毕业设计论文数控机床主轴与变频器电机控制.docx
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毕业设计论文数控机床主轴与变频器电机控制
湖南师范大学
高等教育自学考试本科生毕业论文
数控机床主轴与变频器电机控制
学生姓名：
年级专业：
2008级数控
指导老师及职称：
学院：
工学院
湖南·长沙
提交日期：
2010年05月
湖南师范大学高等教育自学考试本科生毕业论文
诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
毕业论文作者签名：
年月日
摘要………………………………………………………………………………………1
关键词……………………………………………………………………………………1
1数控机床简介…………………………………………………………………………2
1.1数控机床主轴结构…………………………………………………………………2
1.2数控机床主轴传动形式……………………………………………………………2
1.3数控机床主轴驱动方式……………………………………………………………2
1.4数控机床电器控制系统的组成……………………………………………………3
2数控机床主轴系统…………………………………………………………………3
2.1数控机床主轴驱动系统分类………………………………………………………3
2.2数控机床的主轴性能………………………………………………………………3
2.3主轴伺服系统的故障及诊断………………………………………………………4
2.4数控机床为何能加工高精度工件…………………………………………………4
2.5电主轴………………………………………………………………………………5
3变频器矢量控制介绍…………………………………………………………………6
4数控车床主轴变频控制的系统结构与运行模式……………………………………6
4.1主轴变频控制的基本原理…………………………………………………………6
4.2主轴变频控制的系统构成…………………………………………………………7
5无速度传感器的矢量控制变频器……………………………………………………8
5.1主轴变频器的基本选型……………………………………………………………8
5.2无速度传感器的矢量变频器………………………………………………………9
5.3矢量控制中的电机参数辨识………………………………………………………9
5.4数控车床主轴变频矢量控制的功能设置………………………………………10
6结论…………………………………………………………………………………10
参考文献……………………………………………………………………………11
致谢……………………………………………………………………………………11
数控机床主轴与变频器电机控制
学生:
陈泽勇
指导老师：
周志冰
（湖南师范大学工学院，长沙410128）
摘要：
本次论文论述是数控机床主轴与变频器电机控制问题。
随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。
数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。
数控机床在当今机械制造业中占据重要地位和巨大效益，它显示了一个国家基础工业的现代化，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。
数控机床数控技术的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。
数控机床是现代加工车间最常用最重要的加工设备.而主轴是机床的核心部件,主轴电机的控制对机床的精度和稳定性也起着决定性作用。
要得到达精度合格产品，首先我们应有相应加工精度的数控机床，这样我们才能对其进行工艺加工，顺利的加工出符合要求或规格的成品。
所以，在此我介绍数控机床主轴与变频器电机控制，对数控机床主轴与变频器电机控制进行论述。
通过对数控机床与变频器电机控制方面知识的学习和资料的查找，在本论文介绍了采用数控车床的主轴运动和主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并简述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用原理。
关键词：
主轴; 变频; 矢量控制
数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。
随着机电一体化技术的推广，其典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。
其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，是数控机床完成切削任务的核心部件，其精度和承载能力直接影响到零件的精度和质量。
而动力约占整台车床的动力的70%—80%。
动力的基本控制有主轴的正转、反
转和停止，可自动换档和无级调速。
在目前数控车床中，主轴控制装置主要是采用交流变频器来控制交流主轴电动机
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来实现。
为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须具有以下几个性能:
（1）要有较宽调速范围，且速度稳定性能要高;
（2）在断续负载下情况下，电机的转速波动范围要小;（3）电机加减速响应时间要短;（4）过载能力强;（5）使用噪声低、震动小、寿命长。
此论文介绍了数控机床主轴及变频器电机控制，通过对数控机床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本原理和应用，是数控技术、数控机床的进一步剖析。
1数控机床主轴简介
1.1数控机床主轴结构
数控机床主轴是机床的核心部件。
主轴的精度和承载能力直接影响机床的工作，其对加工零件的质量精度起主导作用。
数控机床主轴的一般组成：
主轴电机、传动皮带,皮带轮,齿轮箱、主轴心轴（连鼻端）、主轴轴承、拉刀,松刀机构（加工中心）和加工中心的主轴配重（有配重块或刹车马达,油压配重等）。
主轴传动是将主轴电机的旋转运动变为主轴心轴的旋转运动,并通过连接带动刀具和工件进行旋转,实现切削运动.
