XC型龙门铣床教案Word格式.docx
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3)辅助运动横梁的夾紧与放松、横梁的升降运动,主轴箱快速移动等
二、铣床对电气调速系统的主要技术要求
1.调速范围D=100:
1
2.调速精度在最大负载扰动下,整个调速范围内的调速精度Δn<15%
3.过渡过程时间要求高速的启动制动时间在1秒左右。
三、进给拖动系统工作原理
本系统以晶闸管整流将交流电变換成可调直流电,对直流电动机电枢供电,主电路采用三相全控桥,用交流电流互感器捡测负载电流,并引入转速负反馈,电流截止负反馈等,组成的单闭环或双闭环自动穩速的无级调速系统,简称V-M系统。
1.调速系统的组成由晶闸管整流电路、给定器、调节器、集成移相脉冲触发器、速度负反馈、电流截止负反馈、继电控制电路、保护电路、励磁电路等组成。
线路系统方框图如图1-2所示。
图1-2调速系统方框图
2.单闭环调速系统工作原理
控制柜采用两种调速系统,单闭环系统和双闭环系统。
电路原理见图纸。
(1)整流变压器。
向晶闸管整流电路供三相交流电,为减少对电网波形的影响,整流变压器接线采用△/Y0-11方式,
(2)晶闸管整流系统。
主电路采用三相全控桥式整流电路,三相交流电经交流接触器KM22、三相整流变压器TC1、三相调压器TB、由调压器经过快速熔断器FU0引至三相整流桥,由整流桥整流后,输出直流电源,再经平波电抗器L、正反转直流接触器KM13、KM14向被控电动机M电枢馈送电能,通过控制晶闸管的导通角,就可以调节晶闸管的输出直流电压,达到调速的目的。
为使工作台迅速地停車,对直流电动机采用能耗制动。
为限制电流脉动,改善电动机換向,设有平波电抗器L滤波。
(3)給定环节。
由电源板(WYD)取±
15V电源,通过中间继电器KA6来控制給定电源加到控制框上的給定电位噐RP上,调节此电位噐可得到0-10V左右的直流給定电压。
电源板主要由VD1~VD12十二个二极管组成的桥式整流电路,滤波后给LM7815和LM7915集成稳压器提供电源,输出+24V、+15V、-15V直流电。
(4)调节器(TJD)。
采用枳分调节器的无静差单闭环控制系统。
调节板是控制电路的核心,它主要由给定积分器、放大调节器、零速封锁(低速/低压)电路、缺相保护电路、电流截止负反馈电路、过流保护与报警电路等组成。
其采用高精度运算放大器LM324作为运算部件,LM324是由4个独立的低功耗、高效益、频率内补偿式运算放大器组成。
其中IC1-B、IC1-D为给定积分环节,IC1-C为放大调节电路,IC1-A为低速/低压封锁电路。
当调节给定电位器RP吋、给定电压Ug经调节板上的调节放大器转換成UK,输出给触发板上的触发电路,使触发电路输出脉冲,经脉冲变压器隔离变換,加到晶闸管的门极(控制极),将晶闸管触发导通,使电动机起动;
调节电位器,输出电压增大,电动机转速加快;
当给定电压调到最大时,输出电压220V,电动机转速达到额定转速。
(5)集成脉冲触发器(CFD)。
采用KC04集成触发器,在三相全控桥式供电装置中,用作晶闸管的双路脉冲移相触发,具有兩路相差180°
的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发电路,输出负能力大,移相性能好,正负半周脉冲相位值均衡性好,移相范围宽,对同步电压要求小,有脉冲列调制输入端等功能与特点。
IC1-KC04触发U相、IC2-KC04触发V相、IC3-KC04触发W相。
下面以U相KC04触发器分析其工作原理。
1)KC04触发器原理接线圈如图1-3所示:
图中点划线框内为集成电路。
