车床主轴拖动变频调速节能改造设计_毕业设计(论文).doc

毕毕业业设设计计 ( (论论文文 ) ) 车床主轴拖动变频调速节能改造设计 题目： 车床主轴拖动变频调速节能改造设计 系别：专业：电气工程及其自动化 姓名： 学号： 指导教师建议成绩： 85 分 评阅教师建议成绩： 80 分 答辩小组建议成绩： 80 分 总成绩： 82 分 答辩委员会主席签字： 年 月 日 北京交通大学毕业设计（论文）任务书北京交通大学毕业设计（论文）任务书 姓名学号专业电气工程及其自动化 设计（论文）题目车床主轴拖动变频调速节能改造设计 题目 性质 设计； 论文 题目 来源 教学；科研； 生产； 其他 指导教师职 称工作单位备注 毕业设计毕业设计( (论文论文) )的内容和要求：的内容和要求： 一目的意义 1过去我国的机床工业加工基础雄厚，可是在国际市场上金属材料的价格，原因是技 术 含量低，欧美国家数控机床先进发达，返销我们令我们吃了大亏。现在我国机床工 业处于大力发展高技术附加值的数控机床关键阶段，应用到微机技术的普通机床可 以增值数十，上百倍。 2. 对量大面广的普通车床进行 plc 及微电子技术，特别是变频调速技术进行节能改造， 按全国所有量粗估：可以每年节约上百亿度电能，意义重大。 3. 车床主轴的变频节能改造是交流变频调速技术专业课的典型应用实例，应该很 成熟可行。学生学以致用大有可为。作为典型应用设计可以推广到社会大多数车床。 二内容与要求 1. 以 c6150 普通车床主轴传动为控制对象，用 5.5kw 电动机取代原 7.5kw 电动机，设 计一个应用 plc 和变频器的节能改造系统。 2. 为克服减小电机后的低速启动转矩不够的问题，设计 1：3 的齿轮变速传动机构，嵌 入车床传动箱内。 3. 以小 plc 和电子触摸屏小键盘设定转速，变频器执行调速取代电机不调速的手柄机 械变速，设 8 档调速功能。 4. 实时验算机械转矩，智能判断切削进刀量，设置超限报警保护功能。 5. 完成完整的改造设计方案和施工图设计，编程，并仿真、模拟调试。 6. 总计技术论文形成典型设计方案，以便推广。 毕业设计毕业设计( (论文论文) )主要参考资料：主要参考资料： 1. 大连组合机车研究所.组合机床设计手册 机械部分 机械工业出版社 1975 2. 大连组合机车研究所. 组合机床设计参考图册 机械工业出版社 1975 3. 周宗明. 金属切削机床 清华大学出版社 2004 4. 濮良贵，纪名刚. 机械设计 高等教育出版社 2006 5. 贾亚洲. 金属切削机床概论 机械工业出版社 2005 6. 周开勤. 机械零件手册 高等教育出版社 2002 7. 孙恒，陈作模. 机械原理 北京高等教育出版社 2001 8. 朱林. 机电一体化设计 石油工业出版社 2008 9. 甘永立. 几何量公差与检测 上海科学技术出版社 2001 10. 大连理工大学工程画教研室. 机械制图 高等教育出版社 1993 11. 金振华. 组合机床及其调整与使用 机械工业出版社 1990 毕业设计毕业设计( (论文论文) )应完成的工作：应完成的工作： 1 查找与机床改造和机械设计相关的资料 2 设计全套机和电结合的图纸、应用软件编程，以及研制总结论文，作为典型设计在有 条件时做成实物设备，成为具有知识产权的商品以备推广到大多数车床用户。 3 到有 c6150 车床的企业现场考察，以取得切削控制要求设计依据。 4 可用计算机仿真模拟出系统控制曲线、效果，计算节能效果。 5 如果设计优秀完整，可以向社会推广应用到很多车床用户。 进度安排：进度安排： 22012 年 12 月底2013 年 1 月初，完成资料调研，写出开题报告； 2013 年 3 月初4 月初 完成所有图纸、选型设计； 2013 年 4 月初4 月底 探讨、计算应用中的机械转矩问题。 2013 年 5 月初5 月中 系统编程、仿真、模拟调试； 2013 年 5 月中5 月底 完成论文 准备答辩 指导教师签字：指导教师签字： 日期： 年 月 日 系意见：系意见： 签字： 系（盖章） 日期： 年 月 日 北京交通大学毕业设计（论文）开题报告北京交通大学毕业设计（论文）开题报告 姓名学号专业电气工程及其自动化 设计（论文）题目车床主轴拖动变频调速节能改造设计 1. 毕业设计毕业设计( (论文论文) )的目的及意义的目的及意义（含国内外的研究现状分析）： 机械制造技术已经是生产、国际经济竞争、产品革新的一种重要手段，所有国家都在 寻求、获得、开发和利用它。它正被看作是现代国家经济上获得成功的关键因素。而车床 已经成为机械制造的主要工具。 目前，我国机床工业进入了一个关键的发展时期，当前机床机械制造业面临产品更新， 进行技术改造的局面，这是提高生产效率和高速发展迫切需要的。一个触目惊心的事实刺 激着我们：我国传统机床的制造业基础很强，大量出口，可是由于技术含量低，往往出口 到国外的价钱只是金属材料的价格。