（机械设计及理论专业论文）零传动万能自动镗铣头设计.pdf

第1 章引言 1 6 本章小结 本章阐述了本课题的背景和意义、国内外研究的现状以及研究趋势，指出 了零传动万能自动镗铣头结构设计的思路，介绍了五轴联动机床的基本形式、 应用特点和发展五轴联动机床需要解决的问题，提出了本课题的主要工作内容 和技术路线。 7 第2 章零传动万能自动镗铣头结构设计 永磁同步电动机的运行方式可分为外同步和自同步二类。用独立的变频电 源向永磁同步电动机供电，同步电动机转速严格地跟随电源频率而变化，此即 为外同步式永磁同步电动机运行方式。外同步运行常用于开环控制，由于转速 与频率的严格关系，此运行方式适合在多台电动机要求严格同步运行的场合使 用。例如，纺织行业纱锭驱动，传送带锟道驱动等场合。为此可选用一台较大 容量的变频器，同时向多台永磁同步电动机供电。当然，变频器必须能软起动， 输出频率能由低到高逐步上升，以解决同步电动机的起动问题。 所谓自同步的永磁同步电动机，其定子绕组产生的旋转磁场位置由永磁转 子的位置所决定，能自动地维持与转子磁场9 0 。的空间夹角，以产生最大的电机 转矩。旋转磁场的转速严格地由永磁转子的转速所决定。用此种方式运行的永 磁同步电动机除仍需逆变器开关电路外，还需要一个能检测转子位置的传感器， 逆变器的开关工作，即永磁同步电动机定子绕组得到的多相电流，完全由转子 位置检测装置给出的信号来控制。这种定子旋转磁场由定子位置来决定的运行 方式即自同步式永磁同步电动机运行方式，这是从6 0 年代后期发展起来的新方 式，这种运行方式从原理分析可知，它具有直流电动机的特性，有稳定的起动 转矩，可以自行起动，可采用类似于直流电动机的方式对电机进行闭环控制。 自同步式永磁同步电动机已成为当今永磁同步电动机应用的主要方式。 自同步永磁同步电动机按电机定子绕组中加入的电流形式可分为方波电动 机和正弦波电动机二类。方波电动机绕组中的电流为方波形电流，分析其工作 原理可知，它与有刷直流电动机工作原理完全相同。不同处在于它用电子开关 电路和转子位置传感器取代了有刷直流电动机的换向器和电刷，从而实现了直 流电动机的无刷化，同时保持了直流电动机的良好控制特性，故该类方波电动 机人们习惯称为无刷直流电动机。这是当前使用最广泛的，很有前途的一种自 同步永磁同步电动机。正弦波自同步永磁同步电动机其定子绕组得到的是对称 三相交流电，但三相交流电的频率、相位和幅值由转子的位置信号所决定。转 子位置检测通常使用光电编码器或角度编码器，可精确地获得瞬间转子位置信 息。其控制通常采用单片机或数字信号处理器( d s p ) 作为控制器的核心单元。 因其控制性能、控制精度和转矩的平稳性较无刷直流电动机控制系统为好，故 主要用于现代高精度的交流伺服控制系统中( 本设计中采用这种方式) 。 交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机( 包括无刷直流电动 机) 的综合特性比较见表2 1 心，永磁同步电动机性能曲线见图2 1 。 9 第2 章零传动万能自动镗铣头结构设计 根据设计要求如表2 4 ，力矩电机采用德国西门子( s i e m e n s ) 公司的子公司 表2 4 镗铣头设计要求 a 轴c 轴 最大扭矩2 3 0 n m6 0 0 n m 摆动速度 3 6 0 。s3 6 0 。s 摆动范围 + 一1 1 5 。+ 一2 0 0 。 a c 轴总重大约1 8 0 k g 定位精度 o 0 1 3 。o 0 2 。 直线电机系统公司或西门子( 中国) 自动化与驱动集团公司出售的产品，a 轴采 用两个相同型号的力矩电机驱动，采用并联布局，订货编号 a 1 f w 6 0 9 0 o q b 0 5 0 k c 2 ，额定扭矩1 0 9 n m ，最大扭矩1 7 9 n m ，额定电流7 4 a ， 最大电流1 3 a ，额定电流时最大转速2 5 0r m i n ，最大电流时最大转速1 4 0r m i n 。 c 轴采用一个力矩电机驱动，订货编号a 1 f w 6 1 3 0 一0 q b 0 7 0 k c 2 ，额定扭矩3 4 4 n ， 最大扭矩6 1 4 n m ，额定电流1 0 a ，最大电流2 0 a ，额定电流时最大转速9 6r m i n ， 最大电流时最大转速2 1 r m i n 。 电主轴采用德国西泰克公司( c y t e c ) 的产品，订货编号c s 一1 2 1 5 0 a ，额定 功率1 6 k w ，额定转速6 0 0 0 r i n ，最大扭矩2 6 n m ，最高转速1 8 0 0 0 r m i n ，刀具 系统采用h s k 以5 0 夹紧系统( 气动) 。 2 3 角度编码器的选择 高精度位置控制是开发高精度数控机床的关键技术，定位精度和重复定位 精度高的设备是加工精度很好的保证。角度编码器，又称光电角位置传感器， 它以高精度计量圆光栅为检测元件，通过光电转换，将输入的角位置信息转换 成相应的数字代码，并可与计算机及显示装置相连接，不仅能够实现数字测量 与数字控制，而且与其它同类用途的传感器相比，具有精度高、测量范围广、 体积小、重量轻、使用可靠、易于维护等优点，具有较高的性能价格比，因此 已普遍用在