電氣自動化專業(yè)畢業(yè)論文---數(shù)控立式車床主軸控制裝置設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計 (論文)</b></p><p>　　題 目 數(shù)控立式車床主軸控制裝置設計 </p><p>　　專 業(yè) 電氣自動化技術 </p><p>　　專業(yè)班級 自動化092

2、 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　成 績

3、 </p><p>　　2012年 02 月 14 日</p><p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　隨著科學的發(fā)展，機床已經(jīng)從過去的手動機床發(fā)展成自動機床，現(xiàn)在數(shù)控機床應用非常廣泛。數(shù)控立式車床是主要的數(shù)控產(chǎn)品，國內(nèi)外需求量也非常大。其高精度的關鍵部分就體現(xiàn)在主軸的控制

4、上。本設計是用德國SIEMENS公司的可編程控制器（PLC）S7-200，作為主控制器；德國SIEMENS公司的6RA7075直流調速器、 Z4直流電機組成的直流調速裝置，采用直流調速實現(xiàn)高效、準確的機床主軸控制，并給出了電氣原理圖 以及操作說明。本設計控制簡單，實現(xiàn)功能強大，調速范圍寬，力矩大，過載能力強?？梢詰糜谥匦土⑹杰嚧?，提高重型立車主軸的控制精度，進而保證其加工精度。</p><p>　　關鍵詞： 數(shù)

5、控立車；直流調速裝置；可編程控制器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of science, machine tools, manual machine tools have been developed from the past into the automatic machine

6、tools, CNC machine tools are now widely used. CNC vertical lathe CNC products are the major domestic and foreign demand is also very large. A key part of its precision is reflected in the control of the spindle.This desi

7、gn is the German company SIEMENS PLC S7-200, as the main controller; German company SIEMENS 6RA7075 DC converter, Z4 DC motor comprising DC converter</p><p>　　Keywords: CNC Vertical Lathe; DC converter; Pro

8、grammable Controller</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅰ</b></p><p>　　AbstractⅡ</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><

9、b>　　1 課題背景1</b></p><p>　　2數(shù)控立車主軸控制裝置的發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　3 課題研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　第二章 數(shù)控立車主軸控制裝置硬件設計3</p><p>　　2.1 方案選擇3</p><p>　　1 方案二 交流調速2</p&

10、gt;<p>　　2 方案二 直流調速4</p><p>　　2.2 方案選擇5</p><p>　　2.3 可編程序控制器接口設計5</p><p>　　1 可編程控制器的選擇5</p><p>　　2 可編程控制器接口電路的設計及其功能6</p><p>　　2.4 數(shù)控立車主軸速度控制裝置

11、設計8</p><p>　　1 主軸電機的選擇8</p><p>　　2 數(shù)控立車主軸控制裝置設計9</p><p><b>　　2.5速度環(huán)12</b></p><p>　　2.6急停按鈕的設計13</p><p>　　2.7 直流調速裝置的參數(shù)設定14</p><

12、;p>　　1 簡易操作控制面板（PUM）14</p><p>　　2 舒適性操作控制面板（OP1S）15</p><p>　　第三章數(shù)控立車主軸控制軟件設計18</p><p>　　1 程序流程圖18</p><p><b>　　2 程序19</b></p><p>　　第四章主軸

13、操作說明21</p><p>　　1 主軸啟動前準備工作21</p><p>　　2 主軸操作說明21</p><p>　　3 元器件目錄23</p><p><b>　　結論24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p>&

14、lt;p><b>　　致謝26</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1 課題背景</b></p><p>　　數(shù)控技術被廣泛用于世界各國制造業(yè)，以提高制造能力和生產(chǎn)水平，提高對動態(tài)多變市場的競爭力和適應力。數(shù)控機床的技術水平高低及其在金屬切削加

15、工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比，是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數(shù)控立車是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視，并得到了迅速的發(fā)展。主軸控制是數(shù)控立車構成中一個重要的部分，對于提高加工效率，擴大加工材料范圍，提升加工質量有著重要的作用。</p><p>　　機床主軸控制從手動控制發(fā)展到自動控制，從簡單的控制設備發(fā)展到復雜的控制系統(tǒng)，

16、從有觸點的繼電－接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展到以計算機為核心的軟件控制系統(tǒng)，機床主軸控制技術是隨著元器件的不斷更新和計算機技術的發(fā)展，并且綜合應用了計算機、自動控制、電子技術、精密測量等先進科技成果而迅速發(fā)展起來的。 </p><p>　　2數(shù)控立車主軸控制裝置的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　數(shù)控機床的主軸控制裝置主要是由控制系統(tǒng)和調速裝置這兩大部分組成。數(shù)控機床是制造裝備的裝備，被稱為“工作母機”

17、；數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的“大腦”，是數(shù)控機床的核心,機床的各種功能都由數(shù)控系統(tǒng)來控制實現(xiàn)。</p><p>　　隨著計算機技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了本質性的變革，所有工業(yè)發(fā)達國家都投入巨資，對現(xiàn)代制造技術進行研究、開發(fā)，并提出了新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，關鍵技術是數(shù)控技術，它將計算機、微電子、自動檢測、信息處理、自動控制等高新技術集成于一體，具有高效率、高精度、柔性自動化等特點。對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化

18、、智能化、集成化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術正在發(fā)生重大性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超小型化、超薄型；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制等多學科技術，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高精、高效、高速控制，加工過程中可以自動修正、調節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理。</p><p>　　近幾年來，電力電子技術、大

19、規(guī)模集成電路和計算機技術的飛速發(fā)展，為交流調速技術的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件,使交流電動機調速和控制提高到了一個新的水平。并且國內(nèi)外都十分重視開發(fā)研究交流電動機的調速技術。大功率交流傳動控制方面的研究，得到突飛猛進的發(fā)展。近來來，國際上又推出諧振式逆變器，使開關元件在零電流或零電壓時導通或者關斷，降低開頭損耗，減小回路體積。這種電源最大已達到100KW。</p><p>　　由于直流調速具有優(yōu)越性的可控性能,及高性能調