2)主要技术数据:
电源电压直流+15V、-15V,±
5%
电源电流正电流≤15mA,负电流≤8mA
同步电压任意值(一般交流30V)
同步输入端允许最大同步电流3mA(有效值)
移相范围≥170°
(同步电流30V、同步输入电阻15~30KΩ)
锯齿波幅度≥10V(以平顶为准)
输出脉冲①宽度400us~2mS②幅度≥13V③最大输出能力100mA④输出管反压BVce0≥18V
正负半周脉冲相位不均衡≤±
3″(测试条件Ie=100uA)
3﹜各管脚的作用管脚排列如图1-4所示:
图1-4管脚排列如图
1脚同步电压正半周输出脉冲
3、4脚通过外接电容C1与内部三极管V5组成锯齿波形成环节
5脚-15V电源端
7、8脚其中8端输入同步电压uT,7端接地(GND)
9脚控制电压UK、偏差电压UP接口(移相控制)
11、12脚与外接R8、C2、V7构成一定宽度移相脉冲(脉冲形成控制端)
13、14脚提供脉冲列调制和封锁脉冲端的控制端(此端龙门铣床不用)
15脚同步电压负半周输出脉冲
16脚+15V电源端
4)工作原理
①同步检查环节由V1~V4组成,从KC04的7、8脚入同步电压uTA(30V),经外部电容C3滤波,限流电阻R4,R3加到三极管V1、V2基极,uTA正半周时V1导通,V2、V3截止,V1集电极C电位m点为低电平,V3集电极C电位n为高电平;
uTA负半周时,V1截止,V2、V3导通,m点变为高电平,n点变为低电平。
V6、V7组成与门电路,只要m.n两点有一处是低电平,就将三级管V4基极b电压Ub4钳位在低电平,V4截止。
只有在同步电压过零时刻,V1、V2、V3都截止,mn两点都是高电平,V4饱和导通。
V4截止时,积分电容C1充电形成锯齿波。
V4导通时,C1放电形成锯齿波回程电压。
②锯齿波形成环成环节三极管V5是锯齿波形成环节,积分电容C1接在V5的集电极和基极,它是电容负反馈的锯齿波发生器,在V4截止期间,锯齿波上升段开始形成,±
15V电源经R10、外部电容C1、电阻R6、RP向电容C1充电,V5集电极电位逐渐升高,基极电位有所下降,V5从饱和区过渡到放大区,集电极电位线性下降,虽然流经R10的电流逐渐减少,但经C1、R1、W1的电流基本恒定,集电极电位线性增大。
锯齿波的斜率决定于R1、W1、C1,W1是调整U相斜率的电位器。
W2调整V相斜率的电位器、W3调整W相斜率的电位器。
③脉冲形成与移相控制环节锯齿波电压UC5,从V5集电极经过R5,偏移电压-15V由W4取岀经过R6,控制电压UK经过R7在V6的基极并联综合,当V6基极电压达到0.7V时,V6导通。
不改变UC5、UW4,让UK变动,V6导通时刻随之变动,即脉冲可前、后移动。
V6、W4、UK是脉冲移相控制环节,W4是偏罝电压(初相角)电位器。
V6截止时,C2经+15V电源,经R11、V7的基射结充电,V7导通,C2的极性是左正右负。
V6导通,C2发出负脉冲信号输入到V7基极,V7截止。
以后,C2经+15V电源,R8和V6反向充电。
当电容电压使V7基极电压大于0.7V时,V7又导通。
V7截止期间,在集电极得到一定宽度的移相脉冲,在同步电压的正负半周都产生一个相隔180°
的脉冲,其宽度由放电时间常数τ=C2×
R8决定。
V7是脉冲形成环节。
④脉冲输出V7每周期输出的两个脉冲,经脉冲选择环节V8和V12,分别截去负半周和正半周的脉冲。
V8基极经稳压管接m点。
m点在同步电压正半周是低电平,V8截止,功放级V9、V10、V11导通,端子1在同步电压正半周输出脉冲;
n点在同步电压负半周是低电平,V12截止,功放级V13、V14、V15导通,端子15在同步电压负半周心输出脉冲。
