数控车床切削黄铜时，车刀进给量大约是多少？谢了_百度知道
数控车床切削黄铜时，车刀进给量大约是多少？谢了
首先看这个活多大。比如30以内转速可以开到。黄铜软进给可以快一些。0。1-0。35之间。干这样的活对刀具的磨损很小。如是切断F0。1-0。2左右。
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看进给速度了，F0.1的话，车3MM是没问题的（直径）
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出门在外也不愁数控机床挖槽进给转速弄多少不震刀？
数控机床挖槽进给转速弄多少不震刀？
我加工的材料不是很硬
挖的槽子是40MM深
我用的切槽刀是8MM个宽的 转速50 F0.18
我分成2回挖的槽子
先挖20MM个深 最后再挖那后20MM个深
就这车床都颤的不行
被切削（最大，最小）直径是多少？
最大680& 最小230& 160多个宽
你那属切宽沟槽！（直径相差大，如用切刀加工：工件刚性过早削弱！因此不宜用切断刀加工）！可以提前切一个离支撑点近的槽，便于外圆刀有足够的进刀空间，然后粗车沟槽放余量，再整体时：提前精加工沟槽至要求，并保证精加工后的整体！
车沟槽时：Vc取30～40；F＜0.08刀宽3mm太窄了（刀宽＝0.5～0.7＊平方件直径）！用G96S35；G50S300；…先试试看！不行在找我…
你说是在离中心近的地方切槽好 还是在离工件外圆近的地方切槽好？
你理解错了！装夹工件的支撑点（，顶尖，中心架附近）那样工件的装夹刚性高，切削震动明显减小！
其他回答 (3)
刀太宽了，一般的机床刚性哪有那麽好
用G75吧！不过刀真的太宽了！
转速50，走刀0.12
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数控机床主轴进给系统的改造
成都电子机械高等专科学校毕 业 论 文（2008 届）题目： 题目： 系别： 系别：数控机床主轴进给系统的改造姓名： 姓名：指导教师：摘要数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比， 是衡量一个国 家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之 一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到 了迅速的发展。 主轴是车床构成中一个重要的部分， 对于提高加工效率， 扩大加工材料范围， 提升加工质量都有着很重要的作用。 经济型数控车床大多数是不能自动变速的， 需要变速时， 只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。无级 变速系统主要有伺服主轴系统和直流主轴系统两种， 一般采用直流或交流主轴电机。 通过皮 带传动带动主轴旋转，或通过皮带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩)带动主 轴旋转。 由于主轴电机调速范围广， 又可无级调速， 使得主轴箱的结构大为简化。 众所周知， 高速主轴系统历来就是数控机床三大高新技术之一(高速主轴、数控系统、送给驱动)。 随 着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不断地向高速、高精、高 效、 高智能化发展， 内装式电主轴单元已成为最能适宜上述高性能工况的数控机床核心功能 部件之一。 本课题选用变频器和编码器来匹配机床现有的主轴调速系统， 从而组成电主轴系 统，更有效的控制主轴的转速，提高生产效率。关键词 数控技术 变频器 编码器 主轴系统AbstractThe number controls the technique level of tool machine GaoDi and it slices to pare to process tool machine yield and always owns the percentage of quantity in the metals, is one of the important markings which measures a national national economy development and industry to make whole level.Number's controling lather is one of the main specieses that the number controls tool machine, it occupies count for much position in the number control the tool machine, several decades to has been being widespreadly valued by the international community, and got a quick development.The principal axis is an important part , in the lather that constitute, process an efficiency to the exaltation, extend to process material scope and promote to process qualities to all have a very important function.Economic number's controling lather majority can't automatically become soon and need to be become soon, can chase tool machine stop, then move to become soon.But whole function the number control the lord of lather to spread to move system to mostly adopt to have no class to become soon.Have no class to become soon the system mainly has servo principal axis system and direct current principal axis system 2 kinds, general adoption direct current or exchanges principal axis electrical engineering.Spread to move to arouse a principal axis to revolve through a leather belt, or spread to move through a leather belt with the deceleration wheel gear(largerly turn Ju by acquire) in the principal axis box to arouse a principal axis to revolve.Because principal axis electrical engineering's adjusting soon scope is soon wide, can have no class to adjust again, make the structure of principal axis box greatly for simplify.Know to all, the high-speed principal axis system is in times gone by a number to control tool machine three one of the greatly high and new techniqueses.(high-speed principal axis, count to control system and send to drive) Because the number controls a technique and slices to pare knife to have of leap a development, more and more of machine manufacturing material all at constantly to the high speed, high Jing, efficiently, the high intelligence turn a development, inside the pack type electricity principal axis unit have become most ability feat andabove-mentioned high performance work the number of condition control one of the function parts of the tool machine core.This topic chooses to use to change Pin machine and coder to match the tool machine existing principal axis to adjust soon system, constitute electricity principal axis system thus, more valid of control turn of principal axis soon, exaltation produce efficiency.Key words number controls a technique to change the Pin machine coderprincipal axis system目数控车床主轴进给系统的改造录绪论。