20、速特性,因此其廣泛地應用于機床主軸，尤其在大型、重型機床主軸的拖動。直流調速具有調速平滑,方便,易于在大范圍內(nèi)平滑調速,過載能力大,能受頻繁的沖擊負載,可實現(xiàn)頻繁無級快速起制動和反轉。能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求。所以,直流調速系統(tǒng)至今仍被廣泛用于自動控制要求較高的各種生產(chǎn)部門,是調速系統(tǒng)的主要形式。</p><p>　　3 課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課

21、題要求設計數(shù)控立車主軸控制裝置，來實現(xiàn)主軸速度的精確控制。主軸控制設有手動和自動（程序實現(xiàn)）兩種控制方式。手動操作設有主軸正反轉的啟動、停止、點動、長動。并設有急停按鈕。主軸的轉速控制，采用直流調速裝置與PLC相配合。在600—3000r/min范圍內(nèi)連續(xù)可調。繪出了控制電源原理圖，調速裝置連接原理圖，可編程控制器接口原理圖，操作面板接線圖等。</p><p>　　第二章 數(shù)控立車主軸控制裝置硬件設計</p

22、><p>　　數(shù)控立車的主軸控制中，主要是主軸電機速度的控制方式，控制電機速度的變化有多的方式，下面說明兩種常用的調速方案，并將其進行對比，則其優(yōu)，作為本次設計的調速方案。</p><p><b>　　2.1 方案選擇</b></p><p>　　1 方案二 交流調速</p><p>　　交流電動機變壓變頻調速系統(tǒng)中所配備的

23、靜止式變壓變頻主要由主電路和控制回路兩部分組成。對于異步電動機來說目前工業(yè)生產(chǎn)中所使用的變頻器可分為交—直—交電壓源型SPWM變頻器和交—直—交電流源型SPWM變頻器兩種，而工業(yè)中應用最多、最廣泛的變頻器是交—直—交電壓源型SPWM變頻器。其主電路用不可控整流、用SPWM逆變器，其輸出電壓波形接近正弦波。如圖2-1所示變頻器主電路中的中間直流環(huán)節(jié)是采用大電容濾波，。由于采用了SPWM控制，因而使其輸出電壓波形接近于正弦波型。電壓源型變

24、壓變頻調速系統(tǒng)主電路有兩個功率變換環(huán)節(jié)構成，及整流橋和逆變橋，整流橋是由二極管組成的三相橋式不可控電路。調壓與調頻通過逆變器來完成，其給定值來源于同一個給定環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖2-1 電壓源型變頻器主電路及SPWM控制框圖</p><p>　　該系統(tǒng)用SPWM控制技術實現(xiàn)變壓變頻控制，通過改變IGBT的占空比（脈沖寬度）來控制交流電壓逆變器輸出的大小，從而改變電機轉速。而輸出頻率

25、通過控制逆變橋的工作周期就可以實現(xiàn)。</p><p>　　交流調速，價格低，維護簡單，維護成本低。交流變頻調速就可以了，已經(jīng)得到迅猛的發(fā)展其應用范圍越來越廣泛。</p><p>　　2 方案二 直流調速</p><p>　　隨著計算機技術快速發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)在逐漸地取代過去的模擬控制系統(tǒng)。帶有微型計算機的全數(shù)字直流調速裝置中,在不改變硬件，或者改動很少的情況下,依

26、靠軟件支持,就可以方便地實現(xiàn)各種調節(jié)和控制功能，所以，通用全數(shù)字直流調速裝置的應用靈活性和可靠性就明顯優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)。目前，以德國SIEMENS公司的6RA70系列通用全數(shù)字直流調速裝置在中國的應用最為廣泛。直流電機的調速不需要其它設備的配合，可通過改變輸入的電壓/電流，或者勵磁電壓/電流來調速。</p><p>　　直流調速裝置采用德國SIEMENS的6RA70直流調速裝置來控制直流電機調速，而調速方式又分為

27、改變電樞端電壓調速和改變磁通調速。直流電動機采用他勵勵磁方式。</p><p>　　他勵直流電動機電路原理圖如圖2-2所示，圖中電樞回路串接附加電阻，電樞內(nèi)阻Ra，此時電樞回路總電阻.</p><p>　　圖2-2 他勵直流電動機電路原理圖</p><p>　　由圖2-2可知，直流電動機的電壓平衡方程式為</p><p><b>　

28、?。?-1）</b></p><p>　　式中U為電源電壓，單位V；R是電樞回路總電阻，單位。</p><p>　　由電壓平衡方程式和感應電動勢公式，就可以得到直流電動機的轉速特性</p><p>　　有電磁轉矩方程式帶入轉速特性方程，即得到機械特性方程式</p><p><b>　　（2-2）</b><

29、;/p><p>　　由電壓平衡方程式（2-1）可知</p><p>　　()=（U-）-= (2-3)式中Ua= U-為電樞的端電壓。當=0或=0時，Ua=U</p><p>　　由式（2-3）和電動勢公式，可得轉速公式</p><p><b>　?。?-4

30、）</b></p><p>　　根據(jù)轉速公式（2-4），改變電樞端電壓調速是保持磁通不變，改變電動機的電樞電壓U，則理想空載轉速n隨電樞電壓而變化，而機械特性斜率保持不變；改變磁通調速就是保持電樞電壓U不變，減弱磁通則理想空載轉速n隨著磁通的減弱而增加，同時機械特性的斜率也增加。 </p>

