曲面磁力研磨機

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1、 航空制造工程學院 創(chuàng)新能力綜合訓練 研 究 報 告 題 目： 曲面磁力研磨機設(shè)計 所屬課題： 主運動控制 學 院： 航空制造工程學院 專業(yè)名稱：機械設(shè)計制造及其自動化 班級學號： 學生姓名： 合作者： 指導教師： 二 O 一二年 十二月 - 1 -

2、 曲面磁力研磨機的主運動控制 研究 學生姓名：余興華 班級： 09031924 指導老師 ：柴京富 摘要：采用了內(nèi)裝式同軸電機主軸， 研究了主軸電機的性能和對曲面研磨機床 的影響和工作情況，以及主軸電動機控制電路，表明了電主軸有良好的可控性 和簡單緊湊的結(jié)構(gòu)等，以其優(yōu)異的性能，高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍，高精度，有助 于曲面磁力研磨的精度。 關(guān)鍵詞 : 電機主軸 性能 曲面研磨機床 控制電路

3、 主要創(chuàng)新點 本方法的主要創(chuàng)新點是： 1. 主軸低年級轉(zhuǎn)速的提高不受換向器的限制。 2. 采用了微處理器和現(xiàn)代控制理論進行控制， 系統(tǒng)運行平穩(wěn)， 振動和噪音 - 2 - 小，并且可以獲得較大的調(diào)速范圍和較高的低速轉(zhuǎn)。。 3. 能實現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)。 目 錄 1 引言 ???????

4、???????????? ? 2 2 研究方法 ??????????????????? .. 2 2.1 機床的結(jié)構(gòu) ????????????????? . ? 2 2.2 自由曲面磁粒光整加工原理 ??????????? 3 3 機床主軸電動機的選擇和主軸驅(qū)動系統(tǒng)分析???? 4 3.1 機床主軸電機的基本要求 ????????????? 4 3.2 主軸電機的使用要求 ??????????????? 4 3.3 主軸電機的工藝性經(jīng)濟性要求 ???????????? 4 3.4 直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)得特點 ???????

5、?????? 5 3.5 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng) ???????????????? 5 3.6 主軸部分的電氣控制原理 ????????????? 6 4 結(jié) 論 ???????????????????? 8 5 參考文獻 ........................................ 9 - 3 - 1 引言 機床主軸系統(tǒng)采用內(nèi)裝式同軸電機主軸將會是高速

6、機床的發(fā)展趨勢 。電主軸以其優(yōu)異的性能，高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍，高精度。良好的可控性和簡單緊 湊的結(jié)構(gòu)等，已為越來越多的機床所選用。機械式主軸變速系統(tǒng)將逐步被前景看好的電主軸所取代。而電主軸的核心是伺服電機，選用何種電機將關(guān)系到電主軸的控制精度、調(diào)速范圍和制造經(jīng)濟性等多方面的性能好壞，只有權(quán)衡各類 電機不同的優(yōu)缺點滿足基本的功能要求，才能選定最適合作機床主軸的電機 .。 2 研究方法 2.1 機床的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

7、 - 4 - 圖 1 所示是數(shù)字化磁性磨粒光整加工機床示意圖。機床的工作行程 600mmX800mmX600mm, 主軸轉(zhuǎn)速。一 300or/min,磁極的磁感應強度。 ~1.ST,3 個坐標方向的移動速度。一 6m/min。該機床的數(shù)控系統(tǒng)除了具有普通三坐標數(shù) 控銑床控制系統(tǒng)

8、的功能 ( 如三坐標聯(lián)動、點動、手動、自動等 )外 ,還具有曲面的 示教方式三坐標數(shù)字化測量功能、曲面加工軌跡的自動編程功能及磁性磨料的 自動更換功能等。 2.2 自由曲面磁粒光整加工原理 在強磁場作用下 ,填充在磁場中的磁性磨料將沿著磁力線的方向排列起來 ,吸附 在磁極上形成“軟磨料刷” ,并對工件表面產(chǎn)生一定的壓力。 “軟磨料刷”與工 件之間產(chǎn)生快速相對運動 ,實現(xiàn)對工件表面的光整加工 ,如圖 2 所示。 - 5 -