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 绪论 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 数控技术的发展。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 一 数控技术的发展 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 7 （一） 数控技术的发展。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 8 （二） 数控技术的发展趋势。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 8 （三） 国内外研究现状。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 9 变频器的原理及作用 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 二 变频器的原理及作用。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11 (一)变频器的节能。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 11 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。(二) 变频节能的原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 12 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。(三)调速原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 13 编码器的原理及作用 的原理及作用。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。16 三 编码器的原理及作用 （一）编码器的分类。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。16 （二）编码器的作用。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17 机床进给系统和主轴系统的发展趋势。。。。。。。。。。。。。。。。19 四 机床进给系统和主轴系统的发展趋势 。。。。。。。。。。。。。。。 主轴箱装配工艺工程。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 23 五 主轴箱装配工艺工程 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 25 六 伺服进给系统的组成及特点 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 （一）伺服进给系统的组成。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。25 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 （二）进给伺服驱动系统的分类。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。25 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 （三）伺服进给系统技术要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。26 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 参考文献。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 参考文献 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 29 致谢。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 致谢 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。30数控车床主轴进给系统的改造绪 论一课题背景数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比， 是衡量一 个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。 数控车床是数控机床的主要品种 之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得 到了迅速的发展。主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范 围，提升加工质量都有着很重要的作用。经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变 速时， 只能把机床停止， 然后手动变速。 而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。 无级变速系统主要有伺服主轴系统和直流主轴系统两种， 一般采用直流或交流主轴电机。 通 过皮带传动带动主轴旋转，或通过皮带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩)带 动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。众所 周知， 高速主轴系统历来就是数控机床三大高新技术之一(高速主轴、 数控系统、 送给驱动)。一 数控技术的发展 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度， 数 控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物 技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造 技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料， 而数控技术又是当今先进制 造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制 造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业 发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资， 不仅采取重大措施来发 展自己的数控技术及其产业， 而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国 实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为 世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。（一）数控技术的发展 第一代数控系统：1952 年至 1959 年，采用电子管元件。 第二代数控系统：1959 年开始，采用晶体管元件。 第三代数控系统：1965 年开始，采用集成电路。 第四代数控系统：1970 年开始，采用大规模集成电路及小型通用计算机。 第五代数控系统：1974 年开始，采用微处理机和微型计算机。 （二）数控技术的发展趋势 1)趋势之一：数控系统向开放式体系结构发展 20 世纪 90 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换 代。世界上许多数控系统生产厂家利用 PC 机丰富的软、硬件资源开发开放式体 系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、 适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷 研究开发这种系统， 如美国科学制造中心(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作 站 / 机 床 控 制 器 体 系 结 构 ”NGC ， 欧 共 体 的 “ 自 动 化 系 统 中 开 放 式 体 系 结 构”OSACA，日本的 OSEC 计划等。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术， 使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代 数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可 以根据这些开放的资源进行的系统集成， 同时它也为用户根据实际需要灵活配置 数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开 发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随 CPU 升级而升级，而结构可以保 持不变。