1.2数控机床主轴传动形式
数控机床主轴传动形式主要有四种：
一、带有变速齿轮的主传动
大、中型数控机床采用这种变速方式。
通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求
二、通过带传动的主传动
主要应用于转速较高、变速范围不大的机床。
电动机本身的调速就能满足要求，可以避免齿轮传动引起的振动与噪音
三、用两个电机分别驱动主轴
上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴
四、内装电动机主轴传动结构
大大简化主轴箱体与主轴的结构，有效提高主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大
1.3数控机床的主轴驱动方式
数控机床的主轴驱动方式:
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1.步进电机调速方法：
调脉冲；
2.直流电机调速方法：
调枢电阻、调枢电压、调磁通均可；
3.交流电机调速方法：
调频率
1.4数控机床电气控制系统组成
数控机床电气控制系统由：
数控系统、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动系统、主轴驱动系统四部分组成。
2数控机床主轴系统
2.1数控机床主轴驱动系统分类
数控机床所用的进给伺服系统和主轴伺服系统按其所用的电动机来分，分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。
从20世纪70～80年代用得较多的是直流伺服系统。
而在直流伺服系统中又分晶闸管整流方式（以下简称为SCR速度控制系统）和晶体管脉宽调制方式（以下简称为PWM速度控制系统）两种。
直流驱动系统在70年代初至80年代中期在数控机床上占据主导地位，这是由于直流电动机具有良好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度高，控制原理简单，易于调整。
随着微电子技术的迅速发展80年代初期推出了交流驱动系统，由于交流驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机无须维护，便于制造，不受恶劣环境影响，所以目前直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。
初期是采用模拟式交流伺服系统，而现在伺服系统的主流是数字式交流伺服系统。
交流伺服驱动系统走向数字化，驱动系统中的电流环、速度环的反馈控制已全部数字化，系统的控制模型和动态补偿均由高速微处理器实时处理，增强了系统自诊断能力，提高了系统的快速性和精度。
2.2数控机床的主轴性能
数控机床的主轴性能是在很宽范围内转速连续可调，恒功率范围宽。
当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功能时，则需要对主轴进行进给控制和位置控制。
此时，主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统，主轴电动机装配有编码器或者在主轴上安装外置式的编码器，作为主轴位置检测。
主流的普通数控机床一般采用变频器加变频电机调速。
数控机床是机床行业的发展主流，主电机使用的是数控用主轴电机，西门子或法兰克的电机就有用到，电机本身就有速度检测功能，为了使工作转速准确一般可通过旋转编码器或角度编码器实现
速度的闭环控制。
主轴驱动变速目前主要有两种形式：
一是主轴电动机带齿轮换挡，目的在于降低
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主轴转速，增大传动比，以适应切削的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带或v带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。
由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成为主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。
2.3主轴伺服系统的故障及诊断
主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：
一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障，三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。
主轴伺服系统常见故障如下。
（1）外界干扰
于受到电磁干扰，屏蔽和接地措施不良的影响，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。
判别有无干扰的方法是：
当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。
（2）过载
削用量过大，或频繁地正、反转变速等均可引起过载报警。
具体表现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。
2.4数控机床为何能加工高精度工件
这个恐怕要和数控机床的主轴控制器联系起来了.一般的普通机床也能加工高精密工件.只是由于数控机床的普及话,各大公司也不愿意在快淘汰的机床上花心思去提高精度.
数控机床是电脑控制，加上有较好的刀具和各样伺服电机等！
伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
伺服电机是加有反馈的闭环控制的电机，电机是鼠笼的，也许定子、转子形状不同有好几种类型。
但同步电机是没有反馈的开环电机。
同步电机的转子是永磁的。
普通三相交流电机转子是鼠笼的没有磁性。
这就是区别。
两者不是一个概念。
伺服电机可以是普通电机+编码器+伺服驱动器。
靠伺服驱动器控制消除电机的滑差。
所以无论有没有负载都很准确的达到所要的转速或位置。
同步电机在空载下可能同步，但负载
超过一定量的时候就不能同步了。
伺服电机一般为永磁式同步电动机，驱动数控机床上的X/Y/Z轴台面，电机电机
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后带绝对编码器或增量编码器作为位置反馈。
一般不使用鼠笼异步电动机。
2.5电主轴
一、电主轴
电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。
电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：
电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。
二、电主轴所融合的技术：
1.高速轴承技术：
电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限；
2.高速电机技术：
主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。
关键技术是高速度下的动平衡；
3.润滑：
电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。
所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。
所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。
而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。
油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
4.冷却装置：
为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。
5.脉冲编码器：
为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。
6.自动换刀装置：
为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；
高速刀具的装卡方式：
广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。
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这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。
7.高频变频装置：
要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。
3变频器矢量控制介绍
70年代西门子工程师首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。
矢量控制实现的基本原理：
是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。
矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。
这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。
矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。
目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。
4数控车床主轴变频控制的系统结构与运行模式