31、;<p><b>　　2.2 方案選擇</b></p><p>　　本設計是設計重型立車的主軸控制裝置，工作臺負載上限250t，主軸帶動工作臺工作，而工作臺的速度范圍大概在10~60r/min,對應電動機轉速600~3000r/min，低速大轉矩，要求高精度，速度控制精確；由于在加工時零件重量不定，需要具有一定的過負載能力。根據(jù)兩種方案的優(yōu)缺點比較，選擇第二種直流調速方案。&l

32、t;/p><p>　　本設計選用德國SIEMENS公司的6RA70直流調速裝置，可實現(xiàn)調壓電樞電壓和磁通配合調速。在額定功率以下，通過改變直流電機的電樞電壓來改變電機的速度；額定功率以上用弱磁調速；交流電源進入6RA70后整流出直流，電機電壓和勵磁電壓是分開進入6RA70，經(jīng)過整流變壓后進入直流電機和勵磁。并且6RA70內(nèi)部即可實現(xiàn)大部分數(shù)控機床所進行的操作。 直流電機調速中電樞電壓調速比較普遍，最大的優(yōu)點不

33、會像交流調速那樣產(chǎn)生逆變磁場對外圍發(fā)出干擾。直流電機能量密度大，調速容易且調速范圍寬，力矩大，過載能力非常好，機械特性硬。直流調速精度高，效率也高，節(jié)能效果也好，但是需要定期維護。</p><p>　　2.3 可編程序控制器接口設計</p><p>　　1 可編程控制器的選擇</p><p>　　現(xiàn)在的數(shù)控機床是用數(shù)控系統(tǒng)（是一個集成所有數(shù)控系統(tǒng)元件—數(shù)字控制器、可

34、編程控制器、人機操作界面，于一體的操作面板安裝形式的控制系統(tǒng)）來控制整個機床的運行的。數(shù)控系統(tǒng)中使用較普遍的有德國的SIEMENS，日本的FANUC，還有中國的華中科技。其中德國SIEMENS的數(shù)控系統(tǒng)性價比較高，并且其數(shù)控核心的可編程控制器應用也很普遍。數(shù)控系統(tǒng)SIEMENS 802D是其早期研制出的數(shù)控系統(tǒng)，應用于各種型號機床，操作簡單，功能容易實現(xiàn)。SIEMENS 802D內(nèi)部可編程控制器為SIEMENS生產(chǎn)的S7-200，由于本

35、設計只是數(shù)控立車電氣總設計的一部分所以不選用數(shù)控系統(tǒng)，而只選用其內(nèi)部可編程控制器—S7-200。</p><p>　　S7-200 PLC屬于S7-200/300/400家族中功能最精簡、I/O點數(shù)最少、擴展性能最低的PLC產(chǎn)品，可以稱為微型PLC系列產(chǎn)品。產(chǎn)品可以用于輸入/輸出點數(shù)較少的小型機械與設備的單機控制。而本設計所需輸入輸出點數(shù)并不是很多，不需要擴展，所以選用S7-200.能夠滿足本設計。新系列S7-2

36、00的性能有如下提高：</p><p>　　CPU的運算速度提高了40%；</p><p>　　增加了CPU診斷狀態(tài)指示；</p><p>　　增加了存儲器卡擴展功能；</p><p>　　增加了在線編程功能；</p><p>　　脈沖輸出指令增加了線性（斜坡）給定功能；</p><p>　　提

37、高了PID調節(jié)、參數(shù)自動整定功能；</p><p>　　增加了數(shù)據(jù)記錄功能，可以實時記錄PLC的運行狀態(tài)信息（此功能需要存儲卡的支持）；</p><p>　　S7-200.PLC包括了CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226五種規(guī)格，其中CPU221為整體式固定I/O型結構，PLC的I/O點數(shù)固定為6/4點，處理器、存儲器、電源、輸入輸出接口、通信接口都安在

38、模塊上，I/O點數(shù)不能改變，且無I/O擴展模塊接口。其余四種型號均可加擴展結構。</p><p>　　表1. S7-200PLC各種型號的電源與集成I/O規(guī)格</p><p>　　本設計所需輸入點9個，輸出點7個，所編程序不是很多，8KB足夠，所以根據(jù)表格里的數(shù)據(jù)選擇CPU224.輸入電源采用DC24V，輸出電源采用AC220V。</p><p>　　2 可編程控制

39、器接口電路的設計及其功能</p><p>　　PLC S7-200 CPU224是14入、10出。本設計輸入用9個，輸出用7個。輸入用按鈕開關作為控制信號的給定；輸出用繼電器作為控制使能，繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。當PLC輸出口閉合時，繼電器線圈兩端加上一定的電壓或電流，線

40、圈產(chǎn)生的磁通通過鐵心、銜鐵、軛鐵、磁路工作氣隙組成的磁路，在磁場的作用下，銜鐵吸向鐵心極面，從而推動觸點常閉觸點斷開，常開觸點閉合；當PLC輸出口斷開時，剛好相反動作，用這種方式控制另一個電路的關閉。</p><p>　　PLC輸入電源用的是DC24V，而一般工業(yè)用電為三相交流電AC380V，所以用SIEMENS的SITOP電源整流變壓后供應。其輸出電壓24V ，電流280mA。SITOP的供電電源為三相380V

41、交流電，輸出端24為輸出，另一端接到直流地01上，PE則接到</p><p><b>　　地線上。</b></p><p>　　圖2-3 SIEMENS的SITOP電源接線圖</p><p>　　24V電源作為PLC的輸入電源，與PLC輸入端L+相連接。PLC輸出端口供電電源為AC220V，也也才用了隔離。</p><p&g