2)趋势之二：数控系统向软数控方向发展 现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术 的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭 体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 传统数控系统，如 FANUC 0 系统、MITSUBISHI M50 系统、SINUMERIK 810M/T/G 系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这类系统还是占领了 制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市 场正在受到挑战，已逐渐减小。 “PC 嵌入 NC”结构的开放式数控系统， FANUC18i、 如 16i 系统、 SINUMERIK 840D系统、Num1060 系统、AB 9/360 等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来 积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。 它具有一 定的开放性，但由于它的 NC 部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系 统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。 “NC 嵌入 PC”结构的开放式数控系统 它由开放体系结构运动控制卡和 PC 机共同构成。 这种运动控制卡通常选用高速 DSP 作为 CPU， 具有很强的运动控制和 PLC 控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在 WINDOWS 平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被 广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国 Delta Tau 公司用 PMAC 多轴运 动控制卡构造的 PMAC-NC 数控系统、日本 MAZAK 公司用三菱电机的 MELDASMAGIC 64 构造的 MAZATROL 640 CNC 等。 SOFT 型开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的 CNC 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算 机与伺服驱动和外部 I/O 之间的标准化通用接口。 就像计算机中可以安装各种品 牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在 WINDOWS NT 平台上，利用开放的 CNC 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数 控系统相比，SOFT 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。 通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型 产品有美国 MDSI 公司的 Open CNC、德国 Power Automation 公司的 PA8000 NT 等。3)趋势之三：数控系统控制性能向智能化方向发展 智能化是 21 世纪制造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗 透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但 具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生 成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有 故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。 伺服系统智能化的主轴交 流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。 世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多， 其中日本智能化数控装置研究 会针对钻削的智能加工方案具有代表性。4)趋势之四：数控系统向网络化方向发展 数控系统的网络化， 主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后 再经由因特网通向企业外部，这就是所谓 Internet/Intranet 技术。 随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又 称“e-制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当 今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进 口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。 数控系统的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展， 现代柔性制造系统 从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面 (工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展。 柔性自动化技术以易于联网和集成为目标， 同时注重加强单元技术的开拓、 完善， 数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、CAM、CAPP、MTS 联结，向信息 集成方向发展，网络系统向开放、集成和智能化方向发展。5)趋势之五：数控系统向高可靠性方向发展 随着数控机床网络化应用的日趋广泛， 数控系统的高可靠性已经成为数控系统制 造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连 续正常工作，无故障率在 P(t)＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间 MTBF 就必须大于 3000 小时。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统 的失效率之比为 10:1(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的 MTBF 就要大于 33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的 MTBF 就必须大于 10 万小时。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。 当前国外数控装置的 MTBF 值已达 6000 小时以上，驱动装置达 30000 小时以上， 但是，可以看到距理想的目标还有差距。6)趋势之六：数控系统向复合化方向发展 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀 和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功 能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。 柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后， 机床便能按照数控加 工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个 复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加 工工序。 普通的数控系统软件针对不同类型的机床使用不同的软件版本，比如 Siemens的 810M 系统和 802D 系统就有车床版本和铣床版本之分。 复合化的要求促使数控 系统功能的整合。目前，主流的数控系统开发商都能提供高性能的复合机床数控 系统。7)趋势之七：数控系统向多轴联动化方向发展 由于在加工自由曲面时，3 轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀 端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而 5 轴联动控制对球头 铣刀的数控编程比较简单， 并且能使球头铣刀在铣削 3 维曲面的过程中始终保持 合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各 大系统开发商不遗余力地开发 5 轴、6 轴联动数控系统，随着 5 轴联动数控系统 和编程软件的成熟和日益普及，5 轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当 前的一个开发热点。 (三)国内外研究现状 国内外研究现状由内装式电主轴单元、驱动控制器、编码器、通讯电缆、直流母 线制动器组合成的，用以将电网电能变为电主轴单元的机械能，同时实现电主轴 准停。