曲面磁力研磨机的主运动控制研究

- 1 -XX 大学航空制造工程学院创新能力综合训练研 究 报 告题 目： 曲面磁力研磨机设计 所属课题： 主运动控制 学 院： 航空制造工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 班级学号： 学生姓名： 合 作 者： 指导教师： 二 O 一二年 十二月 - 2 -曲面磁力研磨机的主运动控制研究摘要：采用了内装式同轴电机主轴，研究了主轴电机的性能和对曲面研磨机床的影响和工作情况，以及主轴电动机控制电路，表明了电主轴有良好的可控性和简单紧凑的结构等，以其优异的性能，高 转速、宽调 速范围，高精度，有助于曲面磁力研磨的精度。关键词: 电机主轴 性能 曲面研磨机床 控制电路- 3 -主要创新点本方法的主要创新点是：1.主轴低年级转速的提高不受换向器的限制。2.采用了微处理器和现代控制理论进行控制，系统运行平稳，振动和噪音小，并且可以获得较大的调 速范围和较高的低速转。3.能实现主轴的正反转。- 4 -目 录 1 引言 2 2 研究方法. 2 2.1 机床的结构 . 22.2 自由曲面磁粒光整加工原理 3 3 机床主轴电动机的选择和主轴驱动系统分析 4 3.1 机床主轴电机的基本要求 43.2 主轴电机的使用要求 43.3 主轴电机的工艺性经济性要求 43.4 直流主轴驱动系统得特点 53.5 交流主轴驱动系统 53.6 主轴部分的电气控制原理 6 4 结 论 8 5 参考文献. 9- 5 -1 引言 机床主轴系统采用内装式同轴电机主轴将会是高速机床的发展趋势 。电主轴以其优异的性能，高转速、宽调速范围，高精度。良好的可控性和简单紧凑的结构等，已为越来越多的机床所选用。机械式主轴变速系统将逐步被前景看好的电主轴所取代。而电主轴的核心是伺服电机，选用何种电机将关系到电主轴的控制精度、调速范围和制造经济性等多方面的性能好坏，只有权衡各类电机不同的优缺点满足基本的功能要求，才能选定最适合作机床主轴的电机.。2 研究方法2.1 机床的结构和参数图 1 所示是数字化磁性磨粒光整加工机床示意图。机床的工作行程600mmX800mmX600mm,主轴转速。一 300or/min,磁极的磁感应强度。1.ST,3个坐标方向的移动速度。一 6m/min。该机床的数控系统除了具有普通三坐标数控铣床控制系统的功能(如三坐标联动、点动、手动、自动等)外,还具有曲面的- 6 -示教方式三坐标数字化测量功能、曲面加工轨迹的自动编程功能及磁性磨料的自动更换功能等。2.2 自由曲面磁粒光整加工原理在强磁场作用下,填充在磁场中的磁性磨料将沿着磁力线的方向排列起来,吸附在磁极上形成“软磨料刷”,并对工件表面产生一定的压力。 “软磨料刷”与工件之间产生快速相对运动,实现对工件表面的光整加工,如图 2 所示。磁场作用力的大小与磁性磨粒的导磁性、磁场强度和磁场梯度有关。如图 3 所示。磁作用力 F 使得磁性磨粒向着磁力线集中的部位聚集,在磁极高速旋转时能够防止磁性磨粒因离心力的作用而飞散。- 7 -3 机床主轴电动机的选择和主轴驱动系统分析3.1 机床主轴电机的基本要求作为机床主轴，除了作高速回转外，还要承受径向、轴向、切向切削力，主轴在弯曲、扭转的交变载荷下，按照要求进行起动、增速、减速和停车等。因此主轴电机应比一般用途电机的制造精度，控制精度，使用条件等要求更高。对主轴电机主要有以下几个方面的要求：3.2 主轴电机的使用要求与一般用途电机一样，主轴电机要满足驱动的基本要求，即：电机的输出功率、转速、转矩等应与机械负载相匹配。另外还要考虑使用环境，应用场合、工作制和使用电源，如电压、电流、频率等。主轴电机的控制要求机床主轴的运动是机床传动系统的主运动。主轴经常处于起动、加速、切削、制动、停车这种循环中，因此对主轴电机的控制应满足机床主轴运动的一切需要。