42、t;　　按鈕SB1為起動按鈕，通過直流調速裝置電樞電壓和勵磁電壓給電，來控制直流電機的啟動；按鈕SB2，為停止按鈕，控制主軸停止運行；按鈕SB3、4作為主軸正反轉按鈕，通過改變勵磁電流的方向，控制直流電機的正轉反轉；按鈕SB 5是點動運行，點動時按照固定速度運行，此速度不可改變；按鈕SB6為手、自動切換開關，將旋鈕旋道自動操作，運行動作、速度由程序給定，將旋鈕旋到手動操作，可以進行主軸正反轉、點動、調速等等；按鈕SB 7、8為升速、降速

43、按鈕，當處于自動時，可以根據(jù)需要調節(jié)主軸速度，按下升速按鈕，主軸速度上升，按下降速按鈕，主軸速度下降。</p><p>　　圖2-4 PLC S7-200 接口圖</p><p>　　2.4 數(shù)控立車主軸速度控制裝置設計</p><p><b>　　1 主軸電機的選擇</b></p><p>　　本次設計的重型數(shù)控立車，

44、工作臺所帶動的最大重量為50t，設計采用了直流調速裝置，并選用Z4系列直流電機。</p><p>　　Z4系列直流電機比Z2、Z3系列具有更大的優(yōu)越性，它不僅可用直流機組電源供電，更適用于靜止整流電源供電。并且轉動慣量小，具有較好的動態(tài)性能，并能承受較高的負載變化率，特別適用于需要平滑調速、效率高、自動穩(wěn)速、反應靈敏的控制系統(tǒng)，具有當今國際先進水平。</p><p>　　Z4系列直流電動機

45、采用八角形全疊片結構，空間利用率高。當采用靜止整流器供電時，能承受住脈動電流和快速的負載電流變化。Z4系列直流電動機一般不帶串勵繞組，適用于需要正、反轉的自動控制技術。根據(jù)用戶需要也能制成帶串勵繞組。中心高100～280mm的電動機無補償繞組，但中心高250mm、280mm的電動機根據(jù)具體情況和需要可以制成帶補償繞組，中心高315～450mm的電動機帶有補償繞組。</p><p>　　根據(jù)需要，本設計選用Z4-2

46、50直流電機，功率75KW，電樞電流197A，額定電壓400V，勵磁電壓310V。+Z4直流電機自帶風機，而Z4后面的數(shù)字代表表示電機中心高（mm），也確定了風機的功率、風量。功率3kw，風量3000/h。</p><p>　　Z4-250 直流電機自帶測速機，所以本設計主電機測速用測速電機而不用編碼器。測速電機簡單地說就是將直流電機的動能化為電能。因為測速發(fā)電機的磁路和繞組都是經(jīng)過特殊設計的，所以其輸出電動勢E

47、和轉速n成線性關系，即E=Kn，其中K是常數(shù)。當改變電機的方向時，測速電機輸出電動勢的正負也會有相應的改變。將測速發(fā)電機和被測機構同軸聯(lián)接，只要檢測輸出電動勢的大小、方向，就可獲得被測機構的轉速、方向，所以又稱速度傳感器。</p><p>　　測速發(fā)電機的輸出電動勢具有斜率高、特性成線性、無信號區(qū)小或剩余電壓小、正轉和反轉時輸出電壓不對稱度小、對溫度敏感低等特點。</p><p>　　2

48、數(shù)控立車主軸控制裝置設計</p><p>　　數(shù)控立車主軸速度控制裝置主要是由SIEMENS公司的PLC S7-200、6RA70數(shù)字直流調速裝置和Z4直流電機組成；PLC用于使能控制，而功能實現(xiàn)則是通過6RA70控制直流電機實現(xiàn)。</p><p>　　6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器為全數(shù)字緊湊型整流器，輸入為三相交流電源，可向變速直流驅動用的電樞和勵磁供電，額

49、定的電樞電流從15至2200。緊湊型整流器可用于并聯(lián)使用，提供高電流至12000A，勵磁電路可以提供最大最大電流是85A(此電流只取決于電樞的額定電流)。</p><p>　　6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器以其節(jié)省空間的結構和緊湊排列順序為特色，由于各個的部件容易接近，它緊湊式的設計使他們更加容易維護和保養(yǎng)，電子板箱里包含了電子板和其他任何附加板。所有SIMOREG DC MASTER

50、 裝置都會配備一個簡易操作面板PMU，可以將其安裝在整流器門上的，PMU是由一個5 位，7 段顯示，有三個作為狀態(tài)顯示的LED 和三個用于調整參數(shù)的設置鍵組成。PMU 還具有根據(jù)RS232或RS485 標準同USS 接口的連接器X300。PMU提供了啟動整流器所需進行的調整和設定及測量值顯示的所有工具。電樞和勵磁的供電頻率可以不相同(在45～65Hz 范圍之內(nèi))。電樞回路的供電相序不要求。</p><p>　　根

51、據(jù)直流電機的銘牌來選擇6RA70的型號，本設計選用Z4-250直流電機，功率75KW，電樞電流197A，額定電壓400V，勵磁電壓310V。根據(jù)以上參數(shù)選擇直流調速裝置型號為6RA7075：整流器為 3AC400V 210A~600A 1Q（即電樞由一套（六個可控硅）整流裝置提供電源。這種方式只能通過改變磁場極性來改變旋轉方向）;電樞額定電壓3AC400V（+15%/~20%），勵磁額定電壓2AC400V（+15%/~20%），額定直流

52、電壓485V，額定直流電流210A，額定輸出功率102KW，勵磁額定直流電壓325V。</p><p>　　端子1U、1V、1W是電樞電源輸入；端子3U、3W是勵磁電源輸入。為了保護設備，在電樞電源和勵磁電源進入直流調速裝置千要加上熔斷器（FU1、FU3），起到過載保護的作用，而熔斷器的額定電流要比設備的額定電流至少高出1.2倍。5U1、5W1為電壓400V進線端子，進線電壓范圍380V~460V，用于電子板供電

