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非导电超硬材料电火花磨削主轴电机变频调速电路的设计1 2刘永红,李小朋,

时间:2017/8/23 9:36:00   来源:本网   添加人:admin

  非导电的金刚石、立方氮化硼及工程陶瓷等超硬材料以其优良的力、热、化学、声、光、电等性能在现代工业、国防和高新技术等领域中得到日益广泛的应甩并带来了巨大的社会和经济效益由于超硬材料具有极高的硬度和较大的脆性其成型加工十分困难。对于导电的超硬材料因其可直接采用电火花成型、线切割及磨削等电加工工艺,已取得较大的研究进展而对于非导电超硬材料目前人们尚未开发出一种较为完善的加工技术其加工技术的开发与应用已成为工业界的迫切要求并已受到世界许多国家的高度重视目前常用的非导电超硬材料加工方法是金刚石砂轮磨削加工但其加工成本高、砂轮损耗大、效率低,且磨削时砂轮和工件间存在很大的机械去除作用力,易使工件表面产生微裂纹、降低零件的使用寿命。为改善这一状况国内外学者探讨了把电火花加工技术引入非导电超硬材料磨削加工中的可能性,如日本学者久保田护、土屋八郎、黑松彰雄等开发出了机械电解电火花复合磨削(MEEC)方法,我国学者张崇高、刘永红等开发出了机械电脉冲电解电火花复合磨削加工技术这些复合磨削方法磨削非导电超硬材料的生产率较单纯的机械磨削方法高但由于加工时使用电解液易锈蚀机床同时加工过程中还排出一些有害的电解气体,加工环境差因此未能在实际生产中得到推广应用。经过多年的研究开发,作者研究开发出了一种新型的非导电超硬材料电火花磨削技术试验表明:采用该技术磨削非导电超硬材料具有加工效率高、表面质量好、成本低和对环境无污染等优点156.磨削主轴速度的控制是该技术中的一个重要组成部分它对加工精度、效率、表面质量等有很大影响,为把该技术尽快地应用于生产实际,本文对其主轴电机调速系统开展了研究工作,给出了相应的研究结果。

  1非导电超硬材料电火花磨削的工作原理及其对主轴调速系统的要求非导电超硬材料不具有导电性不能把它作为电极对的一方直接进行电火花加工要求对其进行电火花加工必须创造其表面可进行火花放电的条件。作者所开发的非导电超硬材料电火花磨削技术是利用沿非导电超硬材料工件表面自动伺服送进的薄片电极与旋转导电磨轮间火花放电的蚀除作用达到加工的目的,放电作用在去除非导电超硬材料的同时还在工件上形成一层碳化及变质砂轮的机械磨削作用主要去除碳化及变质层;非导电的乳化液冲注于放电间隙间,用于压缩放电通道、排除电蚀产物、冷却放电电极和导电砂轮。该加工技术对其主轴调速系统的基本要求是:调速范围宽、稳速性能好、可加工过程中实现磨轮主轴电机的在线调速与控制。

  2变频调速系统的硬件电路设计21调速系统的组成及特点为非导电超硬材料电火花磨削技术主轴电机变频调速系统的原理框图。该调速系统主要包括主电路、辅助电路和计算机测控系统三部分。主电路包括整流电路、逆变电路及相应的辅助电路;辅助电路包括驱动保护与检测电路;计算机测控系统包括数据采集、传输、接口电路和相应的软件系统等。

  调速系统结构原理图该变频调速系统的特点是:硬件结构简单、柔性好。主要功能都是采用软、硬件结合的方法实现的,因此其硬件电路简单、调速方便、灵活、适用性强。

  计算准确、控制精度高。在微机控制系统中,电机运行参数的计算都是用软件实现的不存在温度漂移问题可靠性高。微机系统由于采用的元器件少,信号全部用数字量传输故受干扰的影响小,比模拟控制可靠性高。

  22变频调速系统的主电路设计变频调速系统的主电路如所示该电路主要由整流、逆变和及其辅助电路组成整流电路主要由二极管组成的三相整流桥以及滤波电容和电感等组成,其作用是把三相交流电变成恒定的直流电压。逆变电路主要由六个GBT功率开关管组成其作用是把整流后的直流电转变成频率可调的三相交流电供给三相交流异步电机实现交流异步电动机的变频调速控断缓冲吸收电路等构成,其作用是保护GBT功率开关管、减小其关断损耗、使逆变器与交流电网去耦和为异步电机提供无功功率等。

  22.1逆变电路的工作原理通过控制六个GBT功率开关管T,~1的输入信号,实现180o导通型。在一个周期中有六种工作模式任一瞬间都有三个GBT导通,六种工作模式1-6对应GBT导通状况分别是Q1Q2Q3Q2Q3Q4Q3Q4Q5、Q4Q5Q6Q5Q6Q1-.Q6Q1Q2以工作模式1为例说明其工作情况模式1的等效电路如所示。