某发达国家经过用高新技术对其的控制进行改造后， 成为智能数控机床就以几十倍甚至百倍的价格回销我国，这是多么令国人痛心的情景呀！ 所以目前机床改造已成为我国迫切需要加大力度发展的事业。机床的控制主要采用机、电、 气、液压控制，采用微机技术可以实现智能数控，提高机床的技术附加值和运行效率；另 一方面还有节能的控制改造，配以可编程序控制器（plc）数字控制（nc）和变频调速等 技术，可以大大提高传统机床的加工水平，通过对其电力节能的改造后效果惊人，以 c6150 普通机床为例，全国大概有三百多万台 ，如果每台车床的电机由原来 7.5kw 的电机 换成 5.5kw 的，每天按 8 小时工作估算，仅节约电力一项每年节约电能将近 161 亿 kw/h， 这该是多么可观的一笔节能挖潜的经济效益呀！本课题是结合 plc 和变频技术对普通 c6150 机床进行节能改造。作为机械与电气控制专业的大学生如果把这个项目设计成功， 不仅可以检验本人的机-电一体化知识学以致用的能力，还可具有普及推广，以推动我国 机床节能改造的事业发展的重大意义。 2. 基本内容和技术方案：基本内容和技术方案： 一系统构成： 本课题是以交流变频调速技术的典型应用实例为基础，对制造业量大面广的普通 车床 c6150 主轴拖动系统进行节能改造：包括电动机容量减小；机械传动机构改造；机械 变速改为变频调速（微电子触摸屏取代机械手柄笨重操作） ；plc 对车床的逻辑判断控制等 设计任务。 本课题所涉及的技术原理分述如下： （1）机械传动机构与电机转矩特性 分析确定机床的主传动功率转矩，由于车床低速段为恒功率负载特性，在高速段 为恒功率负载特性，为了减小电动机容量后启动转矩不够的问题，改造设计一级传动 机构的 传动比为 1：3，这样使得减小的电动机的转矩线被有效覆盖，以满足负载特 性，达到经济、节能。因此除了要进行计算传动比 1：3 的齿轮箱的机械设计，还要把 这个多轴传动折算到电动机轴侧，以验算改造后的 gd。和折算电动机的有效功率。 （2）变频调速拖动原理 根据交流异步电动机的转速 n = 60f /p 可知，调节交流电的频率 f 能够改变电 动 机转速，变频器是应用电力电子元件通过整流再按不同频率要求逆变成变频交流电 驱动电动机变速， （实际是控制 e/f 比） ，由于变频器内核心单元是 mpu 微机处理器， 可以采用矢量及矩阵方法计算得到很好的调速机械特性，并可预置很多智能控制功能。 （3）plc 在变速设定和存储切削自动过程等应用 plc 的 di 接受触摸屏微动开关信号，通过 do 输出 3 个信号可以输出给变频器 x1，x2，x3 端子，组合成 8 种转速，同时设 shift 键与 x1x3 组合使用，产生 8 种 预先存储好的自动切削过程程序。 （4）变频器程序译码器实现电子触摸屏转速设定 如（2）所述，变频器接受 3 个信号译出 8 种转速作为变频器给定；另外通过变 频器预先设置参数，存储 8 种自动变速的车削方案曲线，通过组合键选择，使变频器 按存储的不同转速切削过程自动调速。 二设计（论文）结构提要 题目：车床主轴拖动变频调速节能改造设计 关键词：电机转矩线；机械传动比；变频调速；plc 编程；电子触摸屏 1. 绪论 2. 普通车床主轴的变频调速 2.1 普通车床的主要功能与构造 2.1.1 普通车床的主要功能 2.1.2 普通车床的构造 2.2 普通车床的拖动系统 2.2.1 普通车床的运动系统 2.2.2 普通车床主拖动系统的机械特性 2.2.3 主拖动系统的负载功率 2.2.4 主拖动系统的工作特点 2.2.5 普通车床的原拖动系统 2.3 车床主拖动的变频调速系统 2.3.1 对变频调速系统的基本考虑 2.3.2 低速转保留一级传动比，且方案 2.3.3 低速转保留一级传动比，且方案 3. 变频调速的原理 3.1 变频器的控制方式 3.2 变频器的频率给定 4. plc 控制实现的转速分段给定原理 5. 设计 5.1 系统构成 5.1.1 设备明细表 5.1.2 传动比设计（1:3） 5.1.3 变频调速系统控制电路 5.2 控制与实现 5.2.1 电子触摸屏 5.2.2 控制流程图 6.计算选择 6.1 选择电动机型号 6.1.1 电动机的主要额定数据 6.1.2 主要计算数据 6.1.3 电动机容量不变的可行性核算 6.2 变频器 6.2.1 变频器的基本构成 6.2.2 变频器内部电路的基本功能 6.2.3 变频器的选择 6.2.4 变频器的功能参数表 6.3 变频器的功能预置 6.3.1 各参数的设定值表 6.3.2 多段速的参数设定表 6.4 plc 选择 后记 感谢协作者 3. 主要参考文献：主要参考文献： 1. 大连组合机车研究所.组合机床设计手册 机械部分 机械工业出版社 1975 2. 大连组合机车研究所. 