v03不导通，电流截止负反馈环节不起作用。调节电位器2rp就可以改变限制主回路电流值，c9为滤波电容。4.2.10电压微分负反馈环节sa7512型螺纹磨床头架电动机晶闸管-电动机自动调速系统中的电压微分负反馈环节电路见图4-30.图4-30 电压微分负反馈环节电压微分负反馈环节位于晶闸管单相半控制桥电路输出端至放大器电路输入端之间。电压微分负反馈也属于软反馈，它可用来防止系统产生振荡。振荡的原因是由于系统放大倍数太大和系统本身有惯性而形成的，电压微分负反馈环节能较好地解决放大倍数不减少而系统又能稳定工作。 电压微分负反馈的信号是由c5和r5取出的，由于设计了电容c5，就起到微分反馈的作用。当电动机端电压在平常恒定不变时，由于电容隔直流，反馈不会加到放大器的输入端。只有当电动机的端电压变化时，才能通过电容c5而将微分信号反馈至放大器的晶体管v01的基极上。这样，当电动机转速忽高忽低变化时，电压微分负反馈就输出一个反映转速变化的电压，加到放大器上，从而改变整流输出电压的大小，以减小电动机转速的变化。4.3 sa7512半自动螺纹磨床头架电动机调速系统故障分析当sa7512半自动螺纹磨床头架电动机转速负反馈自动调速系统出现电气故障时，先分析故障可能出在哪一个环节（哪一个方框内），再