1C1,KC04的1端来的脉冲信号经D1、R28、D12、T2
当控制角α=30°
时,晶闸管在U相VT1、VT5,VT1、VT6导通,输出电压波形每周期有六个纹波。
同样V相触发器IC2输出脉冲,晶闸管VT2、VT6,VT2、VT4导通;
W相触发器IC3输出脉冲,晶闸管VT3、VT4,VT3、VT5导通。
U相、V相、W相间隔120°
。
当控制角α=60°
输出三个电压波形刚好連续;
α=90°
输出三个电压波形不連续;
α=150°
输出波形为不連续的脉冲。
α=180°
晶闸管全关断,输出电压为零,因此在0°
≤α≤60°
的范围内,每个晶闸管的导通角θ=120°
输出电压波形是連续的,在60°
<α<180°
的范围内,每个晶闸管的导通角θ<180°
,输出电压波形是不連续的,α=180°
,晶闸管的导通角θ=0,输出电压为零。
(5)速度检测电压负反馈。
为了提高系统的调节精度,系统中引入了由电动机和测速发电机组成的速度检测和速度负反馈环节。
如图1-5所示:
图1-5速度负反馈电路图
测速负反馈电压Ufn输出经R22、R23和C12组成T型滤波器,滤波后送到放大调节器IC1-C输入端,与给定积分器输出的速度给定电压Ug并联综合,由于给定电压和速度反馈电压是反极性連接,所以构成转速负反馈,给定电压与反馈电压的差值△Ui,其值经积分(I)调节运算后,加到触发器(CFD)的输入端作为触发器的控制电压。
调节屏后上的电位器WUfn或改变测速机激磁电流大小便可以改变速度反馈的强度。
当由电动机转速因负載变化或外部干扰等原因而下降时,例当负载TL↑→n↓→Ufn↓→△Ui=(Ug-Ufn)↑→UC↑→a↓→Ud0↑→n↑,最后稳定在原给定速度运行,由于系统的自动调节作用,达到了转速自动穩定的目的。
(6)励磁电源。
由整流变压器副边取出的245V的交流电源经单相桥式整流后输出220V直流电作为直流电动机的励磁电源。
(7)保护系统。
1)电流检测和反馈
龙门铣床要求能实现快速起动,但由于系统的机械惯性较大,电动机转速不能立即建立起来,尤其起动初期转速反馈信号Ufn=0,加在比例调节器输入端的转速偏差信号△Un=Un-0是稳态时的(1+K)倍,造成整流电压U0达满压起动,直流电动机的起动电流高迏额定电流的几+倍,过电流保护继电器会使系统跳闸,电动机无法起动。
此外,当电流和电流上升率过大,从直流电动机換向及晶闸管元件的安全要求来讲是不允许的。
为了限制系统的起、制动电流,使其不超出电动机过载能力的允许限度,因此引入了电流截止负反馈环节。
电流检测由整流变压器输出三相交流电经电流互感器将送到三相桥式整流电路,滤波后经W3电位器送到稳压管WD2,使电流反馈信号Ufi与UZ进行比较,其比较差值△Ui=Ufi-UZ送积分调节器。
2)直流输出端过流
从电流互感器反馈过来的主回路电流加入到调节板(TJD),其值一旦超过系统的设定最大过电流值(出厂时整定在额定值的150%)调节器内将给出一个故障信号,故障继电器KA2吸合,断开主电路电源,同时故障指示灯发亮。
过流保护由电流互感器、三相桥式整流电路、LM311为单运算放大器、双主从D型触发器CD4013、晶闸管SCR、继电器KA2等组成。
CD4013内部含有两个完全独立的D触发器,是一种无空翻的器件,由六个“与非”组成,A、B组成基本R-S触发器,C、D、E、F组成导引电路。
D端即信号输入端,CP为时钟信号输入端,ˉRd和ˉSd分别是直接罝0端和直接罝1端,Q和ˉQ端为输出端,D触发器的真值表见表1-1,其特征方程为:
D
Qn
Qn+1
说明
0
1
置0
置1
Qn+1=D
D触发器的状态翻转只能发生在CP信号的上升沿(即CP由0变1瞬间)。