组合机床设计参考图册 机械工业出版社 1975 3. 周宗明. 金属切削机床 清华大学出版社 2004 4. 濮良贵，纪名刚. 机械设计 高等教育出版社 2006 5. 贾亚洲. 金属切削机床概论 机械工业出版社 2005 6. 周开勤. 机械零件手册 高等教育出版社 2002 7. 孙恒，陈作模. 机械原理 北京高等教育出版社 2001 8. 朱林. 机电一体化设计 石油工业出版社 2008 9. 甘永立. 几何量公差与检测 上海科学技术出版社 2001 10. 大连理工大学工程画教研室. 机械制图 高等教育出版社 1993 11. 金振华. 组合机床及其调整与使用 机械工业出版社 1990 4. 进度安排：进度安排： （1） 2012/12/23-2013/01/10 资料调研和开题报告撰写 （2） 2013/01 初-2013/02/20 假期期间走访调查 （3） 2013/02 底-2013/03 初 汇总资料，方案设计 （4） 2013/03 中-2013/03 底 设计变频器和 plc 原理接线图 （5） 2013/04 初-2013/04 中 选型设计和施工设计 （6） 2013/04 中-2013/04 底 plc 和变频器编程 （7） 2013/05 初-2013/05/中 仿真模拟系统调试 （8） 2013/05 中-2013/05 底 整理图纸和论文 答辩 5. 指导教师意见：指导教师意见： 该课题设计有机、有电，要请教机械设计专业老师，要准确计算和校核转矩。课题设 计思路清晰，可操作性强；要搞成典型设计，以便今后推广。 指导教师签字： 日期： 年 月 日 6. 系意见：系意见： 签字： 系（盖章） 日期： 年 月 日 北京交通大学毕业设计（论文）指导教师评阅意见北京交通大学毕业设计（论文）指导教师评阅意见 姓名学号专业电气工程及其自动化 指导教师职称单位 指导教师职称单位 毕业设计（论文）题 目 车床主轴拖动变频调速节能改造设计 指导教师评语： 是否同意答辩：同意 论文成绩：85 分 指导教师（签名）： 年 月 日 北京交通大学毕业设计（论文）评阅教师评阅意见北京交通大学毕业设计（论文）评阅教师评阅意见 姓名学号09142074专业电气工程及其自动化 指导教师职称教授级高工单位本校机械电气控制系 指导教师职称单位 毕业设计（论文）题目车床主轴拖动变频调速节能改造设计 对论文的评语： 同学毕业论文的选题车床主轴拖动变频调速节能改造设计论文探讨了车床主轴拖 动变频调速节能系统分析和设计方法，具有一定实用价值。该同学收集的数据资料较翔实， 分析和论证有一定深度，结论正确合理。论文的写作基本规范。存在问题是对存在问题的 探讨还可进一步深入，对存在问题原因的分析还可进一步展开。 综上所述，已经掌握了本专业的基础理论和相关专业知识，该同学写作的毕业论文已 经达到本科毕业论文水平，可以提交答辩。 是否同意安排论文答辩：同意 论文成绩：80 分 评阅教师（签名）： 年 月 日 北京交通大学毕业设计（论文）答辩小组评议意见北京交通大学毕业设计（论文）答辩小组评议意见 学号专业电气工程及其自动化 车床主轴多动变频调速节能改造设计 职 称工作单位备注 组长 80 分 毕业设计（论文）诚信声明毕业设计（论文）诚信声明 本人声明所呈交的毕业设计（论文） ，是本人在指导教师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外， 毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得北京交通大学海滨学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 毕业设计（论文）使用授权书毕业设计（论文）使用授权书 本人完全了解北京交通大学有关保管、使用论文的规定，其中包括：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容。 本人签名： 日期： i 摘摘 要要 车床已经成为工业器件加工应用最广泛的不可或缺的机器，但是我过车床的 应用水平对于世界比较低的，多年以来都是通过手柄控制主轴转速，操作起来非 常繁琐，本论文以普通车床为研究对象，对普通车床的主轴进行了变频调速的设 计改造。主要研究完成了对普通车床的工作原理进行了分析研究，简单介绍了普 通车床的拖动系统及机械特性，然后重点介绍了普通车床的原拖动系统。配以 plc 控制实现变频调速的目的。经过变频调速改造后，车床实际应用效果良好， 同时还具备了节能、容易实现对现有电动机的调速控制、可以在车床应用领域进 行大面积推广。 本毕业论文是对普通车床设计项目的技术总结，主要介绍了变频调速原理， 普通机床工作原理，plc 控制原理，实现了机床的无极调速，由原来 7.5kw 的电 机换成 5.5kw 后进行的变频调速节能设计，通过电子触摸屏实现速度切换功能。 