准速、准位的系统称之为电主轴系统。电主轴系统品质的优劣是大型数控 铣、加工中心、数控车品质优劣的关键之一。对闭环式配置的电主轴系统而言尤 为重要。目前我国已能自行开发设计各类高速电主轴。但闭环式驱动控制器及高 水平的编码器尚不过关。 选用优质的进口编码器和驱动控制器来匹配我国自行开 发的电主轴单元，从而组成电主轴系统，以供应国内数控机床之急需，从而降低 主机成本，提高主机的市场竞争力是一条可行之路。2003 年，洛阳轴研科技股 份有限公司分别与德国博世-力士乐公司、 德国 AMK 公司驻中国办事处取得联系， 并成功地实现了 Refu(力土乐)电源+Sumtak 编码器+ZYS 10,000r/min 电主轴单 元的联配。为大面积推广中西结合的电主轴系统创出了一条路。2003 年 7 月洛 阳轴研科技股份有限公司与德国博世-力士乐(中国有限公司)电子传动与控制事 业部达成联合开发 Indramat-ZYS 电主轴系统品牌的协议。在协议的推动下首轮 Indramat-ZYS 数控机床用电主轴系统型谱已问世。由于国产电主轴单元同类型 产品价格远低于进口电主轴，故 Indramat-ZYS 电主轴系统价格也远比进口系统 低得多，从而为国产数控机床的发展提供了新的选择。最近，国外主要的系统开 发商在 6 轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展， 6 轴联动加工中心上 在 可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面，且切深可以很薄，但加工效率太 低一时尚难实用化。电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现 代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、 网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来 一场新的技术革命。我国数控机床制造业在８０年代曾有过高速发展的阶段，许 多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质 量不佳，所以在９０年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整， 经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到５０％，库存超过４个月。从 １９９５年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备 的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了 很大的促进作用，尤其是在１９９９年以后，国家向国防工业及关键民用工业部 门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从２０００年８月份的上 海数控机床展览会和２００１年４月北京国际机床展览会上， 也可以看到多品种 产品的繁荣景象。但也反映了下列问题：低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压 价促销；高技术水平、全功能产品主要靠进口；配套的高质量功能部件、数控系 统附件主要靠进口；应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；自行开发 能力较差，相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 而对与我国来说,应制定符合中国国情的总体发展战略， 21 世纪我国数控技术 对 与产业的发展至关重要。 通过对数控技术和产业发展趋势的分析和对我国数控领 域存在问题的研究，我们认为以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营 销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发站道路将是一种符合我国国 情的发展数控技术和产业的总体战略。二 变频器的原理及作用 变频器的作用主要是：节能和调速，并能实现自动控制的高精度控制。 (一)变频器的节能 电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国的总装机容 量约为 4 亿千瓦，年耗电量约为 6000 亿 kwh，约占工业用电的 70~80%。我国以 中小型电机为主，约占 80%，而中小型电机耗损的电量却占总损耗量的 90%。电 机在我国的实际应用中，同国外相比差距很大，机组效率为 75%，比国外低 10%； 系统运行效率为 30~40%，比国际先进水平低 20~30%。因此在我国中小型电机具 有极大的节能潜力，推行电机节能势在必行。 由于异步电机结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠，可用于恶劣的环境等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。特别是对各行各业的 泵类和风机的拖动上非彼莫属， 因此， 拖动泵类和风机的电机节能工作倍受重视。 随着科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的 高度发展和应用使变频器的节能效果更为显著。它不但能实现无级调速，而且在 负载不同时，始终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高 精度的自动控制。相对于其它调速方式（如：降压调速、变极调速、滑差调速、 交流串级调速等） ，变频调速性能稳定、调速范围广、效率高，随着现代控制理 论和电力电子技术的发展，交流变频调速技术日臻完善，它已成为交流电机调速 的最新潮流。变频调速装置（变频器）已在工业领域得到广泛应用。 使用变频器调速信号传递快、 控制系统时滞小、 反应灵敏、 调节系统控制精度高、 使用方便、有利于提高产量、保证质量、降低生产成本，因而使用变频器是厂、 矿企业节能降耗的首选产品。 变频电机节电器是一种革命性的新一代电机专用控制产品， 基于微处理器数 字控制技术，通过其内置的专用节电优化控制软件，动态调整电机运行工程中的 电压和电流，在不改变电机转速的条件下，保证电机的输出转矩与负荷需求精确 匹配，从而有效避免电机因出力过度造成的电能浪费。 交流电动机是当前应用最广泛的电机，约占各类电动机总数的 85%，它具有结构 简单、价廉、不需维护等优点，但它的弱点是调速困难，因而在许多应用场合受 到限制或借助机械方式来实现调速。 变频器就负载类型而言主要有两方面的典型应用：1、恒转矩应用；2、变转矩应 用。就应用的目的而言主要有：1、以改进工艺为主要目的，确保工艺过程中的 最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。以其优良的调速性能，提高 生产率、提高产品质量、提高舒适性，使设备合理化，适应或改善环境等。2、 以节能为主要目的――以流量或压力需要调节的风机、 泵类机械的转速控制来实 现节能，改造效果非常显著。 (二) 变频节能的原理 1)变频节能： 为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定 的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加 了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度， 使其在恒压的同时节约电能。 当电机转速从 N1 变到 N2 时，其电机轴功率 P 的变化关系如下： P2／ P1 = （N2/N1）3由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。 2)动态调整节能： 迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有 5000 次 /秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。 3)通过变频自身的 V/F 功能节电： 在保证电机输出力矩的情况下， 可自动调节 V/F 曲线。 减少电机的输出力矩， 降低输入电流，达到节能状态。 4)变频自带软启动节能： 在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机 额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了 线损和变损。采用软启动后，启动电流可从 0 -- 电机额定电流，减少了启动电 流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击， 延长了设备的使用寿命。 5)提高功率因数节能： 电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。 绕组由于其感抗作 用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功 率因数很低。 (三)调速原理 变频器主要由整流（交流变直流） 、滤波、再次整流（直流变交流） 、制动单 元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 1)电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ 1: r/min 电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为 rpm. 