53、。</p><p>　　圖2-5 電樞電源、電子版電源、勵磁電源接線圖</p><p>　　在大功率電力電子電路中，合閘瞬間，往往會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流（浪涌電流），浪涌電流雖然作用時間短，但峰值卻很大。開機浪涌電流往往超過正常工作電流的100倍以上。在輸入側串接電抗器（L90、L91），能有效的抑制這種浪涌電流。合閘瞬間，電抗器呈高阻態(tài)（相當于開路）。</p><p

54、>　　負荷開關是可分為高壓負荷開關和低壓負荷開關，低壓開關有自滅弧功能，但它的開斷容量很小、很有限，所以選擇的時候都用高壓負荷開關，不僅有自滅弧功能，開斷容量很大。</p><p>　　高壓負荷開關（QF91）的工作原理與斷路器相似。一般裝有簡單的滅弧裝置，但其結構比較簡單。由于負荷開關不能開斷短路電流，故常與限流式高壓熔斷器組合在一起使用，利用限流熔斷器的限流功能，不僅完成開斷電路的任務并且可顯著減輕短路

55、電流所引起的熱和電動力的作用。</p><p>　　CUD1是6RA70的電子板，上面有各種端子：端子X174中的X174.1、X174.2分別為數(shù)字地和內(nèi)部電源端，X174.4、X174.5主給定正負極，將電位器接于這次口用于調速。</p><p>　　圖2-6 電位器接線圖</p><p>　　當改變X174.2、X174.4之間的電壓時，端子X174.4和X1

56、74.5內(nèi)部連接于模擬量K11，可以利用K11進行給定的變換和處理，把最終的處理好的給定給到速度環(huán)的電壓給定，電壓給定與測速電機的反饋回來的電壓信號相比較，比較后進入比例放大。最終進入UPE來改變輸出的電樞電壓。</p><p>　　1D1、1C1用于連接直流電機，直流電機與端子之間加熔斷器，端子103、104是測速電機連接端，103是電壓輸入（8V~270V），104是模擬量地。其測出的電壓反饋回到速度環(huán)，進行

57、調速。</p><p>　　圖2-7直流電機與測速電機接線圖</p><p>　　端子X175中的14、15為模擬量電壓輸出端，X175.14為電壓端，X175.15為模擬地，兩接口接一個帶正負的電壓顯示器，此接口出來的電壓是測速機電壓，轉化成速度后，可知電機的實時速度。</p><p>　　開關量控制輸入端組X171，X171.34為內(nèi)部電源輸出端DC24V，為端

58、子X171.36、X171.37、X171.38、X171.39供電；X171.35數(shù)字地；X171.36、X171.39為可設置開關量1、2，由端子X171.36、X171.39用高低電平可組成四種狀態(tài)，由繼電器KA3、KA4的關斷控制高低電平，端子X174.36和X174.39輸出電平為0 0 ，轉速為0；電平為1 0 時為正轉；電平為0 1時為反轉；電平為1 1時正轉反轉由實際給定值決定。</p><p>

59、　　端子37為電源的合閘/分閘，高電平信號時為合閘，進線接觸器閉合，按照斜坡發(fā)生器的斜率加速至運行速度，低電平信號時為分閘，按照斜坡發(fā)生器的斜率減速0，進線接觸器斷開；端子X171.38為運行使能，高電平信號為調節(jié)器使能，低電平信號為調節(jié)器禁止。</p><p>　　圖2-8 直流調速裝置開關量接口圖</p><p>　　由于開關量端子不夠所以需要加一塊擴展電子板CUD2，在CUD2中開關

60、量端子組是X163，其中X163.44是內(nèi)部電源輸出端，X163.45是數(shù)字地；X163.40、X163.41、X163.42、X163.43為可設置輸入開關量3、4、5、6；與端子X163.42連接的繼電器KA7為點動使能，速度已經(jīng)給定，當處于手動狀態(tài)，X163.42為高電平時，主電機按給定速度運行，速度不可調，但是可以通過6RA7075操作控制面板修改速度值。</p><p>　　端子X163.40、X163

61、.41為升、降速，KA5為升速使能，當X163.40為高電平，X163.41為低電平時（二者不可同時為高），信號送至直流調速裝置，經(jīng)直流調速裝置內(nèi)部處理的信號送給電動電位計，電動電位計給出處理好的電壓信號到速度環(huán)的電壓給定，通過速度環(huán)來增大電機的電樞電壓，從而實現(xiàn)主軸的轉速上升；當X163.41為高電平，X163.40為低電平（二者不可同時為高），信號送至直流調速裝置，經(jīng)直流調速裝置內(nèi)部處理的信號送給電動電位計，電動電位計給出處理好的電

62、壓信號到速度環(huán)的電壓給定，通過速度環(huán)來減少電機的電樞電壓，從而實現(xiàn)主軸速度的下降，速度升降的多少和按下時間有關。</p><p><b>　　2.5速度環(huán)</b></p><p>　　在直流調速裝置6RA70中速度反饋可以應用測度發(fā)電機，也可以用編碼器，而本設計中選用的是測度電機。測速發(fā)電機和主軸電機同軸聯(lián)接，當主軸電機工作時，帶動測速發(fā)電機也工作，測速發(fā)電機將動能轉

63、化為電能輸出。輸出的電壓與轉速成正比關系，即 （2-5）</p><p>　　或 （2-6）</p><p>　　式中為測速發(fā)電機的輸出電壓；n為測速發(fā)電機的轉速；為測速發(fā)電機的角速度；為測速發(fā)電機轉自的轉角；、為比