关键词：电机转矩线；机械传动比；变频调速；plc 编程；电子触摸屏 ii abstract the lathe has become the most widely used industrial device processing an indispensable machine, but i lived lathe application level for the world is relatively low, over the years is through the handle to control the rotational speed of the spindle, the operation is very complicated, in this paper, ordinary lathe as the object of study, of the common lathe is designed transformation of frequency control of motor speed. the main research work principle of ordinary lathe for analysis and research, introduced the drive system and mechanical properties of ordinary lathe, and then focuses on the primary drive system of lathe. with plc control to achieve the purpose of variable frequency speed regulation. after frequency conversion transformation, the practical application effect of lathe is good, and also with the energy saving, easy control of the existing motor control, can be popularized in large area in the field of application of lathe. this thesis is a summary of common lathe design project technology, mainly introduces the principle of frequency conversion, the working principle of plc control principle, general machine tools, machine tool was realized by the stepless speed regulating motor, the original 7.5kw is changed to energy-saving inverter design after the 5.5kw, through the electronic touch screen to achieve the speed switching function. keywords：motor torque line; mechanical transmission ratio; frequency control; plc programming; electronic touch screen iii 目目 录录 摘 要i abstractii 目 录iii 1. 绪论1 2. 普通车床主轴的变频调速2 2.1 普通车床的主要功能与构造2 2.1.1 普通车床的主要功能2 2.1.2 普通车床的构造2 2.2 普通车床的拖动系统3 2.2.1 普通车床的运动系统3 2.2.2 普通车床主拖动系统的机械特性3 2.2.3 主拖动系统的负载功率4 2.2.4 主拖动系统的工作特点4 2.2.5 普通车床的原拖动系统5 2.3 车床主拖动的变频调速系统5 2.3.1 对变频调速系统的基本考虑5 2.3.2 低速转保留一级传动比，且方案 6 2.3.3 低速转保留一级传动比，且方案.7 3. 变频调速的原理10 3.1 变频器的控制方式10 3.2 变频器的频率给定10 4. plc 控制实现的转速分段给定原理12 5. 设 计13 5.1 系统构成13 5.1.1 设备明细表.14 5.1.2 传动比设计（1:3）15 iv 5.1.3 变频调速系统控制电路.15 5.2 控制与实现16 5.2.1 电子触摸屏.16 5.2.2 控制流程图.17 6. 