[D]触发器工作状态是由控制端的电平来决定的,在时钟脉冲CP的上升沿来到之前,若控制端[D]=1,当CP上升沿来到后,则触发器便置“1”,若时钟脉冲的上升沿来到之前,控制端[D]=0,当CP脉冲的上升沿来到后,则触发器便置“0”。
D触发器工作原理:
设初始状态Q=0,-Q=1,若[D]=1在时钟脉冲来到之前(即CP=0),这时C门输出“1”,D门输出“1”,由于C门的输出端有一連接线到E门输入端,故E门的输入全为“1”,(即C=1,[D]=1),于是E门输出为“0”,由于E门有一連接线到F门的输入,故F门输出为“1”,如上所述,当-Q=1、Q=0、CP=0、CP=0,[D]=1时,各“与非”门的输出状态,是;
A=1、B=0、C=1、D=1。
E=0、F=1。
其逻辑电路图如图1-3所示:
图1-3逻辑电路图图形符号
3)缺相保护
安装在快速熔断器输出端的三个0.47u/630V的电容器接成星形,其中点通过安装于继电器板上的缺相保护变压器B5接到主整流变压器副边的中性点上,当快速熔断器任何一只熔断时,变压器B5的副达既感应出一峰值高电压,该电压加入到调节器的保护电路上对系统保护,重复KA2吸合过程。
还设有欠电流继电器KI2作失磁保护,过电流继电器KI1作过流保护,用快速熔断器FU0作短路保护,为防止电源过电压而引起的浪涌电压侵袭,用电容作交流侧过电压保护,为防止晶闸管元件在承受換向时产生过电压而遭到损坏,用电容、电阻作为阻容吸收保护,为吸收电动机两端所产生的过电压,用电容、电阻作直流侧的阻容保护。
3.双闭环调速系统组成及工作原理
双闭环调速系统工作原理除调节器(TJD)外,工作原理与单闭环相同。
调节器(TJD)是采用比例—枳分(PI}调节器的无静差双闭环控制系统。
(1)转速、电流双闭环调速系统的特点
单闭环调速系统,即保证了动态稳定性又实现了无静差,解决了动、静态之间的矛盾。
然而仅靠电流截止环来限制起动、制动电流和升速时的冲击电流,性能不令人满意,为充分利用电动机的过载能力,加快起动过程,系统设置了-个电流调节器,构成电流转速双闭环调速系统。
实现了在最大电枢电流约束下,转速过渡过程最快的“最优”控制。
双闭环是在系统中设置了两个调节器,分别控制转速和电流,并将两个调节器串级连接。
转速负反馈的闭环在外面,称外环,用ASR表示,以保证电动机的转速准确地跟随给定值,并抵抗外来的干扰;
电流负反馈的闭环在里面,称内环,用ACR表示,以保证动态电流为最大值并保持不变,使电动机快速地起、制动,同时还能起限流作用,并可以对电网电压波动起及时抗扰作用。
(2)双闭环工作原理
转速给定信号Ugn和转速反馈信号Ufn,比较后的偏差信号△Un=Un-Ufn,为速度调节器的输入信号,速度调节器的输出作为电流环给定信号Ui,与电流环反馈信号比较后的偏差信号△Ui=Ui-Ufi,送到电流调节器,其电流调节器的输出信号Uk为触发移相电路的控制信号。
转速调节器ASR的输出限幅电压值USm决定了电流调节器ACR的给定电流的最大值,该值完全取决于电动机的过载能力和系统对最大加速度的需要。
电流调节器输出正限幅值+Uim则表示对触发装罝最小控制角amim的限制或对晶闸管装罝输出电压最大值Udm的限制。
(3)双闭环调节器的作用
1)转速调节器的作用
①使转速n跟随给定电压Ugn变化,实现转速无靜差调节。
②对负载变化起抗拢动作用。
③其饱和输出限幅值作为系统允许最大电流的给定,起饱和非线性控制作用,以实现系统在最大电流约束下的起动过程。
2)电流调节器的作用
①起动时,实现最大允许电流条件下的恒流升速调节—时间最优。
②在转速调节过程中,使电流跟随其给定电压Un变化。
③对电网电压波动及时起抗拢动作用。