64、例系數(shù)。</p><p>　　測速發(fā)電機輸出的電壓信號，作為速度環(huán)中的反饋信號與給定電壓信號相比較，比較后得到轉速偏差電壓，經(jīng)過比例放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需的控制電壓，通過UPE來改變輸出的直流電壓，從而實現(xiàn)直流電動機的調速。</p><p>　　圖2-9 帶轉速負反饋的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　在直流調速裝置內(nèi)部有一個電動電位計，

65、可以調節(jié)給定電壓值從而改變電樞電壓，改變電動機轉動速度。其調節(jié)精度，是可以調節(jié)的，內(nèi)部參數(shù)P462、P463分別是設定電動電位計斜坡上升時間和電動電位計斜坡下降時間，通過設定可以改變控制精度，時間越長，一秒內(nèi)電位計變化越小，給定電壓變化越小，速度變化越小，調節(jié)精度越高，當時間達到相當?shù)闹禃r可以達到0.1轉加減速的精度。內(nèi)部電位計用于自動工作時的升降速。</p><p>　　設計中，在6RA70的端口4、5也外加了

66、一個電位器，作為手動工作時的調速按鈕，將電壓信號傳入到6RA70內(nèi)部后，經(jīng)過處理信號送到速度環(huán)電壓給定值，來改變速度。</p><p>　　2.6急停按鈕的設計</p><p>　　在主軸運行，出現(xiàn)故障時，且主軸停止鍵失靈，使用急停按鈕，來使主軸停止運行。急停按鈕是由時間繼電器、中間繼電器、分勵脫扣器組成。</p><p>　　目前最常用的大規(guī)模集成電路型的時間繼電

67、器，它是利用阻容原理來實現(xiàn)延時動作。在交流電路中往往采用變壓器來降壓，集成電路做為核心器件，其輸出采用小型電磁繼電器，使得產(chǎn)品的性能及可靠性比早期的空氣阻尼型時間繼電器要好的多，產(chǎn)品的定時精度及可控性也提高很多。</p><p>　　分勵脫扣器是一種遠距離操縱分閘的附件。當電源電壓等于額定控制電源電壓的70%-110%之間的任一電壓時，就能可靠分斷斷路器。分勵脫扣器是短時工作制，線圈通電時間一般不能超過1S，否則

68、線圈會被燒斷。塑殼斷路器為防止線圈燒毀，在分勵脫扣器串聯(lián)一個微動開關，當分勵脫扣器通過銜鐵吸合，微動開關從常閉狀態(tài)轉換成常開，由于分勵脫扣器電源的控制線路被切斷，即使人為地按住按紐，分勵線圈始終不再通電就避免了線圈燒損情況的產(chǎn)生。當斷路器再扣合閘后，微動開關重新處于常閉位置。但萬能式DW45產(chǎn)品在出廠時要由用戶在使用時在分勵脫扣器線圈之前串聯(lián)一組常開觸頭。</p><p>　　當按下急停按鈕SB0-1時，圖2-1

69、0.a中間繼電器KA100斷開，右側回路斷開，KT100為斷開延時繼電器，延時斷開；圖2-10.b中當KT100延時斷開后，分離脫扣器M1回路也斷開，使與其連接的主空開QF100斷開，此時整個裝置斷電。</p><p>　　a b </p><p>　　圖2-10急停按鈕原理圖a

70、、b</p><p>　　2.7 直流調速裝置的參數(shù)設定</p><p>　　6RA7075參數(shù)給定是通過操作面板來給定，而所配備的操作面板又分為兩種，簡易操作控制面板（PMU “Parameterization Unit”）和舒適性操作控制面板（OP1S）。</p><p>　　1 簡易操作控制面板（PUM）</p><p>　　簡易操作控

71、制面板安裝在整流門上，他由五位七段顯示板，三個狀態(tài)指示燈已經(jīng)下面的三個參數(shù)鍵組成。PMU 還具有根據(jù)RS232或RS485 標準同USS 接口的連接器X300。</p><p>　　圖2-11簡易操作控制面板</p><p><b>　　P 鍵功能介紹</b></p><p>　　1，在變址參數(shù)方式時，完成參數(shù)值（數(shù)值方式）、參數(shù)號（參數(shù)方式）

72、和變址號（變址方式）之間的轉換。</p><p>　　2，應答有故障信息。</p><p>　　3，P鍵與上升鍵會將故障、報警信息切換到背景。</p><p>　　4，P鍵與下降鍵會將故障、報警信息在背景切換到PMU的前景顯示板上。</p><p><b>　　上升鍵功能介紹</b></p><p&g

73、t;　　在處于參數(shù)方式時，選用一個更高的參數(shù)號，當以顯示最高參數(shù)號時，再按下此鍵，將會返回到參數(shù)所處區(qū)域另一端（即最大號與最小號是相鄰）。</p><p>　　在數(shù)值方式，增加所設置參數(shù)的數(shù)值。</p><p>　　在變址方式，增加變址值（只對變址參數(shù)）。</p><p>　　與下降鍵同時作用，可加速一個調整過程。</p><p><b

74、>　　下降鍵功能介紹</b></p><p>　　在參數(shù)方式時，選擇一個更高的參數(shù)號，當以顯示最高參數(shù)號時，再按下此鍵，將會返回到參數(shù)所處區(qū)域另一端（即最大號與最小號是相鄰）。</p><p>　　在數(shù)值方式，增加所設置參數(shù)的數(shù)值。</p><p>　　在變址方式，增加變址值（只對變址參數(shù)）。</p><p>　　與下降鍵同

75、時作用，可加速一個調整過程。</p><p><b>　　LED顯示</b></p><p><b>　　Run 綠色LED</b></p><p>　　LED亮表示“轉矩方向激活”狀態(tài)（MI,MII,MO）</p><p>　　Ready 黃色LED</p><p>　　L