计算选择18 6.1 选择电动机型号18 6.1.1 电动机的主要额定数据.18 6.1.2 主要计算数据.20 6.1.3 电动机容量不变的可行性核算.21 6.2 变频器22 6.2.1 变频器的基本构成.22 6.2.2 变频器内部电路的基本功能.22 6.2.3 变频器的选择.23 6.2.4 变频器的功能参数表.24 6.3 变频器的功能预置27 6.3.1 各参数的设定值表.27 6.3.2 多段速的参数设定表.28 6.4 plc 选择 28 结 论.29 致 谢.30 参考文献.31 北京交通大学毕业设计（论文） 1 1. 绪论绪论 械制造技术已经是生产、国际经济竞争、产品革新的一种重要手段，所有国 家都在寻求、获得、开发和利用它。它正被看作是现代国家经济上获得成功的关 键因素。而车床已经成为机械制造的主要工具。 目前，我国机床工业进入了一个关键的发展时期，当前机床机械制造业面临 产品更新，进行技术改造的局面，这是提高生产效率和高速发展迫切需要的。一 个触目惊心的事实刺激着我们：我国传统机床的制造业基础很强，大量出口，可 是由于技术含量低，往往出口到国外的价钱只是金属材料的价格。某发达国家经 过用高新技术对其的控制进行改造后，成为智能数控机床就以几十倍甚至百倍的 价格回销我国，这是多么令国人痛心的情景呀！所以目前机床改造已成为我国迫 切需要加大力度发展的事业。机床的控制主要采用机、电、气、液压控制，采用 微机技术可以实现智能数控，提高机床的技术附加值和运行效率；另一方面还有 节能的控制改造，配以可编程序控制器（plc）数字控制（nc）和变频调速等技 术，可以大大提高传统机床的加工水平，通过对其电力节能的改造后效果惊人， 以 c6150 普通机床为例，全国大概有三百多万台 ，如果每台车床的电机由原来 7.5kw 的电机换成 5.5kw 的，每天按 8 小时工作估算，仅节约电力一项每年节 约电能将近 161 亿 kw/h，这该是多么可观的一笔节能挖潜的经济效益呀！本课 题是结合 plc 和变频技术对普通 c6150 机床进行节能改造。作为机械与电气控 制专业的大学生如果把这个项目设计成功，不仅可以检验本人的机-电一体化知识 学以致用的能力，还可具有普及推广，以推动我国机床节能改造的事业发展的重 大意义。 北京交通大学毕业设计（论文） 2 2. 普通车床主轴的变频调速普通车床主轴的变频调速 2.1 普通车床的主要功能与构造普通车床的主要功能与构造 2.1.1 普通车床的主要功能普通车床的主要功能 普通车床以加工圆柱体为主，如：加工圆柱体的外圆、内圆及端面； 圆柱体的钻孔和扩孔；在外圆与内圆表面车削螺纹，等。 2.1.2 普通车床的构造普通车床的构造 如图 2-1 所示，主要部件有： 图图 2-12-1 普通车床的构造普通车床的构造 北京交通大学毕业设计（论文） 3 2.2 普通车床的拖动系统普通车床的拖动系统 2.2.1 普通车床的运动系统普通车床的运动系统 普通车床的运行系统主要包括以下两种运动： 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进给传 动链而拖动的，并无独立的进给拖动系统。 2.2.2 普通车床主拖动系统的机械特性普通车床主拖动系统的机械特性 1. 主拖动系统阻转矩的形成 主拖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。故切削力正比于切削 的材料性质和截面积，截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： (1) 切削深度； (2) 进刀量； (3) 工件的材质与直径等。 2. 主拖动系统的负载特点 (1) 在相当大的转速范围内，普通车床的允许切削深度和进刀量等都是 相同的，因而具有恒转矩的特点。 (2) 在高速段，由于受车床身机械强度及振动等的影响，速度越高，允 许的切削深度和进刀量越小，阻转矩也越小，因而具有恒功率的性 质。 (3) 综上所述，普通车床的机械特性如图 2-2 所示。 北京交通大学毕业设计（论文） 4 图中，d 点以下是恒转矩区；d 点以上是恒功率区。d 点是分界点，一般来说， 大约在2 处（是分界点的转速，是最高转速） 。但考虑到低速车削通 常为粗加工，切削量较大。尤其是车削毛坯时，由于同心度较差和表面的不光滑， 常会遇到较大的冲击力。所以，在实际处理时，通常取： （1-1） /4 2.2.3 主拖动系统的负载功率主拖动系统的负载功率 如图 2-2，主拖动系统的负载功率取决于高速段任一点转矩与转速的乘积： = /9550 （1-2） = /9550 2.2.4 主拖动系统的工作特点主拖动系统的工作特点 1.调速范围宽 调速范围 由最高速与最低速的比值决定： （1-3） = / 通常：= 25150 例如，国产 ca5140 型车床的=140，而意大利 sag 型精密车床的=26.7。 