对主轴电机的控制有稳态控制和动态控制两种要求，考核电机稳态控制技术指标有电机的额定值、调速范围、静差率、平滑性等；考核电机动态控制技术指标有对控制信号的跟随特性、抗干扰性等。总之，机床主轴电机对其的控制要求是恒速运动时要平稳、转速波动小、抗干扰能力强；调速范围宽，并连续可调；电机起动、制动安全可靠；电机控制系统可靠性高，工作寿命长。3.3 主轴电机的工艺性经济性要求机床主轴电机与一般电机相比，结构上要复杂许多，制造精度要求更高，控制系统更完善。为适应市场经济需要，主轴电机的制造必须具备： 主轴及电机的 制造工艺性要好； 主轴电机的装配、调试、维护性能要好； 主轴电机应具有效率高、寿命长、体积小重量轻，可控制性好。机床的主轴系统和进给系统有很大的差别。根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。在数控机床中，数控车床占 42，数控钻镗铣床占 33，数控磨床、冲床占 23，其他只占 2。为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：主传动电动机应有 2.2250kW 的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在 1：1001000 范围内进行恒转矩调速和 1：10的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制等等。 主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况则- 8 -不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可满足数控机床主轴的要求。但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。3.4 直流主轴驱动系统得特点在数控机床高速,高效,高精度的控制要求,使得 FANUC 直流主轴驱动与通常的速度自动调节系统相比有以下特点:（1） 调速范围宽, 采用 FANUC 主轴驱动的数控机床,在机械结构方面，小型机床通常采用电机与主轴直接或皮带变速的结构形式、中、大型机床通常只设置高,低速两级简单的机械变速机构，因此，主轴电动机的调速必须全部依赖主轴驱动器进行控制。为保证数控机床的加工范围,使加工工艺相对集中，并达到理想的切削效果，主轴驱动器必须实现无级变速，且具有教宽的调速范围。（2） 在结构上，直流主轴电动机为全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。（3） 在冷却系统上，为了缩小体积，提高效率，主轴电动机采用了特殊法人热管冷却系统，可以将转子产生的热量迅速的向外界发散。（4） 在磁路设计上，为了使电机发热最小，煮粥电动机定子采用了独特的附加磁极，以减小损耗，提高了效率。3.5 交流主轴驱动系统在近几年，很多机床都采用交流主轴驱动系统，下面谈论一下交流主轴驱动系统与交流主轴驱动系统的一些特点：（1） 由于驱动系统采用了微处理器和现代控制理论进行控制，系统运行平稳，振动和噪音小，并且可以获得较大的调速范围和较高的低速转矩，可以较方便地与数控机床相配套。（2） 较大功率驱动系统采用了难度较大的“回馈制动”技术，在制动时，既可将电动机能量反馈回电网，起到节能的效果，又可以加快起、制动速度。（3） 驱动器具有转换器、实际转速转矩信号输出、电气主轴“定向准停”等功能，可以方便地与各类配套。- 9 -（4） 电机采用无外壳结构，定子硅钢片直接进行空气冷却，可以在浮尘、切削液飞溅的场合安全、可靠地工作。（5） 与直流电机相比，由于交流主轴电机在结构上无换向器，主轴电机通常不需要进行维修。（6） 主轴低年级转速的提高不受换向器的限制，最高转速通常比直流主轴低年级更高。