④当电动机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,从而起到快速的安全保护作用。
如果故障消失,系统能自动恢复正常。
4.同步电压与晶闸管阳极电压的相位关系
控制晶闸管阳导通除了触发脉冲的频率与主回路电源的频率相同外,还要求触发脉冲的相位和晶闸管主电路电源的相位要一致。
由于三相同步变压器TC2和晶闸管主回路的三相交流变压器TC1接在同一三相电源上,因此同步变压器副边电压的相位必然和接在交流变压器副边的晶闸管阳极电压相位相同。
四、控制电路的工作情况
X2012C型龙门铣床采用晶闸管调速,主要用于进给系统,以实现工作台的向前、向后,左右主軸箱向上、向下,水平主軸箱的向左、向右进给运动,由于共用一套触发系统,由选择开关SA5控制,由按钮实现快速和进给运动,工作台的进给和快速还采用电磁离合器控制,系统采用能耗制动。
1.主电路分析
M1-垂直主軸电动机M2-右水平主軸电动机
M3-左水平主軸电动机M4-横梁电动机
M5-床身润滑电动机M6-液压泵电动机
M7-冷却泵电动机M`11-垂直铣头进给电动机
M12-右水平铣头进给电动机M13-左水平铣头进给电动机
M15-工作台进给电动机TG11-垂直铣头测速电动机
TG12-右水平铣头测速电动机TG13-左水平铣头测速电动机
TG15-工作台进给测速电动机
2.控制电路分析
合上总电源自动空气开关及控制的自动空气开关QF、QF10及控制各电动机的自动空气开关,电源指示灯HL1亮,继电器KA11、KA12吸合,按下按钮SB2,KM20、KM22,三相电源送到同步变压器及晶闸管电路。
(1)直流控制电路
由选择开关SA5控制接触器来选择进给方式,SA5-1、KM21为工作台进给;
SA5-2、KM17为垂直铣头进给;
SA5-3、KM18为右水平铣头进给;
SA5-4、KM19为左水平铣头进给。
1)工作台的进给合上琴键开关SA5-1,继电器KA7吸合,KA7常开触点(143-144)闭合,按下按钮SB4,KM9吸合,润滑电动机M5起动,床身液压继电器SP1(102-132)触点闭合,继电器KA1吸合,其常开触点(133-134)闭合,工作台接触器KM21吸合,电动机M15、测速发电机TG15磁场供励磁电源。
①正向快速按下快速按钮SB10,继电器KA16吸合,KA16常开触点(184~189)、(102~129)、(308~310)闭合,继电器KA18、KA6及电磁离合器YC1吸合,KA18常开触点(406~409)闭合,直流接触器KM14吸合,电动机M起动,工作台向前快速。
KM14常开触点(102~125)闭合,制动延时继电器KT5吸合,为工作台停車制动作准备。
②正向进给SA为交流主軸选择开关,SA1是垂直主軸正反转开关;
SA2是右水平主軸正反转开关;
SA3是左水平主軸正反转开关。
将主軸选择开关SA1、SA2和SA3扳到需要位置,按下主軸起动按钮SB5,KT1吸合,其延时断开常开触点(140~141)瞬时闭合,继电器KA2吸合,其常开触点(102~108)闭合,主軸按选择方向起动。
然后按下进给按钮SB9,继电器KA18吸合,且常开触点(184~187)经过KA2常开触点(182~187)自锁,KA18(308~312)闭合,电磁离合器YC2吸合,KA18(406~409)闭合,直流接触器KM14吸合,电动机M起动,工作台在调速电位器给定的速度向前进给,正向进给指示灯HL4亮。
工作台反向快速和进给工作情况与正向相似,只是控制的按钮与继电器、接触器不同,反向快速由按钮SB12、继电器KA15、KA17和接触器KM13控制;
反向进给由按钮SB11,继电器KA17和接触器KM13控制。
反向进给指示灯HL3亮。