9、 磁場作用力的大小與磁性磨粒的導磁性、磁場強 度和磁場梯度有關(guān)。 如圖 3 所示。磁作用力 F 使得磁性磨粒向著磁力線集中的部位聚集 ,在磁極高速旋轉(zhuǎn)時能夠防止磁性磨粒因離心力的作用而飛散。 3 機床主軸電動機的選擇和 主軸驅(qū)動系統(tǒng)分析 3.1 機

10、床主軸電機的基本要求 作為機床主軸，除了作高速回轉(zhuǎn)外，還要承受徑向、軸向、切向切削力，主軸在彎曲、扭轉(zhuǎn)的交變載荷下，按照要求進行起動、增速、減速和停車等。 因此主軸電機應比一般用途電機的制造精度， 控制精度，使用條件等要求更高。 - 6 - 對主軸電機主要有以下幾個方面的要求： 3.2 主軸電機的使用要求 與一般用途電機一樣，主軸電機要滿足驅(qū)動的基本要求，即：電機的輸出功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等應與機械負載相匹配。另外還要考慮使用環(huán)境，應用場合、工作制和使用電源，如電壓、電流、頻率等。 主軸電機的控制要求機床主軸的運動是機床傳動系統(tǒng)

11、的主運動。主軸經(jīng)常處于起動、加速、切削、制動、停車這種循環(huán)中，因此對主軸電機的控制應滿足機床主軸運動的一切需要。對主軸電機的控制有穩(wěn)態(tài)控制和動態(tài)控制兩種要求，考核電機穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)指標有電機的額定值、調(diào)速范圍、靜差率、平滑性等；考核電機動態(tài)控制技術(shù)指標有對控制信號的跟隨特性、抗干擾性等?？傊?，機 床主軸電機對其的控制要求是恒速運動時要平穩(wěn)、 轉(zhuǎn)速波動小、 抗干擾能力強；調(diào)速范圍寬，并連續(xù)可調(diào)；電機起動、制動安全可靠；電機控制系統(tǒng)可靠性高，工作壽命長。 3.3 主軸電機的工藝性經(jīng)濟性要求 機床主軸電機與一般電機相比，結(jié)構(gòu)上要復雜許多，制造精度要求更高， 控制系統(tǒng)更完善。為適

12、應市場經(jīng)濟需要， 主軸電機的制造必須具備： 主軸及電機的 "制造工藝性要好； 主軸電機的裝配、調(diào)試、維護性能要好； 主軸電機應具有效率高、壽命長、體積小重量輕，可控制性好。 機床的主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)有很大的差別。根據(jù)機床主傳動的工作特點，早期的機床主軸傳動全部采用三相異步電動機加上多級變速箱的結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，機床結(jié)構(gòu)有了很大的改進，從而對主軸系統(tǒng)提出了新的要求， 而且因用途而異。在數(shù)控機床中，數(shù)控車床占 42％，數(shù)控鉆鏜銑床占 33％，數(shù) 控磨床、沖床占 23％，其他只占 2％。為了滿足量大面廣的前兩類數(shù)控機床的 需要，對主軸傳動提出了下述要求： 主傳動電動

13、機應有 2.2 ～250kW的功率范圍； 要有大的無級調(diào)速范圍，如能在 1：100～1000 范圍內(nèi)進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和 1：10 的恒功率調(diào)速；要求主傳動有四象限的驅(qū)動能力；為了滿足螺紋車削，要求主 軸能與進給實行同步控制等等。 主軸傳動和進給傳動一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動。交流伺服電動機有永磁式同步電動機和籠型異步電動機兩種結(jié)構(gòu)形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動機的結(jié)構(gòu)形式。而交流主軸電動機的情況則不同，交流主軸電動機均采用異步電動機的結(jié)構(gòu)形式，這是因為，一方面受永磁體的限制，當電動機容量做得很大時，電動機成本會很高，對數(shù)控機床來講無法接受采用