76、ED亮表示“準備好”狀態(tài)</p><p>　　Fauit 紅色LED</p><p>　　LED亮表示“出現(xiàn)故障”狀態(tài)</p><p>　　LED閃爍表示“出現(xiàn)報警”狀態(tài) </p><p>　　2 舒適性操作控制面板（OP1S）</p><p>　　舒適性操作控制面板（OP1S）在整流器門上有一個專用的位置，

77、這個位置提供了一個與整流器串行口SST1的連接頭。</p><p>　　如果用OP1S的上升鍵或下降鍵來調整參數(shù)號，則在基本裝置參數(shù)區(qū)域中沒有的號將被跳過，但這種跳過不能用于工藝板的參數(shù)，現(xiàn)存的參數(shù)號直接進入。</p><p>　　圖2-12 操作流程圖</p><p>　　OP1S在初始化后數(shù)秒鐘即自動轉入運行顯示，按下P鍵，即可從運行顯示轉入基本菜單顯示，在其中

78、，你可以選擇“任意存取”所有的參數(shù)或者不同的功能。</p><p>　　系統(tǒng)出場時有一些數(shù)據(jù)是默認的不需要改動，部分數(shù)據(jù)在優(yōu)化的時候可以改動，部分數(shù)據(jù)是根據(jù)電機銘牌和各種需要來改動的，按照本設計的需要對以下參數(shù)進行設定：</p><p>　　P051=21； 設置 恢復缺省值，操作后P051=40 參數(shù)可改； </p><p>　　P052=3；

79、 設置 顯示所有參數(shù)（恢復缺省值后默認就是3）； </p><p>　　P076.001=50； 設置 電樞回路額定直流電流百分比；</p><p>　　P076.002=10； 設置 勵磁回路額定直流電流百分比；</p><p>　　P078.001=380；設置 電樞回路供電電壓；</p><p>　　P078.002=380

80、；設置 勵磁回路供電電壓；</p><p>　　P83=1； 設置 速度實際值由主實際值通道（K0013）提供（端子XT.103 XT.104）；</p><p>　　P84=1； 設置 在速度閉環(huán)控制下運行；</p><p>　　P100=197； 設置 電樞額定電流（A）；</p><p>

81、　　P101=400； 設置 電樞額定電壓（V）；</p><p>　　P257=0； 設置 停機勵磁為0；</p><p>　　P303=3； 設置 斜坡上升時間；</p><p>　　P304=3； 設置 斜坡下降時間；</p><p>　　P319=0； 設置 裝置

82、使能延時時間；</p><p>　　P402=5； 設置 固定值5%；</p><p>　　P433=240； 設置 電動電位計的輸出K240 連接主給定通道P433；P436.1=402； 設置 點動值1是5%；</p><p>　　P460=1； 設置 電動電位計斜坡函數(shù)發(fā)生器 總是有效；P462=20；

83、 設置 電動電位計斜坡上升時間；</p><p>　　P463=20； 設置 電動電位計斜坡下降時間；</p><p>　　P468=80； 設置 “電動電位計上升”的給定，電動電位計的最大值 80%；P469=-80； 設置 “電動電位計下降”的給定，電動電位計的最小值 -80%；P645=600r/min；設置 正反轉初始速

84、度； </p><p>　　P671=B0010； 設置 對應端子X171.36；</p><p>　　P672=B0016； 設置 對應端子X171.39；</p><p>　　P673=B0018； 設置 對應端子X163.40，電動電位計升速；</p><p>　　P674=B0020； 設置

85、 對應端子X163.41，電動電位計降速；</p><p>　　第三章數(shù)控立車主軸控制軟件設計</p><p>　　軟件是一個系統(tǒng)的靈魂，整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來。本次軟件設計本著簡便、可靠的原則設計的。</p><p><b>　　1 程序流程圖</b></p>&l

86、t;p>　　本設計中可以通過SA1波段開關，選擇主軸工作的方式；手動，自動。自動運行時可以通過升、降速按鈕，來調整主軸運行速度。</p><p>　　圖4-1 手、自動程序流程圖</p><p>　　當波段開關SA1打到手動方式時，此時可以進行正、反轉，點動操作，在進行正反轉操作時，通過旋轉RP1可以進行升降速操作。</p><p>　　圖4-2 正/反轉、點

87、動程序流程圖</p><p><b>　　2 程序</b></p><p>　　LD I0.0//啟動</p><p><b>　　AI I0.1</b></p><p><b>　　= Q0.1</b></p><p>　　TON T37, 30

88、 //延時三秒</p><p><b>　　LD T37 </b></p><p>　　= Q0.0 </p><p>　　LD I0.5//手動</p><p><b>　　A Q0.1</b></p><p><b>　　A Q0.0</b>

89、</p><p><b>　　= Q1.0</b></p><p>　　LD I0.6//自動</p><p><b>　　A Q0.1</b></p><p><b>　　A Q0.0</b></p><p><b>　　= Q0.7&

90、lt;/b></p><p>　　LD I0.7//升速</p><p><b>　　A Q0.7</b></p><p><b>　　= Q0.4</b></p><p>　　LD I1.0//降速</p><p><b>　　A Q0.7</b

91、></p><p><b>　　= Q0.5</b></p><p>　　LD I0.2//正轉</p><p><b>　　A Q0.1</b></p><p><b>　　A Q0.0</b></p><p><b>　　= Q0

92、.2</b></p><p>　　LD I0.3//反轉</p><p><b>　　A Q0.1</b></p><p><b>　　A Q0.0</b></p><p><b>　　= Q0.3</b></p><p>　　LD I

93、0.4//點動</p><p><b>　　A Q0.1</b></p><p><b>　　= Q0.6 </b></p><p><b>　　第四章主軸操作說明</b></p><p>　　1 主軸啟動前準備工作</p><p>　　首先，先合上