2.低速时对过载能力要求较高因为低速运行常用于粗加工，为了提高工作效 北京交通大学毕业设计（论文） 5 率，切削深度和进刀量都较大。 3.高速是对过载能力要求较低因为高速运行常用于精加工，非但切削深度较 小，进刀量也往往不大。在正常情况下，出现过载的可能性极小。 2.2.5 普通车床的原拖动系统普通车床的原拖动系统 普通车床通常是由齿轮箱来传动和调速的。他具有以下特点： 1.恒功率性质 由于齿轮箱变速时，转矩的变化与转速的变化成反比，故具 有恒功率的性质。所以对同一切削用量而言，电动机的输出功率是不变的。 如忽略齿轮箱的功率损耗不计，则在全调速范围内，都具有恒功率的特点。 2.低速时过载能力强 在低速段，拖动系统经齿轮降速后的额定转矩将远远 高于负载的最大阻转矩，具有极强的过载能力。 2.3 车床主拖动的变频调速系统车床主拖动的变频调速系统 2.3.1 对变频调速系统的基本考虑对变频调速系统的基本考虑 (1) 由于调速范围很广，且要求有比较硬的机械特性。所以，以选用矢量 控制方式为宜。对于普通车床来说，由于对动态响应要求不高，用 “无反馈矢量控制”方式已经足够。 (2) 因为调速范围广，且高速段与低速段机械特性的特点不一样，故工作 频率范围应不限于额定频率以下。 (3) 电动机的容量一般应此比原拖动系统的电动机容量为大（详见下速） 。 (4) 如上述，在低速段，可能出现较大的冲击过载，容易引起变频器的跳 闸。所以，变频器的容量以比电动机容量大一档为好。 2.3.2 低速转保留一级传动比，且低速转保留一级传动比，且方案方案 1.基本工况 (1) 电动机和主轴之间的传动比只有一档，传动比 （1-4） = / 北京交通大学毕业设计（论文） 6 (2) 变频器的最大输出频率等于电动机的额定频率。从而，电动机 的最高转速等于其额定转速，它折算到负载轴上的值 应大于负载要求的最大转速： = （1-5） 电动机额定转矩的折算值（折算到负载轴上的转矩）应大于负载的最 大转矩的 t； （1-6） 图图 2-12-1 1 1负载机械特性曲线负载机械特性曲线 2 2电动机的有效转矩线电动机的有效转矩线 综上所述，电动机的优先转矩线如图 2-3 的曲线 2 所示，曲线 1 是车床的机 械特性曲线。为了便于比较，图中，电动机的转矩和转速均为折算到负载轴上的 值。 2. 电动机的容量 在图 2-3 中，负载所需功率 = /9550 = /9550 （1- = /9550 7） 其大小与面积 oadb 成正比。而电动机的容量则与面积 oahg 成正比，其大 北京交通大学毕业设计（论文） 7 小为： 1 = /9550 （1-8） = 可见，采用了变频调速以后，电动机的容量需增大倍以上。 3.电动机的工作频率范围 (1) 最高频率 。 = (2) 最低频率 因为只有一档转速，故频率调节范围为： （1-9） = / /= 当时，50/40=1.25hz = 40 当时，50/140=0.357hz = 140 异步电动机在这样低的频率下连续工作，如不用负载反馈，是比较困难的。 2.3.3 低速转保留一级传动比，且低速转保留一级传动比，且方案方案 1.基本工况 (1) 电动机和主轴之间的传动比仍只有一档，但变频器的最高输出频率 允许超过额定频率。但一般不宜超过额定频率的 1.5 倍（即： ） 。 1.5 设最大调频比 （1- = / 10） 则：电动机的最高转速也约为额定转速的倍： （1-11） (2) 电动机的额定转速 （1-12） = / / 北京交通大学毕业设计（论文） 8 电动机的有效转矩线如图 2-4 中的的曲线 2 所示。曲线 1 为车床的机械特 性曲线。 图图 2-42-4 1 1负载特性曲线负载特性曲线 2 2电动机的有效转矩线电动机的有效转矩线 2. 电动机的容量 如图 2-4，电动机的容量与面积 oahg成正比，其大小 为 2 = /9550 ( )/9550 （1-13） = 1/ 可见，频率范围过大之后，电动机的容量可以比减小倍，但与负 1 载功率相比，仍需增大很多。 3. 电动机的工作频率范围 设：最高频率为75hz，则最低频率为 = 1.5= 当时，=75/40=1.875hz； = 40 当时，=75/140=0.54hz； = 140 北京交通大学毕业设计（论文） 9 3. 变频调速的原理变频调速的原理 3.1 变频器的控制方式变频器的控制方式 1.v/f 控制方式：车床除了在车削毛坯的时候负荷大小有变化外，以后的车 削过程中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择 v/f 控制方 式是能够满足要求的。但从节能的角度看 v/f 控制方式并不理想。因为在低速切 削时，需要预置较大的 v/f，则会出现在负载较轻的情况下，电动机的磁路常处 于过饱和状态，励磁电流过大的问题。 2.