数控技术论文.doc

新乡职业技术学院毕业设计（论文） 题目名称：直流电机在数控机床上的应用与维护 学生姓名： 朱瑞亚 学 号： 0901121 系 部： 机械制造系 专业年级： 09级 数控技术二班 指导教师： 茹 亚 东 2012年4月18日目 录摘 要.5第一章 伺服控制直流电机概述 .5.1伺服控制直流电动机的特点 .6.2伺服控制直流电动机的发展历史及研究应用现状.8.3本论文的主要内容.9第二章 伺服控制直流电动机结构及工作原理2.1 数控系统的发展状况.52.1.1 数控机床系统简介.52.1.2 数控机床的发展状况.62.2 数控系统的组成原理.62.2.1 伺服系统概述.62.2.2 伺服系统分析.82.2.3 伺服控制技术.111 直流伺服电动机的简介.123.1 交流伺服电动机的结构.123.2 交流伺服电动机的工作原理.142 直流伺服电动机在数控系统中的应用.154.1 直流伺服电动机在数控系统中的应用特点.154.2 直流伺服电动机与其他电动机的比较.164.2.1直流伺服电动机与步进电动机的比较.164.2.2 永磁直流伺服电动机同直流伺服电动机比较.174.3 在数控系统中如何选择直流伺服电动机.184.4 直流伺服电动机在数控系统中的应用实例.193 直流伺服电动机的常见故障与维护.22 5.1电机常见故障以及处理.22 5.2 # c. ?0 f. n# p- v5.2 555 电动机机械常见故障的分析和处理.23 5.3电机日常维护方法 .254 结束语.265 参考文献.27摘 要摘要：在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求使用自动调速。对可调速的电器传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力达，能承受平凡的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛的应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是至今为止调速系统的主要形式。1 阐述了直流伺服电动机的发展状况，了解最前沿的发展技术。2.通过数控技术的发展过程，介绍了数控机床伺服系统的组成原理、系统分析了伺服控制技术等原理，使我们更加了解了数控机床伺服系统的工作原理和应用特点。3介绍直流电动机的分类及有刷电机和无刷电机的基本结构和工作原理，对伺服电动机的相关知识有了进一步的了解。4通过实例详细介绍了伺服电动机在实际生产中的应用特点和应用场合以及合理选择伺服电动机的有效参数等内容。5重点介绍数控电机的维护和保养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。伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。伺服系统在加工机械、半导体制造、部件组装等方面得到了广泛的应用。.第一章 直流伺服电动机的发展现状直流有刷电机的结构及分类由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 1. 定子（1）主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上， 1换向器 2电刷装置 3机座 4主磁极 5换向极 6端盖 7风扇 8电枢绕组 9电枢铁心 （2）换向极 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如8.6所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上， 图8.5 主磁极的结构 换向极的数目与主磁极相等。 （3）机座 电机定子的外壳称为机座，见图8.4中的3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用； 1主磁极 2励磁绕组 3机座 二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 4）电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图8.7所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。 图1.6 换向极 图1.7 电刷装置 1刷握2电刷 3压紧弹簧 4刷辫 1换向极铁心 2换向极绕组 2. 转子(电枢)（1）电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图8.8(a)所示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 （2）电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图8.9所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 （3）换向器 在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向 图8.9 电枢槽的结构 片的紧固通常如图8.10所示，换向片的下部做成鸽 1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体 尾形，两端用钢制v形套筒和v形云母环固定，再用 4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘 螺母锁紧。 4）转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。 图8.10 换向器结构 1换向片 2连接部分 图8.11 单叠绕组元件 1首端 2末端 3元件边 4端接部分 5换向片 直流有刷直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。） 在图1.1所示瞬间，导体a b 、c d 的感应电动势方向分别由 b指向 a和由d 指向 c 。这时电刷 a呈正极性,电刷b 呈负极性。 图1.1 直流发电机原理模型 当线圈逆时针方向旋转180时，这时导体c d 位于n 极下，导体a b 位于s 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。 