94、控制電柜上的主空氣開關QF100，接通主電源，控制柜上白色指示燈HL01亮，紅色指示燈HL02熄滅，動力電源1L1、1L2、1L3得電，電源準備完畢；將分電源開關QF103合上，控制變壓器TVC1、TVC2、TC01、TC02得電。</p><p>　　將開關QF105、QF107閉合， PLC得電，PLC開始工作；將開關QF106閉合，給急停上電，啟動/停止指示燈上電；在合上主空開之前，電柜照明開關QF101、

95、分勵扣脫器開關QF103、QF104已經(jīng)上電。將電柜空調開關QF01合上，因為電柜內(nèi)部是變壓器、直流調速裝置、繼電器、空開等，會產(chǎn)生很大的溫度，溫度上升容易導致器件的損壞，以及使開關導通、關閉不靈敏，所以加空調散熱。如果工作的時候有昏暗情況，可以合上開關QF108，將機床照明燈打開。</p><p>　　此時直流調速裝置所在分路端有電，但是直流調速裝置電樞電源端沒電，電子版電源端沒電，勵磁電源進線端有電，因為一般

96、的情況下直流機都是先給勵磁，后給電樞電壓，采用控制電樞電壓的大小來控制速度。所以只需加上起保護作用的熔斷器和抑制浪涌的電抗器。</p><p>　　將QF92合上后，接觸器KM90閉合，作為電樞電源開關的接觸器KM閉合，使其通電。合上開關QF91電子版電源接通。此時主軸工作前的準備工作完成。</p><p><b>　　2 主軸操作說明</b></p>

97、<p>　　將Q105閉合后，PLC上電，控制面板就可以工作了。按下面板上的啟動按鈕（SB1）,此時按鈕變亮，調速裝置內(nèi)部勵磁給電。</p><p>　　主軸控制設有手動（MDI）和自動(OUTO)兩種工作方式，即通過控制面板上的轉換開關SA1進行選擇。當轉換開關SA1打到手動擋（OUTO）上時，按下啟動按鈕（SB1），主軸按照已經(jīng)編好的程序中給定速度運行（速度運行到給定速度需要一段時間，此時間在參數(shù)中

98、已設置且可以改變）。按下升速按鈕（SB7）時，主軸速度開始上升，速度上升的多少與按下時間有關，按下降速按鈕（SB8）時，主軸速度開始下降，速度下降的多少與按下時間有關。按下停止按鈕（SB2）主軸停止運轉，工作臺自由停車。</p><p>　　將手/自動擋擺到手動擋（MDI），按下啟動按鈕（SB1），按下正轉按鈕（SB1），此時正轉按初始設定速度運轉，可以用RP1調節(jié)其速度，反轉也一樣；主軸啟動后，按下點動按鈕（S

99、B5），PLC會發(fā)出信號到直流調速系統(tǒng)，主軸電機會按照直流調速裝置里設定的速度轉動，轉動時間為按下按鈕的時間，速度當前不可調（其速度可以在控制面板PUM或OP1S里改動），并且點動只能在手動下進行，當松開按鈕，工作臺自由停車。</p><p>　　如果在操作時發(fā)生什么故障，并且停止鍵不起作用，按下急停旋鈕。當故障解除后，將急停按鈕旋回。</p><p><b>　　操作注意事項：

100、</b></p><p>　　當主軸運行時，不論處于什么狀態(tài)，不要按下不相關的按鈕，會導致事故或其他意外情況。</p><p>　　調直流調速裝置的參數(shù)時，主軸必須處于停止狀態(tài)，QF92處于關閉狀態(tài)。</p><p>　　圖3-1 控制面板版面及接線圖</p><p>　　圖3-2 控制面板下面板接線圖</p>&l

101、t;p><b>　　3 元器件目錄</b></p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本設計完成了數(shù)控立車主軸控制裝置設計的任務：設計了控制電源原理圖的設計；可編程控制器接口電路，以及直流調速裝置連接原理圖；并對操作面板接線圖進行了設計。</p><p>　　本設計實現(xiàn)的主軸控制功能，操作簡單，功

102、能強大?？梢詫崿F(xiàn)手、自動轉換，在自動方式工作時實現(xiàn)升速、降速調節(jié)；在手動時實現(xiàn)主軸正、反轉，點動，升、降速，急停等功能。正確使用了直流調速裝置6RA70，不需要輔助器件，減少了復雜的連線和操作。</p><p>　　由于本人能力及時間的限制，在設計中還存在不足之處，沒有時間6RA70參數(shù)的調整，可編程控制器的程序也未能實機調試，這些工作在今后一定認真改善。</p><p><b>

103、;　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張海舟.數(shù)控技術發(fā)展趨勢淺談[J].科技信息（科學與教研），2007,25（8）：63-64.</p><p>　　[2] 孟建文.三電機同軸直流傳動負荷平衡控制原理及優(yōu)化[J].冶金自動化，2009,5（43）：22-24.</p><p>　　[3] 白芹.現(xiàn)代交直流調速系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].科學

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105、直流調速裝置在機械壓力機上的設計與應用[J].鍛壓裝備與制造技術，2009,23（5）：25-29.</p><p>　　[7] 龔仲華.S7-200/300/400PLC應用技術—通用篇[M].北京：人民郵電出版社，2007：58-59.</p><p>　　[8] P soucek.Servo mechanisms or machaine tools[J].CVUT.2009,22(5

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108、p>　　在設計過程中，我得到了周圍許多人的幫助，在此我對他們表示忠心的感謝。首先我要感謝的是我的指導老師劉燁老師，xx老師在我大學的最后學習階段——畢業(yè)設計階段給我的指導，從最初的定題，到資料收集；從論文的開題，成稿、修改，再到定稿，xx老師給了我耐心的指導和無私的幫助，為了指導我們的論文，張老師放棄了自己的休息時間，她這種無私奉獻的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向她表示我誠摯的謝意；她嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我學習的榜樣；她循循