无反馈矢量控制方式：新的系列变频器在无反馈矢量控制方式下，已经能 够做到在 0.5hz 时稳定运行，所以完全可以满足普通车床主拖动系统的要求。由 于无反馈矢量控制方式能够克服 v/f 控制方式的缺点，故是一种最佳选择。采用 无反馈矢量控制方式，进行选择时需要注意其能够稳定运行的最低频率（部分变 频器在无反馈矢量控制方式下的实际稳定运行的最低频率为 56hz） 。 北京交通大学毕业设计（论文） 10 3.有反馈矢量控制：有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最完善的一种控制 方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，对编码器的安 装也比较麻烦。所以，除非该机床对加工精度有特殊要求，一般没必要采取此种 控制方式。 目前，国产变频器技术非常成熟了，abb 公司产品在价格和性能上足可以与 国外媲美了。 3.2 变频器的频率给定变频器的频率给定 变频器的频率给定方式可以有多种，应根据具体情况进行选择。 1.无极调速频率给定 可以直接通过变频器的面板进行调速，也可以通过外接电位器调速。 在进行无极调速是必须注意：在低速段的一档传动切换到变频器无极调速时， 存在着一个电动机的有效转矩线小于负载特性的区域，如下图所示。图中这个 区域（约为 600800r/min）内，当负载较重时，有可能出现电动机带不动的情况。 操作工应该根据负载的具体情况，决定是否需要避开该转速段。 图图 3-1 北京交通大学毕业设计（论文） 11 4. plc 控制实现的转速分段给定原理控制实现的转速分段给定原理 如果车床还需要进行复杂的程序控制，可应用可编程控制器（plc）结合变 频器的多档转速功能来实现，如下图所示。图中，转速档由按钮开关（或触摸开 关）开选择。通过 plc 控制变频器的外接输入端子 x1，x2，x3 的不同组合，得 到 8 档转速。图中电动机的正转，反转，和停止分别由按钮开关 sf,sr,st 来进 行控制。 北京交通大学毕业设计（论文） 12 图图 4-1 逻辑表逻辑表 档位12345678 二进制00010010001101000101011001111000 5. 设设 计计 5.1 系统构成系统构成 一系统构成： 本课题是以交流变频调速技术的典型应用实例为基础，对制造业量大面 广的普通车床主轴拖动系统进行节能改造：包括电动机容量减小；机械传动机构 改造；机械变速改为变频调速（微电子触摸屏取代机械手柄笨重操作） ；plc 对 车床的逻辑判断控制等设计任务。 北京交通大学毕业设计（论文） 13 图图 5-1 二.本课题所涉及的技术原理分述如下： （1）机械传动机构与电机转矩特性 分析确定机床的主传动功率转矩，由于车床低速段为恒转矩负载特性， 在高速段为恒功率负载特性，为了减小电动机容量后启动转矩不够的问题， 改造设计一级传动机构的传动比为 1：3，这样使得减小的电动机的转矩线被 有效覆盖，以满足负载特性，达到经济、节能。因此除了要进行计算传动比 1：3 的齿轮箱的机械设计，还要把这个多轴传动折算到电动机轴侧，以验算 改造后的 gd。和折算电动机的有效功率。 （2）变频调速拖动原理 根据交流异步电动机的转速 n = 60f /p 可知，调节交流电的频率 f 能够 改变电动 机转速，变频器是应用电力电子元件通过整流再按不同频率要求逆 变成变频交流电驱动电动机变速， （实际是控制 e/f 比） ，由于变频器内核心单 元是 mpu 微机处理器，可以采用矢量及矩阵方法计算得到很好的调速机械特 性，并可预置很多智能控制功能。 （3）plc 在变速设定和存储切削自动过程等应用 plc 的 di 接受触摸屏微动开关信号，通过 do 输出 3 个信号可以输出 给变频器 x1，x2，x3 端子，组合成 8 种转速。 （4）变频器程序译码器实现电子触摸屏转速设定 如（2）所述，变频器接受 3 个信号译出 8 种转速作为变频器给定；另外 通过变频器预先设置参数，存储 8 种自动变速的车削方案曲线，通过组合键选择， 使变频器按存储的不同转速切削过程自动调速。 北京交通大学毕业设计（论文） 14 5.1.1 设备明细表设备明细表 表表 1 1 名 称 及 型 号 规 格 及 尺 寸 数 量 安 装 位 置 备 注 电机 y2-132s-4380v/11.6a 变频器 abb-510 系列220v/7kva 12a1控制柜内 plc 西门子 s7-200220v/24v10a1控制柜内 总动力空气开关同上同上 接触器热继电器220v/24v10a0 控制柜操作 面板 控制箱电源总开关-自动空气开关 tmc-10，2p 220vac 25a1控制柜内 控制箱总电源开关-金属钥匙开关220v5a 双刀双掷1控制柜操作 面板 do 输出 ac 驱动总电源开关1控制柜操作 面板 信号端子dx-10100控制柜内 电源端子dx-2050控制柜内 汇线槽50x50x30若 干 控制柜内 5.1.2 传动比设计（传动比设计（1:3） 由于改造前的机床是手动变速，是通过手柄改动变速箱内齿轮对实现变速， 操作起来比较繁琐。