图1.2 直流发电机原理模型 从图看出，和电刷 a接触的导体永远位于 n极下，同样，和电刷 b接触的导体永远位于s 极下。因此，电刷 a始终有正极性，电刷 b始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。 二、直流电动机的工作原理导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 图1.3 直流电动机的原理模型 当电枢转了180后，导体 cd转到 n极下，导体ab转到s极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 a流入，经导体cd 、ab 后，从电刷b流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 图1.4 直流电动机原理模型 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于n 极下，其中通过电流的方向总是由电刷a 流入的方向，而在s 极下时，总是从电刷 b流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。直流电机在龙门刨床及大型精密机床上的应用直流电机在龙门刨床和大型精密型机床上都有应用，直流电机在龙门刨床工作台的拖动系统中是成对使用的，通过拖动伺服系统来控制工作台的移动，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；大型精密机床也是通过直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。直流电机在龙门刨床及大型精密机床上的维护直流电机结构复杂,生产成本高,运行维护较为困难,特别是换向器的使用已逐渐不符合现今低损耗节能等基本的要求,加之交流电机的飞速发展,很多场合交流电机已得到普及;但由于直流电机仍具有良好的调速性能,较大的起动转矩和过载能力等许多优点,因而在煤矿电力机械中应用仍很广泛。 而直流电机的维护及保养主要集中在电刷、换向器、轴承等元件,同时亦是故障的多发区。合理地对其进行维护是正确运行直流电机、迅速排除运行故障的关键。 1、 直流电机的维护保养 1.1 换向器的维护保养 换向器是直流电机中的关键部件,也是观察直流电机故障的主要窗口, 直流电机的故障很多,但最常见的也是最难处理的是换向故障。换向器工作状况好坏直接关系直流电机的工作状况,因此必须加强对换向器的维护保养。 而直流电机换向故障主要标志是换向火花,换向火花实际上是电刷的换向片脱离接触时,换向元件中释放的电磁能量,通常我国国家标准将换向器上火花的大小划分为五个等级: 换向器的维护和电刷的维护与质量直接挂钩,正确的进行电刷质量选择和合理维护电刷运行时换向器维护的重要途径,这一点将在下一部分电刷维护谈到;在日常运行中要进行精心保养,必须保持换向器表面的清洁,要做到定期清扫,如果换向器表面出现轻微条纹或凹槽,这时可以采取研磨或抛光方式处理,后采用干净绸布擦拭换向器表面,这样有利于形成和保护氧化膜。 1.2 电刷的维护保养 电刷的质量对换向有很大的影响,合理的选择电刷可以改善换向。而电刷的维护保养需要从以下几个方面进行: (1)确认电刷辫螺丝是紧固的,刷辫不影响电刷的自由运动; (2)确保电刷辫不接触到电机内部非绝缘部分; (3)检查电刷能否在刷握内自由移动,弹簧的位置必须正确,功能正常; (4)刷握离换向器表面的距离应一致; (5)更换的碳刷应适合换向器表面曲线。1.3轴承的维护保养 对轴承进行检查及维护的4种方法 1)用竹片刮去轴承内的润滑脂,用低压蒸汽作初步清洗,因为弹子内部有旧油或 其他杂物; 2)检查轴承内外圈有无跑圈现象; 3)测量轴承间隙,详细检查弹子内外弹道、弹夹有无裂纹,锈蚀、变色等现象,转动轴承时应平滑,声音均匀,无卡塞现象; 4)凡有下列现象者必须更换新轴承:内外弹道有锈蚀无法消除内外弹夹过分磨损或松动滚珠或滚柱有锈蚀或裂纹弹子或弹道有过热变色现象转动时有卡塞现象轴承间隙超过最大允许值。 轴承维护保养、润滑一般需要根据轴承转速、工作温度、工作环境、环境温度等, 然后确定润滑脂牌号。 1.4背包冷却器的维护 (1)经常检查进风口滤网、过滤器滤网,对其定期更换或净化。 (2)更换滤网时,滤网的厚度应均匀、适宜:层数多,滤风不畅;层数少,碳粉过滤、粘附效果不好。另外边角处,处理要整齐。 (3)检查冷却器的温度、压力值是否在正常范围内,冷却水温度、流量是否正常,有无渗漏。 直流有刷电机的常见故障及其维修2、 直流电机故障诊断与分析 直流电机的复杂结构决定了其故障的多样性原因的多样性。主要分为机械性故障和电气性故障。 2.1 机械故障。机械性故障包括电枢动平衡破坏、传动机械不良、安装不良松动、轴承不良、未灌润滑脂或润滑脂太少或太多等问题,主要通过重新校正平衡以及更换相应设备等措施进行故障排查。机械故障是难以避免的,正确解决机械故障可以有效保证电机的正常运行。 2.2 电气故障 直流电机运行的电气故障主要表现在以下几个方面:(1)运行过程中温度升高(2)电刷下火花强烈引起换向片烧黑(3)电机绝缘性能下降,绝缘老化速度加快等。 运行中的温度升高主要由电机过载、冷却系统工作不正常、电枢线圈短路等原因所致。处理过程中要找准引起温度上升的原因,并对相应部位进行检修维护。 电刷下火花强烈引起换向片烧黑的部分原因分析及处理措施如下表: 3结语 直流电机的维护保养决定其正常运行;直流电机结构的特殊性决定其故障的多样性和故障诊断的复杂性。电机的维护保养与故障诊断息息相关,合理的维护不但可以尽量避免故障的发生,延长电机的使用寿命,而且可转化为经济效益。只有正确维护,准确诊断,电机才能实现高效稳定地运行。 请funuc公司产alpha电机的应用通常要求用变频电机，或者普通电机加风扇以满足电机在低频的散热要求、并且要求电机调速范围广。2、对变频器的技术要求(1)要求低频力矩大低频时(110hz)能出来150%额定转矩。(2)可靠性高变频器故障率低，运行稳定可靠(3)转矩动态响应速度快，稳速精度高能实现很好的动态响应效果，依据负载的变化，通过输出转矩的变化很快做出响 应，从而实现转轴速度的稳定.(4)减速停车速度快通常数控机床的加减速时间都是比较短的，加速时间靠变频器的性能保证，减速时间则依靠外加制动电阻或制动单元。3、电磁兼容问题数控机床为工业应用环境，不但要求变频器自身抗干扰能力强，而且不能干扰外围控制设备。由变频器工作原理可知，变频器输出含有一定的谐波成份，在使用中如果处理不当会对其它设备产生干扰，在数控机床上最容易被干扰的设备是cnc控制器。一旦cnc