例如：2 极电机 50Hz 3000 [r/min] 4 极电机 50Hz 1500 [r/min] 电机的旋转速度同频率成比例 感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和 频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个 连续的数值（为 2 的倍数，例如极数为 2，4，6） ，所以一般不适和通过改变该 值来调整电机的速度。 另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可 以被自由的控制。 因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。n = 60f/p n: 同步速度 f: 电源频率 p: 电机极对数 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁） ， 导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。 输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机 的额定电压。 例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从 50Hz 改变 到 25Hz，这时变频器的输出电压就需要从 400V 改变到约 200V 2)当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？ 1: 工频电源 由电网提供的动力电源（商用电源） 2: 起动电流 当电机开始运转时，变频器的输出电流 变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动 电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些 冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器 时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要 小些。 通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数 据在有的变频器手册中会给出说明。 通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低 速区电机也可输出足够的转矩。 3)当变频器调速到大于 50Hz 频率时，电机的输出转矩将降低----通常的电机是按 50Hz 电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内 给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P&=Pe) 变频器输出频率大于 50Hz 频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线 性关系下降。当电机以大于 50Hz 频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予 考虑，以防止电机输出转矩的不足。 举例，电机在 100Hz 时产生的转矩大约要降低到 50Hz 时产生转矩的 1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie) 4)变频器 50Hz 以上的应用情况大家知道, 对一个特定的电机来说, 其额定电压 和额定电流是不变的.如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A, 电机可以 工作在 50Hz 以上当转速为 50Hz 时, 变频器的输出电压为 380V, 电流为 30A. 这 时如果增大输出频率到 60Hz, 变频器的最大输出电压电流还只能为 380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速. 这时的转矩情况怎样呢?因为 P=wT (w:角速度, T:转矩). 因为 P 不变, w 增加了, 所以转矩会相应减小.我们还可以再换一个角度来看:电机的定子电压 U = E + I*R (I 为电流, R 为电子电阻, E 为感应电势)可以看出, U,I 不变时, E 也不变.而 E = k*f*X, (k:常数, f: 频率, X:磁通), 所以当 f 由 50--&60Hz 时, X 会相应减小 对于电机来说, T=K*I*X, (K:常数, I:电流, X:磁通), 因此转矩 T 会跟着磁通 X 减小而减小.同时, 小于 50Hz 时, 由于 I*R 很小, 所以 U/f=E/f 不变时, 磁通 (X)为常数. 转矩 T 和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来 描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变--&最大转矩不变)结 论: 当变频器输出频率从 50Hz 以上增加时, 电机的输出转矩会减小.5)其他和输出转矩有关的因素发热和散热能力决定变频器的输出电流能力， 从而 影响变频器的输出转矩能力。 载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高 载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率, 电机的电 流不会受到影响。但元器件的发热会减小。环境温度：就象不会因为检测到周围 温度比较低时就增大变频器保护电流值.海拔高度: 海拔高度增加, 对散热和绝 缘性能都有影响.一般 1000m 以下可以不考虑. 以上每 1000 米降容 5%就可以了.6)矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？ 转矩提升此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时） ，以补偿定子电阻上电 压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。改善电机低速输出转矩不 足的技术使用&矢量控制&，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对 4 极电机，其转速大约为 30r/min）时的输出转矩可以达到电机在 50Hz 供电输出 的转矩（最大约为额定转矩的 150％） 。对于常规的 V/F 控制，电机的电压降随 着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够 的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做&转矩提升&（*1） 。转矩提升功能是 提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流 相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分 量） 。矢量控制&把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和 其它电流分量（如励磁分量）的数值。&矢量控制&可以通过对电机端的电压降的 响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能 对改善电机低速时温升也有效。编码器的原理及作用 三 编码器的原理及作用（一）编码器的分类 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号 输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 1）增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B 和 Z 相；A、B 两组脉冲 相位差 90?，从而可方便地判断出旋转方向，而 Z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。 它的优点是原理构造简单， 机械平均寿命可在几万小时以上， 抗干扰能力强， 可靠性高， 适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 2）绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每 条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的 码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光 敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号， 形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固 定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N 位二进 制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。