经济型数控车床设计.doc

经济型数控车床的电气结构设计摘 要 数控系统以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受人们关注。 数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进设备。随着先进制造业的发展，对数控机床的设计，特别是经济型数控机床的设计已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。 本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对同类型机床的分析，提出了经济型数控机床电气设计的技术方案。并针对经济型数控机床的特点，进行了机床电气部分的设计 ，包括数控系统、步进电机的选型和理论分析和故障诊断。最后阐述了设计后机床的精度和性能以及今后尚需完善之处。 经济型数控铣床，显示了机床强大的工作能力和高度的可靠性。加工精度和生产率较普通铣床有了很大提高，是提高企业生产率和增加效益的一条切实可行的途径。关键词：经济型，数控车床，电气设计，步进电机AbstractNumerical control system of flexible automation for its superior performance, outstanding accuracy and stable, agile and functional diversity caused by the world. With the develop of science and technology,NC(numerical control) technology which has applied for the modem manufacture industry is bron and grow up. NC machine is the representative of advanced equipment in current mechanical manufacture industry. With the developing of modem manufacture industry, to design machine with NC, especially to study the economy milling-machines design with NC has becoming more urgent and arduous for us. After introducing NC machines history and current status and the analysis of similar type machine, a novel scheme for NC machine electric design and new NC machine selection is proposed; With the features of economy NC machine , the design of the machine electric system have been completed. Matching、jointing and diagnose trouble of the NC system have been completed. The main parameters of the machine have been confirmed and optimized too. The accuracy and function of machine in finality have been improved. The economy NC machine, so as to their working precision and productivity. It is proved that raising rate of NC control is a feasible way for enterprise to enhance their productivity and profit.Key words: Economy type, numerical control machine, Electric design，stepper motor 目 录摘 要IAbstractII1 绪 论- 1 -1.1经济型数控车床的产生和发展历程- 1 -1.1.1数控机床的发展简史- 1 -1.1.2我国数控技术的发展- 1 -1.1.3数控机床发展趋势- 2 -1.2课题背景、意义及研究目标- 4 -1.2.1课题背景、意义- 4 -1.2.2 研究目标- 5 -2 数控机床及控制方式- 7 -2.1数控机床的组成及工作原理- 7 -2.1.1数控机床的结构组成- 7 -2.1.2数控机床的控制组成- 7 -2.1.3数控机床的工作原理- 8 -2.2机床控制方式选择- 8 -2.2.1位置控制方式分类- 8 -2.2.2步进电机的开环控制- 9 -2.2.3数控机床开环系统速度计算- 10 -3 步进电动机的计算与选型- 12 -3.1进给步进电机的选择- 12 -3.1.1 确定系统的脉冲当量- 12 -3.1.2 步距角的选择- 12 -3.1.3 矩频特性- 13 -3.1.4据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性- 