4.1主轴变频控制的基本原理
由异步电机理论可得出，主轴电机的转速公式为:
n=（60f/p）×（1-s）
其中P—电动机的极对数，s—转差率，f—供电电源的频率，n—电动机的转速。
由上
式可看出，对电机的调速可以通过改变磁极对数p或转差率s来实现，或采用变频调
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速。
其中改变转差率只适合于异步电动机。
变频调速是交流伺服电动机应用最多的调速方法，它通过平滑改变电源频率来实现转速平滑变化。
变频器的功能是将50HZ的交流电变换成频率连续可调的（0~400HZ）交流电，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。
它是永磁同步型交流伺服电动机调速的关键部件。
当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定。
图2-1变频器在数控床上的应用
图2-1所示为变频器在数控车床的应用，其中变频器与数控装置的联系通常包括:
（1）数控装置到变频器的正反转信号;
（2）数控装置到变频器的速度或频率信号;（3）变频器到数控装置的故障等状态信号。
因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。
4.2主轴变频控制的系统构成
不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。
如果被加工件如图2-2所示所示形状，则由图2-2中看出，对应于工件的AB段，主轴速度维持在1000rpm，对应于BC段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变化的，从而实现高精度切削。
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图2-2主轴变频器系统构成示意
在此系统中，速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道（电压或电流），通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。
该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。
5无速度传感器的矢量控制变频器
5.1主轴变频器的基本选型
目前较为简单的一类变频器是V/F控制（简称标量控制），它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性V/F控制（用于恒转矩）和平方V/F控制（用于风机水泵变转矩）。
标量控制的缺点在于低频转矩不够（需要转矩提升）、速度稳定性不好（调速范围1:
10），因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。
所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。
矢量控制相对于标量控制来说，其优点有:
（1）控制特性非常优良，可以和直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;
（2）能适应要求高速响应的场合;（3）调速范围大（1:
100）;（4）可进行转矩控制。
但是相对于标量控制来说，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。
矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在
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于后者具有更高的速度控制精度（万分之五），而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以在此推荐并详细介绍无速度传感器的矢量变频器。
5.2无速度传感器的矢量变频器
无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的特点，它们都具有以下特点:
（1）电机参数自动辩识和手动输入相结合;
（2）抗过载能力强，如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;（3）低频高输出转矩，如150%额定转矩/1HZ;（4）设备各种保护齐全（通俗地讲，就是不容易炸模块）。
无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性，而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。
图3-1所示，为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据（电机为5.5kW/4极）。
从图中可知，其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。
在实验中，我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段（如30Hz或50Hz）相同。
图3-1无传感器矢量变频器的转矩特性
5.3矢量控制中的电机参数辨识
由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。
从图3-2的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1（定子电阻）、X11（定子漏感抗）、R2（转子电阻）、X21（转子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空载电流）。
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参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。
图3-2异步电动机稳定态等效电路
在参数辨识中，必须注意:
（1）若旋转辨识中出现过流或过压故障，可适当增减加减速时间;
（2）旋转辨识只能在空载中进行;（3）如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。
5.4数控车床主轴变频矢量控制的功能设置
从图2-1中可以看出，使用在主轴中变频器的功能设置分以下几部分:
1矢量控制方式的设定和电机参数;
2开关量数字输入和输出;
3模拟量输入特性曲线;
4SR速度闭环参数设定。
6结论
本论文对数控车床的主轴与变频器电机控制进行了论述。
通过对主轴的分析和讲解，可以充分了解主轴，并更好的设计和使用主轴;使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制电机后，其优点有:
（1）控制特性非常优良，可以和直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;
（2）能适应要求高速响应的场合;（3）调速范围大（1:
100）;（4）可进行转矩控制。
大幅度降低维护费用，甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。
它们都具有以下特点:
（1）电机参数自动辩识和手动输入相结合;
（2）抗过载能力强，如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;（3）低频高输出转矩，如150%额定转矩/1HZ;（4）
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设备各种保护齐全（通俗地讲，就是不容易炸模块）。
参考文献
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机械工业出版社，2002.
致谢
随之毕业论文的收尾，我的大学读书生活在此季节将划上一个句号，对于我的人生而言却只是一个逗号，我将挑战又一次的征程生活。
在家人、老师和朋友的大力支持下，走得艰辛却也收获满囊，在此论文即将收笔之际，思绪万千，心情久久而不得平静。
名人和伟人为我所崇拜，但我更急切地是要把我的敬意和赞美献给一位很平凡的人—我的老师。
我不是您最出色的学生，但您却是我最尊敬的老师。
您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野开阔，为我树造了一种良好的精神氛围。
授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了伟大的学术目标，领悟了基本的思考方式，从论文题目到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,让我“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”之感。
在此还要感谢我的爸爸和妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远的健康和快乐是我最大的心愿。
在论文即将收笔之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的老师、学长、同学和朋友给了我知识的参考，思维的点拔，在这此请接受我最真诚谢意！
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同时也感谢学院图书馆为我提供了良好的做毕业论文的环境。
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