（7） 主轴电机的冷却空气由前端向后流动，可以有效减少电机发热对机床精度的影响。3.6、主轴部分的电气控制原理图 1 和图 2 分别是该磨床主轴部分的主电路图和控制电路图。此电路是根据原机床的电气原理图绘制，由于原图中所有电器符号与我国的电器符号标准不一样，因此图 1 和图 2 中的各电器符号均改为符合我国标准的电器符号。图 1主轴主电路图- 10 -图 2主轴控制电路图3.6.1 主轴主电路的工作原理主轴电动机功率 4.5kW, 接法；为减小起动电流，采用 Y- 起动，用接触器 KMY 和 KM 完成起动与运行的切换。主轴电动机起动时接触器 KMY 通电，主轴电动机定子绕组为 Y 形接法，起动电流减小为直接起动电流的 1/3,一段时间后，KMY 断电，KM 通电，电动机定子绕组换接成 接法。主轴电动机能够正转和反转，从主电路中可以看出，接触器 KM1 和 KM2 用于完成主轴电动机的正反转控制。当接触器 KM1 通电接通时，主轴电动机正转；当接触器 KM2 通电接通时，主轴电动机反转 3.6.2 主轴控制电路的工作原理由于整个机床所用的电器比较多，线路比较复杂，为了安全，所有电器均采用 36V 供电，继电器用直流供电（见图 2 所示）。SA1 是主轴电动机正反转控制的转换开关，共有 3 个操作位置：位主轴正转控制；位主轴反转控制；0 位主轴停止；SA2 是主轴具有不同加工过程控制的转换开关，当触点SA2-2 和 SA2-3 闭合时，主轴单独转动； KT1 是控制主轴起动的时间继电器。合上总电源开关，电源向变压器供电，时间继电器 KT1 通电，其延时断开动合触点 KT1 瞬时闭合，延时闭合动断触点 KT1 瞬时断开，接触器 KMY 通电，主轴电动机为 Y 形接法准备起动。如果要求主轴电动机单独反向旋转，可把转换开关 SA1 置位，接触器KM2 通电，主轴电动机开始 Y 形接法起动经延时自动切换成 形接法运行，其过程与上述主轴正转过程一样，把转换开关 SA1 置 0 位，接触器 KM1 或 KM2 断电释放，主轴电动机停止。- 11 -4 结 论1、通过上面两种主轴驱动系统的比较，交流主轴电动机在工作环境，冷却系统和调速范围上都优于直流主轴驱动系统，故根据在这些方面的优势本设计的主轴驱动系统采用交流主轴驱动系统其选用的交流主轴电机的参数如下：主轴型号 连续输出功率 分钟额定输出功率基本速度 变速范围5.5 5.5 7.5 r/minr/min5.5kW 车床，电动机参数：额定功率：5.5kW， 额定频率：50Hz, 额定电压：380V， 额定电流：11A，额定转速：1440r/min 机械传动比：1：1.5加工材料：45#钢2、采用图 1 所示主轴主电路；采用图 2 所示主轴控制电路图。图 1主轴主电路图 图 2主轴控制电路图- 12 -5 参考文献1 杨建东,田春林 .高速研磨技术M.北京:国防工业出版社,2003.2 沙 琳,王永良,张登霞.一种新型曲面研磨机的研制与实验J. 机械设计,2007,24(1):57-59.3 王凤岐.现代设计方法及其应用M.第 2 版.天津:天津大学出版社,2009.4 鲁绪芝,赖惠芬.基于现代设计方法学的机械创新设计研究J. 现代制造工程,2007(7):111-113.5 关彦波.湿式循环平面研磨机J.阀门,1995(2):26-27.6 郭隐彪,张 翊,庄司克雄.研磨轮结构参数对工件加工精度的影响J. 中国机械工程,2002(10):1 724-1 726.7 郭隐彪,黄元庆,梁锡昌.超精密研磨砂轮结构的优化设计J. 重庆大学学报,2002,25(2):8-10.8 顾 坚,李正兴,赵永武,等.单头单面旋转式化学机械抛光机的运动机理研究J.煤矿机械,2006,27(8):39-41.9 吴宏基,曹利新,刘 健,等.行星式曲面研磨机研抛过程运动轨迹分析J. 大连理工大学学报,2002,42(4):451-454.10李奉生.基于 Pro/T