16 -3.2 主轴电机- 17 -3.2.1主轴的变速范围- 17 -3.2.2初选主轴电机的型号- 17 -3.2.3 主轴电机的校核- 17 -4 数控机床电气控制系统- 18 -4.1驱动强电回路- 18 -4.2电源控制回路- 19 -4.3交流控制回路- 20 -4.4 PLC输入/输出回路设计- 20 -4.5 数控机床运动坐标的电气控制- 22 -5 数控机床电气故障与维修- 25 -5.1常见电气故障分类- 25 -5.2故障的调查与分析- 26 -5.3电气维修与故障的排除- 28 -5.4维修排故后的总结提高工作- 29 -结论- 30 -致谢- 31 -参考文献- 32 -附录 A1.1- 33 -附录 A1.2- 43 - 53 -1 绪 论1.1经济型数控车床的产生和发展历程1.1.1数控机床的发展简史 数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服实验室合作，开始从事数控机床研制，于1952年试制成功世界第一台数控实验性样机。后又经过3年的改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。到了20世纪60年代，由于晶体管的应用，使数控系统的可靠性得到了提高且价格下降，得到了广泛的应用。20世纪80年代后期，随着加工中心功能和结构的完善，逐步显示了这种工序集中数控机床的优越性，开始出现车削中心，铣车中心。20世纪90年代后期又进一步发展了由激光，电火花和超声波等特种加工方法与切削，磨削加工方法组合的复合机床，使得复合加工技术成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点。1.1.2我国数控技术的发展1.1.2.1国内数控机床现状近年来，随着机床工业的发展，我国机床一一“工作母机”一直保持两位数增长。2003年产值达260亿元，产量居世界第四。我国的机床消费则超过59亿美元(约合人民币488/亿元)，首次跃居“世界第一”，产值水平260亿元，消费超出220多亿元，其差额自然只有靠进口。据海关统计，2003年我国进口机床产品金切机床及锻压设备约31.5亿美元，又是一个“世界第一”!而全行业出口仅为进口的1/10一一3.1亿美元。其中出口的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。机床业现状可以用“三大一小”一一消费大国、生产大国、进口大国和出口小国来概括。 “母机”水平看“数控”。1992年我国年产数控机床仅2400多台.到2003年这一数字已为2.48万多台，比上年增长了41.6l%。10年来，我国数控金切机床产量翻了两番多，数控机床产品开发加快，一批反映当前世界数控机床发展潮流的高档次数控机床问世，如直线电机驱动加工中心、五轴车铣复合中心、五轴龙门加工中心等。建立了以中、低档次数控机床为主的产业体系和高档次数控机床的研发和生产体系，可以说，我国机床业整体素质有了明显提高。但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率还不到30%；消费值数控化率还不到50%，而发达国家大多在?0%左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口。我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。这些数控机床，除少量机床以FMs模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。1.1.2.2国内外数控系统发展概况 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。1.1.3数控机床发展趋势1.1.3.1性能发展方向(1)高速，高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。从精密加工到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削，超精密磨削以及超精密特种加工。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及县零件的出现，更高精度的提出等都要求提高精密加工工艺水平，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。(2)高可靠性高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性一个数量级以上，但也不时可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，要受性能价格比的约束。在可靠性方面，国外数控装置的平均无故障运行时间值达6000H以上，伺服系统的平均无故障运行时间为30000H以上，表现出非常好的可靠性。(3)插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。(4)内装高性能PLC数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。(5)数控机床设计CAD化随着计算机应用的普及及软件技术的发展，计算机辅助设计技术的到了广泛的发展。