14、；另一方面，數(shù)控機床的主軸傳動系統(tǒng)不必像進給伺服系統(tǒng)那樣要求如此高的性能，采用成本低的異步電動機進行矢量閉環(huán)控制，完全可滿足數(shù)控機床主軸的要求。 但對交流主軸電動機性能要求又與普通異步電動機不同，要求交流主軸電動機的輸出特性曲線（輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系）是在基本速度以下時為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上時為恒功率區(qū)域。 - 7 - 3.4 直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)得特點 在數(shù)控機床高速 , 高效 , 高精度的控制要求 , 使得 FANUC直流主軸驅(qū)動與通常的速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比有以下特點 : （ 1） 調(diào)速范圍寬 , 采用 FANU

15、C主軸驅(qū)動的數(shù)控機床 , 在機械結(jié)構(gòu)方面，小型機床通常采用電機與主軸直接或皮帶變速的結(jié)構(gòu)形式、中、大型機床通常只設(shè) 置高 , 低速兩級簡單的機械變速機構(gòu)， 因此，主軸電動機的調(diào)速必須全部依賴主軸驅(qū)動器進行控制。 為保證數(shù)控機床的加工范圍 , 使加工工藝相對集中， 并達到理想的切削效果，主軸驅(qū)動器必須實現(xiàn)無級變速，且具有教寬的調(diào)速范圍。 （ 2） 在結(jié)構(gòu)上，ＦＡＮＵＣ直流主軸電動機為全封閉的結(jié)構(gòu)形式， 可以在有塵埃和切削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。 （ 3） 在冷卻系統(tǒng)上， 為了縮小體積，提高效率，ＦＡＮＵＣ主軸電動機采用了特殊法人熱管冷卻系統(tǒng)，可以將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量迅速的向外界發(fā)散

16、。 （ 4） 在磁路設(shè)計上， 為了使電機發(fā)熱最小， ＦＡＮＵＣ煮粥電動機定子采用了獨特的附加磁極，以減小損耗，提高了效率。 3.5 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 在近幾年，很多機床都采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)， 下面談?wù)撘幌陆涣髦鬏S驅(qū)動系統(tǒng)與交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的一些特點： （ 1） 由于驅(qū)動系統(tǒng)采用了微處理器和現(xiàn)代控制理論進行控制，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，振動和噪音小，并且可以獲得較大的調(diào)速范圍和較高的低速轉(zhuǎn)矩，可以較方便地與數(shù)控機床相配套。 （ 2） 較大功率驅(qū)動系統(tǒng)采用了難度較大的“回饋制動”技術(shù)，在制動時，既可將電動機能量反饋回電網(wǎng)，起到節(jié)能的效果，又可以加快起、制動速度。

17、 （ 3） 驅(qū)動器具有Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器、 實際轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩信號輸出、 電氣主軸 “定向準?！钡裙δ?，可以方便地與各類ＣＮＣ配套。 （ 4） 電機采用無外殼結(jié)構(gòu)， 定子硅鋼片直接進行空氣冷卻， 可以在浮塵、 切削液飛濺的場合安全、可靠地工作。 （ 5） 與直流電機相比， 由于交流主軸電機在結(jié)構(gòu)上無換向器， 主軸電機通常不需要進行維修。 （ 6） 主軸低年級轉(zhuǎn)速的提高不受換向器的限制， 最高轉(zhuǎn)速通常比直流主軸低年級更高。 （ 7） 主軸電機的冷卻空氣由前端向后流動， 可以有效減少電機發(fā)熱對機床精 - 8 - 度的影響。

18、 3.6 、主軸部分的電氣控制原理 圖 1 和圖 2 分別是該磨床主軸部分的主電路圖和控制電路圖。此電路是根據(jù)原機床的電氣原理圖繪制，由于原圖中所有電器符號與我國的電器符號標準不一樣，因此圖 1 和圖 2 中的各電器符號均改為符合我國標準的電器符號。 圖 1 主軸主電路圖 圖 2 主軸控制電