  通形成如所示的电流回路。同理也可以得到其它五个工作模式的等效简化电路,通过对各个工作模式的分析,可得到如a所示的相电压波形图和b的线电压波形图。

  由以上分析可知逆变器的输出频率是由T,~7;控制信号的频率fT来决定的,它们之间的关系是逆变器最终输出为三相交流电,各相之间相差120°三相对称相电压为阶梯波,线电压为方波。

  22.2逆变辅助电路的工作原理关断缓冲吸收电路是利用RC吸收网络来限制关断时的电压上升速率du/d,以保护功率GBT不被瞬间高电压损坏,由中的六组RS和CS构成关断缓冲吸收电路应尽量减小主电路的布线电感La;吸收电容应采用低感吸收电容它的引线应尽量短;吸收二极管应选用快开通和快恢复二极管,以免产生开通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压为便于计算通过对驱动保护电路的分析,画出C4放电回路的等效电路图如所逆变器输出电压波形3驱动保护电路的设计驱动保护电路的作用是在确保功率器件GBT正常工作的同时实现过压、过流或短路保护,提高GBT的使用寿命。所设计GBT的驱动保护电路应能实现控制电路与被驱动GBT栅极的电隔离与保护功能,提供合适的栅极驱动脉冲信号。所设计的GBT驱动保护电路如所示。

  电压可达2500V上升和下降时间均小于0 5s可有效地实现控制信号与功率器件的电压隔离并能对输入控制信号做出快速正确的响应。由于GBT栅-源极之间寄生电容的存在很可能在栅-源之间产生正负过电压尖峰损坏IGBT为此,本电路在栅-源极之间接入负、负对接的两个稳压二极管来防止栅源被击穿损坏功率器件。

  31短路保护的工作原理若GBT导通时因承受短路电流而退出饱租Ue上升很快则二极管D2截止从而使驱动电路的5端悬空,则电容C2由8V开始被充电B点电压由8V升至13.7V所需的时间由下式确定3:1s以后稳压管导通电容C3充电至三极管V3的开启阈值后V3导通,电容C4通过电阻R7放电C4与R7组成的放电时间常数T2=C4R7=48isC4放电至的最低值ue可由下式计算4:C4放电回路的设电容C4上的电压为u二等效图极管D1的导通管压降为07V三极管V3的导通管压降为03V则有以下关系式18:0)=20V则可求得:若电路发生短路只需28s就能使稳压管击穿,但由于被VS1击穿后,电容C3充电需一段时间才能使它两端的电压充至三极管V3的开启阈值故实际6端电位是在短路后约3 5“s后才开始软降的E点电位222NC子程序模板的读取和传值如上所述系统通过选取和组合NC子程序模板,完成了零件加工信息的识别和整体工艺规划那么读取这些选中的NC子程序模板则完成了对各加工单元的轨迹规划。在模板读取过程中,对于不涉及刀具偏移的模板语句不同尺寸零件逐行读取相同的模板内容,根据各零件加工参数通过传值生成对应于具体零件NC程序。当模板中NC语句涉及刀具等距偏移问题时不同大小的待加工零件即使读取相同NC子程序模板其读取内容也应因零件而异。在这种情况下,系统首先根据零件走刀参数通过计算确定刀具等距偏移的走刀次数,即从NC子程序模板中读取相应走刀语句的循环次数循环读取相应语句至走刀结束后,跳至NC子程序模板结束语句处,完成具体零件对某NC子程序模板的读取。以圆环为例循环次数计算方法如下:圆环外径;r加工特征圆环内径D铣刀直径;h―铣削加工的进给间距,通常根据加工经验取铣刀直径的比例形式即h=h(D)3应用实例本文以三角摆臂零件为例,首先作为新零件族零件通过选取和组合NC子程序模板生成该族NC程序主模板,并上传PIM如所示。对于三角摆臂族变形零件依据变形零件NC程序派生方法,通过对该族NC程序主模板传值后生成该变形零件NC程序并由DNC系统完成NC程序到机床的传输过程。

  嫌断NC程序主模板前上传至PDM 4结论在PDMCAMCAD集成环境下,讨论了一种通过选取和组合零件工艺单元对应NC子程序模板生成待加工零件NC程序的数控编程系统本文详细介绍了该方法下建立NC子程序特征库时特征工艺单元的划分规则及系统集成方法。本系统采用参数化编程的思想提高了数控编程的效率和正确率。不仅如此,在实际数控加工过程中,当企业加工条件发生变化,例如铣圆环,当圆环整体尺寸较小而现用机床刀具半径选择范围较大时有可能采用直线走刀方式代替原有环形走刀路线,在这种情况下,工艺人员只需替换该加工区域对应的NC子程序模板就可满足现在的要求,大大提高了编程效率。