而改造后的机床通过 plc 控制，直接作用于电机，外接电子 触摸屏按钮实现变速，少了齿轮箱内的大量齿轮组，只需要保留电机与机床主轴 一对齿轮对！ 考虑到电机启动和低速作业时是恒转矩负载，为了解决低速切削力量不够的 问题，设计电机与主轴 1:3 的传动比，如下图。 北京交通大学毕业设计（论文） 15 图图 5-2 5.1.3 变频调速系统控制电路变频调速系统控制电路 以采用外接电位器调速为例，控制电路如下图所示。图中接触器 km 用于接 通变频器的电源，由 sb1 和 sb2 控制。继电器 ka1 用于正转，由 sf 和 st 控制； ka2 用于反转，由 sr 和 st 控制。 北京交通大学毕业设计（论文） 16 图图 5-3 正转和反转只有在变频器接通电源后才能进行；变频器只有正反转都不工作 的时候才会切断电源。由于车床需要有点动环节，故在电路中增加了点动控制按 钮 sj 和继电器 ka3。 5.2 控制与实现控制与实现 5.2.1 电子触摸电子触摸 图图 5-4 图中，0 为确认键；9 为复位键；其他数字键为对应转速键。当电源开关按 下时，电源指示灯亮。按下对应数字键再按确认键，机器工作；按下复位键，机 器停止。 5.2.2 控制流程图控制流程图 北京交通大学毕业设计（论文） 17 图图 5-55-5 6. 计算选择计算选择 6.1 选择电动机型号选择电动机型号 6.1.1 电动机的主要额定数据电动机的主要额定数据 (1) 额定容量 5.5kw； (2) 额定转速 1440r/min； (3) 过载能力 2.5 考虑到电动机的额定容量和过载能力，选择了 y2-132s-4 型变频调速三相异 步电动机。 1) 简介 y2-132s-4 系列变频调速三相异步电动机电动机是为配合国外各类高 性能的 igbt 脉宽调制变频器而特殊设计的，使用时一般不需配用外接滤波器。 电动机的各项性能指标同国外 20 世纪 80 年代水平相当，其基本技术条件符 北京交通大学毕业设计（论文） 18 合 iec34-1 和 gb755 国际和国家标准的规定。电动机噪声低、振动小、调速范围 广、外观新颖。 y2-132s-4 系列变频调速三相异步电动机集国内外同类产品之优点，采用计 算机辅助设计技术进行设计。为了使电动机能适应 pwm 变频电源供电的状况， 在设计上，对定子、转子槽型和定子绕组分布形式做了特殊的考虑，以期获得一 个较为合适的电感值，来抑制和减小时间谐波和由其一起的一系列电动机空间谐 波所产生的不良影响。电动机的电磁负载设计也考虑了一定的裕度，这样，既能 保证电动机在高频时的过载能力，又能在低频运行时仍能保持恒转矩输出。 y2-132s-4 系列变频调速三相异步电动机绝缘结构的设计，考虑了采用 igbt 的 pwm 变频器的高载波频率的影响。由其是匝间绝缘，为了能够承受由高电压 上升率在线圈匝间反复施加的陡度极大的冲击电压所导致的严酷考验，采用了特 殊措施予以加强。 在结构设计方面，y2-132s-4 系列的安装尺寸与 y 系列相同，以便用户的配 套和选用。系列的冷却方式有两种：一种为 ic411 系列，可以保证在该系列规定 的频率范围（1070hz）内实现恒转矩恒功率调速，并保证在此条件下长期运行， 电动机绕组温升不超过允许值。另一种 ic416 系列，该系列使用单独的轴流风机 强迫通风，保证了电动机在低速（12hz）时恒转矩长期运行温升不超过允许值。 y2-132s-4 系列变频器三相异步电动机出厂试验时均采用变频器电源供电， 符合实际使用工况。 2) 主要技术性能 (1) 电动机为连续工作制 s1 (2) 电动机的额定电压为 380v、频率为 50hz。也可以给据用户要求确定额 定点的电压和频率。 (3) 电动机的绝缘等级为 f 级或 h 级，绝缘结构具有对变频器输出高载波频 率电压的适应能力。 (4) 电动机调速范围广。ic411 系列可在 1050hz 下实现恒转矩调速， 5070hz 下实现恒功率调速；ic416 系列在开环 u/f 控制的条件下，可实现 350hz 时的恒转矩调速，50100hz 时的恒功率调速；在矢量控制的条件下，调 北京交通大学毕业设计（论文） 19 速范围还可以扩大。 (5) 过载能力强。能够承受额定转矩 160%过载，历史 1min。 (6) 低速性能好。低速时性能平滑，无爬行现象。 (7) 电动机的接线方式，250 及以下机座号为 y 联结，280 及以上机座号为 联结。 3) 结构形式 电动机的外壳防护等级为 ip44，也可以按用户需要制成 ip54： 电动机的冷却方式分为全封闭外表轴向自扇冷却（ic411）及全封闭带单独轴