19、路圖 主軸主電路的工作原理 主軸電動機功率 4.5kW, 接法；為減小起動電流，采用 Y- 起動，用接觸器 KMY和 KM 完成起動與運行的切換。主軸電動機起動時接觸器 KMY通電，主軸電動機定子繞組為 Y 形接法，起動電流減小為直接起動電流的 1/3, 一段時 - 9 - 間后， KMY斷電， KM 通電，電動機定子繞組換接成 接法。 KM1和 KM2用 主軸電動機能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從主電路中可以看出，接觸器 于完成主軸電動機的正反轉(zhuǎn)控制。 當接觸器 KM1通電接通時，主軸電動機正轉(zhuǎn)；當接觸器 KM2通電接通時，主

20、軸電動機反轉(zhuǎn) 主軸控制電路的工作原理 由于整個機床所用的電器比較多，線路比較復雜，為了安全，所有電器均 采用 36V供電，繼電器用直流供電（見圖 2 所示）。 SA1是主軸電動機正反轉(zhuǎn) 控制的轉(zhuǎn)換開關(guān)，共有 3 個操作位置：Ⅰ位—主軸正轉(zhuǎn)控制；Ⅱ位—主軸反轉(zhuǎn) 控制； 0 位—主軸停止； SA2是主軸具有不同加工過程控制的轉(zhuǎn)換開關(guān)， 當觸點 SA2-2 和 SA2-3 閉合時，主軸單獨轉(zhuǎn)動； KT1 是控制主軸起動的時間繼電器。 合上總電源開關(guān)，電源向變壓器供電，時間繼電器 KT1通電，其延時斷開 動合觸點 KT1瞬時閉合，延時閉合動斷觸

21、點 KT1瞬時斷開，接觸器 KMY通電， 主軸電動機為 Y 形接法準備起動。 如果要求主軸電動機單獨反向旋轉(zhuǎn)， 可把轉(zhuǎn)換開關(guān) SA1置Ⅱ位，接觸器 KM2 通電，主軸電動機開始 Y形接法起動經(jīng)延時自動切換成 形接法運行， 其過程 與上述主軸正轉(zhuǎn)過程一樣，把轉(zhuǎn)換開關(guān) SA1置 0 位，接觸器 KM1或 KM2斷電釋放，主軸電動機停止。 4 結(jié) 論 1、通過上面兩種主軸驅(qū)動系統(tǒng)的比較，交流主軸電動機在工作環(huán)境，冷卻系統(tǒng)和調(diào)速范圍上都優(yōu)于直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)，故根據(jù)在這些方面的優(yōu)勢本設(shè)計的主軸

22、驅(qū)動系統(tǒng)采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)． 其選用的交流主軸電機的參數(shù)如下： 主軸型號 連續(xù)輸出功率 ３０分鐘額定 基本速度 變速范圍 輸出功率 5.5 5.5 ＫＷ 7.5 ＫＷ １ ５ ０ ０ ４５～６００ r/min ０ r/min 5.5kW 車床，電動機參數(shù) ： 額定功率： 5.5kW， 額定頻率： 50Hz, 額定電壓： 380V， 額定電流： 11A， -10- 額定轉(zhuǎn)速： 1440r/min 機械傳動比： 1：1.5

23、 加工材料： 45#鋼 2、采用圖 1 所示主軸主電路；采用圖 2 所示主軸控制電路圖。 圖 1 主軸主電路圖 圖 2 主軸控制電路圖 5 參考文獻 [1] 楊建東 ,田春林 .高速研磨技術(shù) [M]. 北京 :國防工業(yè)出版社 ,2003. [2] 沙 琳,王永良,張登霞.一種新型曲面研磨機的研制與實驗[J].機械設(shè)計 ,2007,24(1):57-59. [3] 王鳳

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