CAD不仅可以替代人工完成浩繁的绘图工作，更主要的是可以进行设计方案选拔和大件整机的静，动态特征的分析，计算，预测，和优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。机构设计模块化 任何一类机床都是由若干基础件，标准件和功能件组成的，尽管在同一类机床中有规格大小和立，卧等形式之分，但大体上功能都是相似的。为了便于发展同系列和跨系列变形品种，满足用户市场的需要，现在许多机床生产厂家都在发展自己的产品的模块化结构设计。1.1.3.2功能发展方向 用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。1.1.3.3体系结构的发展(1)集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。(2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。(3)网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。(4)通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化1.2课题背景、意义及研究目标1.2.1课题背景、意义1)专家预言进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。展望未来，发展具有自己特色的机床事在必行，经济型数控机床就应运而生。2)企业人才需求现状（l）蓝领层 主要从事数控机床的操作，在企业需求的数控岗位中占先70.13%，是企业数控人才需求量最大的部分；(2)银领层 主要指企业目前急需的人才具有扎实的数控加工工艺及编程基本理论知识和操作技能的工艺编程人员，在企业数控技术岗位中占12.6%；具有较强的数控设备、机械、电气调试及维护、维修动手能力的数控设备维修人员，在企业数控技术岗位中占12.44%；(3)金领层 主要指精通机电、机电联调、机床操作、编程及维修的数控高层次技术人才，在企业数控技术岗位中占4.83%。3)数控技术教育现状.沈阳装备制造学校在校生达3000多人，其中数控、机电等工科专业学生占80%以上。学院有一个实习工厂，供学生机加工等工种实习，其中数控车、铣床不足十台。随着社会经济的发展，社会大中型企业、集体企业、私营企业迫切需要数控人才，主要用于数控加工的编程、数控机床的操作、维护等，学校在设备数量、培养规模等方面，远远不能适应这一现状。为改善数控实训条件，改变数控机床严重短缺的现状，满足学生数控机床的操作、编程、维护等实训要求，同时还能用微机控制铣削任意弧面及轮廓曲面，并且在学校所能承受的范围内，实习工厂需购置一些价格便宜的经济型数控车床。4）发展经济型数控车床的意义 在我国的国民生产总值中，民营企业占了60%以上。，大多数又是中小企业。由于中小企业资金匮乏，买不起价格高昂的高档数控铣床，所以格便宜但又能满足一般加工精度和加工要求的经济型数控铣床需求量很大。中国的职业教育也正在快速的发展，经济型数控不但能满足学生对控机床的操作、编程、维护等实训的要求而且价格低。综上所述，经济型数控铣床在我过有很大的市场和需求，发展经济型数控铣床业势在必行。我们衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗！1.2.2 研究目标设计的目标是制造出一款操作方便，稳定性好，造价低的经济型数控车床。我所做的设计是经济型数控车床电气部分。该机床的适用范围（1）多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件；（2）加工过程中必须进行多工序加工的零件；（3）用普通机床加工时，需要昂贵工装设备；（4）必须严格控制公差，对精度要求较高的零件；（5）工艺设计需多次故型的零件；（6）需要员短生产周期的零件；2） 该机床需达到的加工要求（1）可以加工一般复杂的工件 数控机床的刀具运动轨迹是由加上程序决定的，因此只要能编制出程序，可以加工具有一般复杂的工件 。（2）加工精度高，尺寸一致性好 数控机床本身的精度都比较高，该机床的轴向定位精度为0.015mm，重复定位精度为0.008mm，在加工过程中操作人员不参与操作，因此工件的加工精度全部由机床保证，消除了操作者的人为误差。因而加工出来的工件精度高，尺寸一致性好，质量稳定。 （3）生产效率高 数控机床的主轴转速、进给速度和快速定位速度高，通过合理选择切削参数，充分发挥刀具的切削性能，减少切削时间，不仅能保证高精度，而且加工过程稳定。不需要在加工过程中进行中间测量，就能连续完成整个加工过程，减少了辅助动作时间和停机时间。阅此，数控机床的生产效率高。（4）可以减轻工人劳动强度，实现一人多机操作 一般数控机床加工出第一个合格工件后，工人只需要进行工件的装卡和启动机床，因此减轻了工人的劳动强度。该机床可靠性高，保护功能齐全，并且数控系统有白诊断和自停机功能，因此当一个工件的加工时间超出工件的装卡时间时，就能实现一人多机操作。 （5）经济效益明显 虽然数控机床一次投资及日常维护保养费用较普通机床高很多，但是如能充分发挥数控机床的能力，将会带来很高的经济效益这些效益不仅表现在生产效率高、加工质量好、废品少上，使用数控机床还能带来减少工装和量刃具，缩短生产周期，缩短新产品试制周期等优势，从而为企业产生明显的经济效益。 （6）可以精确计算成本和安排生产进度 在数控机床上，加工所需要的时间是可以预计的，并且相同工件所用时间基本一致，因而工时和工时费用可以精确估计。