目前国内已有 16 位的绝对编码器产品。 绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式 编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环 码、二进制补码等。它的特点是： 1．可以直接读出角度坐标的绝对值； 2．没有累积误差； 3．电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说 精度取决于位数，目前有 10 位、14 位等多种。 3）混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功 能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测 装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具 有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、 伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。光电编码器， 是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电 检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于 光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极 管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 1 所 示； 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。 此外， 为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90?的两路脉冲信号。在增量式光电编 码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是 它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式 （二）编码器的作用 主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮 1:1 地同步传动。数控车床主轴的转动与进给运动之间，没有机械方面的直接联系， 为了加工螺纹， 就要求给定进给伺服电动机的脉冲数与主轴的转速应有相对应的 关系，主轴脉冲发生器起到了对主轴转动与进给运动的联系作用。 主轴编码器用于测量主轴的旋转速度。检测元件安装在主轴上，而这种检测 元件通常就是光电脉冲发生器。有两种安装方式，一种是与主轴通过弹性联轴器 同轴安装；另一种方式是通过中间轴上的齿轮 1：1 的同步传动。总之，主轴编码器反映主轴的旋转速度。 在光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中 最关键的就是它的分辨率、 精度、 输出信号的稳定性、 响应频率、 信号输出形式。 1）分辨率 光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表 示的，即脉冲数/转（PPR） 。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率， 码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的 应用对象，可选择分辨率通常在 500~6000PPR 的增量式光电编码器，最高可以达 到几万 PPR。交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为 2500PPR 的编码器。此 外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到 2 倍频或 4 倍频的脉冲信号，从而进 一步提高分辨率。 2）精度 增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度 是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。 精度通常用角度、 角分或角秒来表示。 编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、 码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。 3）输出信号的稳定性 编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。 影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、 外界加于 编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器 的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。 4）响应频率 编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。 当编码器高速旋转时， 如果其分辨率很高， 那么编码器输出的信号频率将会很高。 如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应， 就有可能使输 出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的 位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一 定的，即它的响应频率是受限制的。 5）信号输出形式 在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波 形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码 器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形 波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且 容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。四 机床进给系统和主轴系统的发展趋势 （一） 微电子技术发展促进了控制智能化 随着微电子技术、大规模集成电路制造工艺和计算机技术的发展，高性能 的微处理器（MPU）、大规模集成电路（LSIC）芯片、表面安装器件（SMD）等为 实现数字化控制提供了硬件基础，不仅使控制电路体积大大缩小，而且通过控制 软件可以实现更加灵活、复杂的控制方法，在不增加或很少增加硬件设备的前提 下，可满足不同场合的需要，充分体现数字控制高度智能化和柔性的优点。 二电力电子技术开创了机床驱动新局面 （二）电力电子技术的日新月异的发展，也为交流电动机调速性能的不断提高奠 定了基础。电力电子技术是以电力为对象的电子技术，它的主要任务是对电能进 行控制和变换。它是用半导体电力电子器件进行功率变换、控制及开关电路的应 用技术。 现代电力电子技术有如下特点：①大容量化（即高电压、大电流）；②高 频化（即开关速度高）；③易驱动（电压驱动）；④低压降（即损耗低）；⑤模 块化；⑥功率集成化（即将驱动、保护、检测甚至控制等功能集成于一体）；⑦ 全控化（即器件的自关断性）；⑧控制技术数字化，从而使以 PWM 控制为代表的 采用数字控制的电力电子装置性能日趋完善。各种 PWM 技术的应用，以及谐振软 开关技术的深入研究， 使逆变器的性能从单目标优化逐步向系统整体性能优化方 向发展。第三代智能功率模块（IPM）的出现，大幅度改善了逆变器的性能，大 大缩小了体积。下一代的功率模块将具备直接与控制信号接口的能力，内部集成 了多个高速光耦、多路驱动电源、电压、电流的检测和保护等功能，被称之为 “System-In module”，从而使逆变器构成将更简单、更可靠，体积也将更小。 （三）现代控制理论使交流调速成为现实 由于交流电动机的数学模型较直流电动机复杂得多，具有非线性、强耦合、 多变量的特点，应用经典控制理论很难控制交流电动机，而现代控制理论的发展 对交流电动机控制技术的发展起到了极大的推动作用。 采用状态观察器和卡尔曼滤波器可以进行电动机参数的在线辨识； 采用滑模 变结构控制可增强电动机控制系统的鲁棒性。 如能将各种智能控制理论有机地结 合起来，必将开创交流调速的新天地。如模糊控制和神经元网络控制都不需要精 确的对象模型和参数，使系统具有很强的鲁棒性。其中，模糊控制能强迫电流以类似于 BANG－BANG 响应方式趋于期望点，做到快速响应，但当误差较小时，难 以控制精确定位，且易振荡；而神经元网络控制却具有能精确地实现伺服信号跟 踪且无超调，但由于神经网络具有固有的梯度计算，使响应时间变长，电流响应 较早退出饱和。因此，如能将上述两者有机地结合起来，使其在不同的误差域内 发挥各自优点，取长补短，则可望实现期望控制。 （四）利用串行伺服总线的数字化通信使机床驱动系统更上一层楼 CNC 与数字伺服之间串行通信使两者之间实现了高速传输串行数据。甚至用 一根光缆（它具有直径小、重量轻、抗干扰能力强的特点）可直接连接多台伺服 驱动器。 如果建立一个国际上公认的 CNC 与数字伺服驱动器之间统一数据交换接 口（类似于德国的 SERCOS 接口协议），则有提供产品互换的可能性。 （五）多种控制方法应用于一体 在许多国外厂商生产的伺服系统中， 将串行通信以及多种控制方法集中应用 在一个产品中。如日本 FANUC 公司在伺服控制中采用高速 DSP（Digital Signal Processor）进行数值计算来实现“直线性”、“稳定性”和“重复性”。利用 前馈控制（Feed Forward）（框图见图 4-5）、插补前钟形加／减速以及自动拐 角减速方案之后，克服了模拟伺服和一般数字伺服的响应滞后现象，响应和精度 都得到明显的改善，轮廓误差减到 1／100，而且定位时间也大为缩短，在典型 钻削循环中循环时间可减少 30％。因机床工作台具有摩擦、 电动机旋转反向造成响应延迟以及圆弧切削在过象 限时的凸起，都造成加工误差，使精度变坏。而在最新的数字伺服软件中，考虑 到这些因素， 利用预补偿来减少这个圆度误差， 并实现了高速度环增益而无振动。 （六）传感器检测技术的发展大幅度地提高了伺服系统的性能 传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性 能和定位精度。普遍采用的电压型和电流型霍尔传感器具有小于 1μs 的响应时 间。交流电动机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对 值编码器作为位置、速度传感器。随着它们的转速、分辨率的不断提高，系统的 动态响应、调速范围以及低速性能也相应提高。传统的具有 A、B 相信号的编码 器，由于它不能兼顾分辨率和高速度，且信号线太多，从而影响了高精度、高速 度的伺服系统的实现。而新型的编码器则克服了上述缺点，如日本 FANUC 公司生 产的脉冲编码器 （绝对型） 由于它将来自 SIN 和 COS 信号的角度转化成数字量， ，使它具有 4000r/min 的高速以及高达 1000000 脉冲／r 或 65536 脉冲／r 的分辨 率。另外，伺服电动机本身也在向高速方向发展，与上述高速编码器配合实现了 60m/min 甚至 100m/min 的快速进给和 1g 的加速度。而在电动机磁路设计上又做 了改进，使电动机旋转更加平滑，再配合高速数字伺服软件，可使电动机即使在 小于 1μm 转动时也显得平滑而无爬行。 交流主轴电动机为满足机床加工工艺以及主轴需要， 现在都在向高速化方向 发展，12000r/min 的转速已是正常的指标。主轴系统所用的位置编码器分辨率 也已达到 360000 脉冲／r。 （七）直线电动机的出现打破了传统的结构 直线电动机驱动机构，无论是在国外还是国内都在积极的研究、探索之中， 将会是下一代数控机床的一个显著特色。 这是因为迄今为止的驱动系统都是由旋 转电动机、齿轮箱或联轴器、丝杠和驱动螺母、丝杠支座轴承等构成，而它们都 影响甚至限制了机床的性能。例如：电动机本身有最大转速的限制，随着速度增 加，电动机输出转矩下降；在高的加速度下电动机轴会产生扭曲甚至变形和位置 误差。齿轮箱则会增加系统惯性，产生间隙；如电动机与丝杠直接连接，则会产 生扭曲变形、间隙及滞后；丝杠本身受临界转速、间隙、扭曲、螺距误差、摩擦 等影响，且其振动衰减时间很长。而直线电动机驱动机构则没有上述缺点，能达 到快速移动 （可以达到 120m/min 甚至 200m/min 的速度） 和较短的位置稳定时间， 且能进一步减少机床不进行实际切削加工的非生产时间。 由于直线电动机驱动机 构仅由两个互不接触部件组成，没有低效率的中间传动部件，也无机械滞后以及 螺距误差，从而可达到高的效率，且其精度完全取决于反馈系统和轴承。当用全 数字伺服系统驱动直线电动机时，可达到高刚度和高固有频率，从而达到极好的 伺服性能。要使直线电动机走向实用，尚须解决：①磁铁吸引金属颗粒问题，亦 即要解决密封磁轨等电动机结构问题；②新的反馈元件的研究；③当应用于机床 垂直轴时要解决制动或平衡问题； ④如何减少数字放大器的发热及提高效率等一 系列问题。 （八）统一型驱动器的出现打破了传统的概念 常规开环驱动不用闭环电流控制，基速以下按线性 V－F 特性使电压与频率 成正比，基速以上保持电压恒定，参考坐标一般按电动机磁通定向。在统一驱动 器开环矢量方式中， 参考坐标依据定子电阻电压降来定向。 因此， 在稳态条件下， X 轴是以与定子相连的磁通来定向的，Isx 为励磁电流分量，ISY 为有功电流分量。 基速以下，ISY 与转矩成正比，但在 5Hz 以下，精度就很差。在暂态过程中，为 保证 V－F 特性输出定向正确，在确定电动机端电压之前，对 X－Y 轴方向的定子电阻电压降进行补偿，为了在 10Hz 以下时还能稳定工作，采取在 X 轴上加固定 补偿，而在 Y 轴上加可变补偿的方法。为了避免在暂态条件下（暂态加载或快加 速）出现过电流跳闸，所以在图 19－19 中加入了峰值电流限幅和电流限幅。电 流限幅是通过修正斜坡函数输出的频率给定来实现的， 这种方法是减小电动机有 功电流，也即减小产生转矩的电流。为防止加速过快引起过电流的峰值电流限幅 控制， 当总电流超过限幅值时， 修正输出电压到适当值， 使电流在峰值限幅以内， 当电流没有超过时，限幅器不起作用，它的输入和输出相等。作为电流反馈，首 先将两相电流值转换成等效的一组正交电流 ISD 和 ISQ，然后再转换成参考坐标中 的 X 轴和 Y 轴分量。X 轴分量仅用于峰值电流限幅，Y 轴分量（有功电流）用于 峰值电流限幅、电流限幅以及转差补偿。 在闭环磁通矢量控制方式中，需要一台增量式编码器作为位置反馈，当然也 可用绝对式编码器。控制系统根据 USX 和 USY 的给定值，产生 IGBT 的控制信号， 并且像开环驱动一样计算出 X 轴和 Y 轴的电流反馈。但是，所用的参考坐标中的 X 轴是以电动机转子磁通来定向的，因而 Isx、ISY 分别为定子电流的励磁电流分量 和转矩电流分量。速度给定与速度反馈的偏差作为速度控制器输入，其输出为转 矩给定， 经转矩／电流变换后得到转矩电流给定 ISY*。磁通控制器输出励磁电流给 定，基速以下磁通控制器输出 ISX*就等于电动机额定励磁电流，基速以上，ISX* 随转速的增加而减小。ISX 与 ISX 的偏差以及 ISY 与 ISY 的偏差，分别经过励磁电流 控制器和转矩电流控制器的运算后，输出 X－Y 坐标系中的电压分量 USX 和 USY。 闭环磁通矢量方式在任一速度上给出良好的转矩控制特性和快速的瞬态响应， 也 不需要对直流母线电压进行补偿，闭环电流控制将自动完成这些补偿。这种前馈 补偿有助于直流母线电压大幅度波动时维持调制增益恒定。 永磁无刷交流伺服电动机控制方式用于带有绝对位置反馈的永磁同步电动 机，其控制系统与闭环矢量驱动相似，只有两点不同。一是 X－Y 坐标中的 X 轴 以转子磁通定向，由于电动机转子是永磁的，励磁电流给定 ISX*为零；二是转子 轴上的绝对编码器可直接检测转子对固定坐标系的相位角 θr，亦即转子磁通角 直接来自转子位置。永磁无刷交流伺服电动机控制方式用于要求频繁起制动、零 速有保持转矩、大起动转矩、按预定速度或转矩运行等系统中，如剪切、机床、 自动定位系统、自动焊接系统等一类驱动系统中。统一型驱动器的出现，将大大 降低机床用进给系统和主轴系统的硬件成本* *五 主轴箱装配工艺工程 主轴箱组件紧固在车床左端。它由主轴箱主轴组成，经齿轮或齿轮组和皮带 轮使主轴旋转。主轴装有可装夹并转动工件的附件。主轴有多级转速。主轴箱由 3-5 个支座支承。由于车床上工件的加工精度取决于夹持工件的主轴旋转轴的精 度，故必须十分仔细地制造和安装主轴及其所有附件。 主轴本身有一通孔，这个孔的前端是一锥孔，可用来安装带锥柄的刀具。安装主 轴箱活顶尖时，用一锥套配入主轴锥孔内。主轴箱顶尖可随工件旋转．故称活顶 尖。它是一个带尖端的锥金属件。工件旋转时可用来支承工件，所有车床顶尖均 为 60 度角。 在主轴上安装附件，常使用三种通用的主轴头： 1.螺纹主轴头 车床上最常用的是螺纹主轴头。将安装的附件拧到主轴上，直到与主轴法兰盘紧 密相配。螺纹主轴头的主要缺点是不能进行反向车削，因有些附件（例如卡盘） 反向时会松开。 2．凸轮锁紧主轴头 凸轮锁紧主轴头有一个非常短的锥体，它可以配入花盘或卡盘背面的锥槽内。从 花盘或卡盘背面伸出许多凸轮锁紧短轴，这些短轴可配入主轴头的孔内。转动这 些凸轮就可将它们锁紧在规定位置。 3．长锥键传动主轴头 它有一个很长的锥体。锥体带附加键和一内螺纹套爪。花盘或卡盘必须与其锥度 相同并带有外螺纹键槽。这种正向锁紧型主轴在中型车床中最普遍。它允许主轴 在正向或反向旋转时均能切削。 驱动主轴的动力由一电动机供给，从电动机将动力传递给主轴有四种常用的方 法： 1.平皮带传动 在大多数皮带传动的车床中，直接驱动动力通过皮带传递给附在主轴的塔轮上。 把皮带移动到塔轮的不同位置，就可改变主轴速度。为获得较低速和较大动力， 可使用背轮。 2．三角皮带传动 每个皮带轮的圆周上都开有一个 V 型槽。三角皮带将精确地嵌人槽内。三角皮带 不能碰到皮带轮的底部。这种传动方式也有一个与平皮带传动相似的背轮装置。3．无级变速传动 这种装置不用停车就可以改变主动轮和从动轮间的速度。 实际上只有在机床运行 时才需变速。无级变速传动的传动皮带轮由二个 V 型侧面的半轮组成。皮带轮的 一侧可以是打开的，即与另一侧脱开。在脱开时．皮带就向里移动到较小直径， 使从动轮产生较低速度。当皮带轮两侧合在起时，就迫使皮带向外移动到较大直 径，使从动轮速度增大。可以用手动或液压进行变速。采用液压方式时，床头箱 顶部的控制盘可使液压系统精确动作。电动机停止时，不要转此控制盘。直接传 动的转速范围为 300-1600 转／分。为获得较低转速，必须先停车，转动背轮摇 手。低速范围为 43-230 转／分。 4．齿轮传动变速箱 这种床头箱包括齿轮和变速机构，可获得许多不同的转速。操作者可使用附在床 头箱上的速度分度盘来选择所需的速度。 移动两个或三个手柄或摇手就可调节速 度。普通车床的床鞍、进给和车螺纹机构. 床鞍 床鞍用来控制和支承切削刀具，它由五个主要部件组成。 