工作台停止采用能耗制动,按下停止按钮SB13,继电器和接触器断电,KM13或KM14、KA17或KA18常闭触点复位,制动直流接触器KM15吸合,电动机接入制动电阻RP1实现能耗制动,KT5延时3S断开,能耗制动完毕。
工作台速度指示,由测速电动机TG15通过KA13或KA14常开触点,将速度反馈电压送到速度表指示其进给速度。
2)垂直铣头、右水平铣头、左水平铣头快速与进给由于它们共用一套控制系统,工作原理与工作台相同,只是由选择开关SA5选择。
(2)交流控制电路
1)主軸正反转
开关SA1为垂直主軸正反转选择开关,开关SA2为右水平主軸正反转选择开关,开关SA3为左水平主軸正反转选择开关。
SB6为共用点动控制按钮,SB5为共用长车控制按钮,SB3为停止按钮。
①垂直主軸正反转点动将选择开关SA1扳向正转或反转位置,按下按钮SB6,正转接触器KM1吸合,反转接触器KM2吸合,电动机M1带动主轴正反转点动。
②垂直主軸正反旋转按下按钮SB5,垂直主軸即按选择开关SA1方向旋转。
右水平主軸正反转,由接触器KM3、KM4及电动机M2控制。
左水平主軸正反转,由接触器KM5、KM6及电动机M3控制。
2)横梁的上升与下降
横梁平时是夹紧在立柱上的,为了适应加工不同高度的工件,才将横梁从夹紧状态下放松,根据要求使横梁作上下移动,移动到需要位置时,再将横梁夹紧在立柆上。
横梁夹紧和放松采用液压控制。
①横梁向上按下按钮SB7,继电器KA4吸合,时间继电器KT2、KT3吸合,接触器KM10吸合,液压泵电动机M6起动,油压推动机构装置对横梁放松,放松完毕,压下限位开关SQ11、SQ12,继电器KA3吸合,KA3(158~159)、KA4(157~158)的闭合,接触器KM7吸合,横梁电动机M4起动,横梁向上移动,
松开SB7,KA4断电,KM7断电,M4停止,横梁向上停止,KT2延时5S,其延时断开常开触点(121~149)断开,KM10断电,M6停止,压力油推动机械装置,将横梁夹紧,夹紧完毕,限位开关SQ11、SQ12断开,KA3断电。
②横梁向下横梁下降过程与上升工作情况基本相似,仅不同的是增加了横梁下降到位后再作稍许回升,其作用是为了消除下降时丝杆与丝母的间隙,它的回升是由时间继电器KT3、KT4实现的,整定值KT3为3S、KT4为4S,由于横梁的回升是在横梁夹紧开始后同时进行的,所以时间不能整定过长,防止造成不必要的事故。
按下按钮SB8,KA4吸合,KT2、KT3吸合,KM10吸合,M6起动,压力油推动机构装置对横梁放松,放松完毕,压下限位开关SQ11、SQ12,继电器KA3吸合,KA3(161~162)、KA4(162~163)的闭合,接触器KM8吸合,横梁电动机M4起动,横梁向下移动,KM8常开触点(163~164)闭合,KT4吸合,为横梁回升作准备。
松开SB8,KA4断电,KM8、KT4断电,M4停止,横梁向下停止,KT3通过KT4延时断开常开触点(121~151)瞬时闭合,及KM8常闭触点(151~152)吸合,其延时闭合常开触点(157~158)延时2S闭合,KM7吸合,M4起动,横梁向上回升,其延时断开常开触点(121~151)4S断开,KM7断电,M4停止,
KT2延时5S,其延时断开常开触点(121~149)断开,KM10断电,M6停止,压力油推动机械装置,将横梁夹紧,夹紧完毕,限位开关SQ11、SQ12断开,KA3断电。
3)冷却泵电动机起动按下按钮SB15,接触器KM11吸合,冷却泵电动机M7起动。
按下按钮SB14,KM11断电,冷却泵电动机停止。
(
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