1．鞍座 是一个装在床身上方并沿导轨滑动的 H 形铸件。 鞍座上的床鞍锁紧螺钉将床鞍锁 紧到床身上以便进行车端面和切断。 2．溜板箱 固定在鞍座上，并悬挂在床身的前面。它包括齿轮、离合器及手动和自动进给床 鞍用的手柄。溜扳箱上有一个小齿轮。而小齿轮又与床身前下面的齿条相啮合， 可用手转动溜扳箱手轮，可使床鞍纵向移动。溜板箱包括自动进给用的摩擦离合 器和开合螺母,开合螺母停靠在丝杠螺纹的上方，仅在车螺纹时使用。 3．横刀架装在鞍座上。鞍座横向加工为燕尾型导轨，即支承导轨．能精确地与 车床本身的中心线垂直。横刀架也有与鞍座燕尾相配的燕尾导轨。转动横拖板手 柄可使刀架横向移动。 4．复合刀架（转盘） 装在横刀架上面，可旋转 360 度，并在任意位置上夹紧。复合刀架（转盘）底部 对半圈即 180 度进行分度。 转盘上也有一燕尾导轨。 可用一短丝杠移动上面部分， 横刀架和复合刀架（转盘）丝杠均配有分度值为 l/1000 英寸的刻度环，用于车 削工件至接近最终尺寸时和车螺纹时作精密调整。 5．小刀架配有刻度环和摇柄。可在复合刀架（转盘）顶部的 T 型槽内滑动。可用来夹紧和 定位刀夹。 六 伺服进给系统的组成及特点 （一）伺服进给系统的组成 数控机床的进给伺服系统是数控装置与机床本体间电传动联系的环节， 也是 数控系统的执行部分。 数控机床的进给系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行 元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械 传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件与反馈电路组成检测装置，亦 称检测系统。进给伺服系统的任务就是要完成各坐标轴的位置控制。数控系统根 据输入的程序指令及数据，经插补运算后得到位置控制指令，同时，位置检测装 置将实际位置监测信号反馈于数控系统，构成全闭环或半闭环的位置控制。经位 置比较后，数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置，经速度控制单元 驱动伺服电动机滚珠丝杠传动实现进给运动。 伺服电动机上的反馈装置将转速信 号反馈回系统与速度控制指令比较，构成速度反馈控制。因此，进给伺服系统实 际上是外环为位置环、内环为速度环的控制系统。对进给伺服系统的维护及故障 诊断将落实到位置环和速度环上。组成这两个环的具体装置有：用于位置检测的 有光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁栅等；用于转速检测的有测 速发电动机或光电编码器等。 （二）进给伺服驱动系统的分类 1）开环伺服系统 开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。 伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲电机等。 由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动， 通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。 控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速 度和运动方向。 系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精度、 齿轮丝杠等传动元件的节距 精度以及系统的摩擦阻尼特性等。 开环伺服系统的结构简单，调试、维修方便，成本低廉，但精度差，一般用于经 济型数控机床 2）闭环伺服系统 闭环伺服系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电机以及电液伺 服阀―液压马达。与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行 部件的实际位移量并转换成电脉冲， 反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比 较，求得误差，依此构成闭环位置控制。 由于采用了位置检测反馈装置， 所以闭环伺服系统的位移精度主要取决于检测装 置的精度。闭环伺服系统的定位精度一般可达±0.01mm～±0.005 mm。 3）半闭环伺服系统 半闭环伺服系统是将检测元件安装在中间传动件上， 间接测量执行部件的装 置。 闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差， 而半闭环系统只能补偿系统环路内 部分元件的误差。 半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与调试都比较简 单。 4）全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统 已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。 由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字 PID 算法，用 PID 程序来代替 PID 调节器的硬件，使用灵活，柔性好。 数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施， 使控制精度和品 质大大提高。 （三）伺服进给系统技术要求 1）可逆运行 可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随动状 态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向或反向运动。 要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失。 从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收 能量改变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网， 以实现快速制动。 2）高精度 数控机床是按预定的程序自动进行加工的， 不同于普通机床用手动操作来调 整和补偿各种因素对加工精度的影响， 故要求数控机床的实际位移与指令位移之 差要小。现代数控机床的位移精度一般为 0.01~0.001 L，甚至可高达 0.1μm， 以保证加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。 3）调速范围宽 调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于加工所用刀具、被加 工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广， 为了保证在所有加工情况下都能 得到最佳的切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，即有很 大的调速范围。目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为 1μm 的情况下，进给速度能在 0～240m／min 的范围内连续可调。 一般数控机床的进给速度能在 0～240m／min 的范围之内连续可调并能满足加工要求。在这一调速范围内，要求速度均匀、稳 定，低速时无爬行。还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精 度不变。 4）快速响应并无超调 要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。 伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和 保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。 当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无振荡。这样才能得到光 滑的加工表面。 5）低速大转矩 机床加工， 大多是低速时进行切削， 即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。参考文献 ［1］ 中国机床工具工业协会 行业发展部.CIMT2001 巡礼［J］.世界制造技术与装备市场， 2001(3)：18-20. ［2］ 梁训王宣 ,周延佑.机床技术发展的新动向 ［J］ .世界制造技术与装备市场， 2001(3)： 21-28. ［3］ 中国机床工具工业协会 数控系统分会.CIMT2001 巡礼［J］.世界制造技术与装备市 场，2001(5)：13-17. ［4］ 杨学桐，李冬茹，何文立，等?距世纪数控机床技术发展战略研究［M］.北京：国家 机械工业局，2000.致谢本设计分析工作是在王付军老师指导下完成的。选题、研究方案的确定与实 施及论文写作等方面给予了全面指导，给予了极大的帮助，在我的整个毕业设计 的过程中，每当遇到棘手的问题时，我的指导老师王付军总是耐心地给我讲解， 给我启发，使我很快地就找到了问题的解决办法和突破方向。如果没有王老师的 帮助，我是很难完成这次毕业设计的。 同时也要向其他给予我指导的老师表示感谢， 哪怕是他们的一个小小的建议 也许就让我少走了很多弯路，忠心地谢谢您们！ 愿我的指导老师郑向华和她的同事们在今后工作顺利，事业有成！ 最后，再一次向三年来所有支持和帮助过我的领导、老师、同学和亲友表示 衷心的感谢！ 戴翔 2008 年 5 月