这有利于精确编制生产进度表，有利于均衡生产和取得更高的预计产量。2 数控机床及控制方式2.1数控机床的组成及工作原理数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号指令规定的程序。2.1.1数控机床的结构组成 数控机床的机械机构主要由以下几部分组成： 1主传动系统 它包括动力源，传动件及主运动执行件等，其功能是将驱动装置的运动及动力转给执行件，已实现进给切削运动。 2进给传动系统 它包括动力源，传动件及进给执行件等，其功能是将伺服驱动装备的运动与动力传给执行件，以实现进给切削运动。 3基础支撑件 它是指机床本身，立柱，导轨，滑座，工作台等，它支撑机床的各主要部件，并使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。 4辅助装置 辅助装置视数控机床的不同而异，如自动换刀系统，液压气动系统，润滑冷却装置等。2.1.2数控机床的控制组成图2一1救控机床组成与工作过程框图数控机床通常由程序载体(控制介质)、输入装置、数控装置、伺服系统、位置反馈系统和机床本体组成，如图2一1所示。其中实线部分为开环控制数控机床框图，上述系统再加上虚线部分，就构成具有测量反馈功能的闭环控制数控机床框图。1 控制介质(信息载体)数控机床加工时，为了得到图样上所规定的零件形状和加工精度，在加工过程中，机床所需要的全部操作动作和刀具相对于工件的运动轨迹，都是由我们按着一定的要求和顺序编成控制指令即加工程序，并把它存放在一种存储物上。此存储物就是在人和机床之间建立联系的媒介物，也就是控制介质或称信息载体。控制介质可以是穿孔纸带，磁带、磁盘或其他可存储物质。2 数控装置数控装置是数控机床的中心环节，它接受控制介质输入的信息，经过处理与运算去控制机床动作。数控装置由输入装置、存储器、控制器及一套处理数控加工的相关软件、运算器和输出装置组成。3 伺服系统英文Servo的音译) 是数控装置与机床的联系环节，它把来自数控装置的指令转变为机床部件的运动，使工作台和主轴按规定的动作运动，加工出合格产品。2.1.3数控机床的工作原理(1) 使用数控机床进行数控加工时，把零件的加工信息(如零件尺寸、形状和技术条件)编出工件加工程序，将加工工件时刀具相对于工件的位置和机床全部动作顺序，按规定格式和代码记录在信息载体上； (2) 信息载体(控制介质)即工件加工程序输入计算机数控装置；(3) 装置接收由穿孔带、阅读机、磁盘、键盘等送入的代码信息，经过识别与译码之后送到指定存储区，作为控制与运算的原始数据；(4) 服驱动系统把来自数控装置的运动指令转变成机床移动部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或定位，加工出符合图样要求的工件；(5)辅助装置把计算机送来的辅助控制指令，经机床接口电路转换成强电信号，用来控制机床主轴电机的启动停车，主轴转速调整，冷却泵启停以及转位换刀；(6)反馈系统将机床移动的实际位置，速度参数检测来，转换成电信号，并反馈到计算机中，使计算机随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。零件在机床上加工过程如图2一1所示，当改变加工工件时，在数控机床上只需改变加工程序即可进行新零件加工。2.2机床控制方式选择2.2.1位置控制方式分类伺服系统是位置控制系统，是数控装置与机床的联系环节，位置控制按其结构分为开环控制和闭环控制。2.2.1.1开环控制形式如图2一2是典型的开环数控系统，其中没有位置检测反馈装置，指令是单方向传送的，并且指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环控制的伺服系统主要使用步进电机。插补器进行插补，发出指令脉冲，经驱动放大电路放大后，驱动步进电机转动，一个进给脉冲使步进电机转动一个角度，通过齿轮减速，丝杠传动使工作台移动一定距离，因此，工作台的位移量与步进电机的转角成正比，即与进给脉冲数目成正比。改变进给脉冲数目和频率，可以控制工作台的移动量和速度。图2-2开环控制系统框图开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，但控制精度不高，适宜于经济型数控机床及数控改造。2.2.1.2闭环控制形式安装在工作台上的检测元件将工作台的实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位移量相比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止，从而使精度大大提高，如图2一3所示。闭环控制加工精度高，移动速度快，但电机控制电路比较复杂，检测原件价格昂贵，调试维修费用高。图2-3闭环控制系统框图2.2.1.3结 论本设计做的是经济型的数控车床，所以采用价格较低的开环控制系统。2.2.2步进电机的开环控制步进电机是典型的开环驱动装置，与所选定的WA一21M数控系统相匹配，是将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。其角位移量和输入脉冲的个数严格的成正比，在时间上与输入脉冲同步。2.2.2.1步进电机的工作原理（1） 步进电机的定子绕组每换接一次通电相序，步进电机转子就沿某旋向旋转一个角度即步距角。 （21） 其中一步距角；m一定子绕组相数，通常有由三相、四相、五相等；z转子齿数；k一与通电方式有关的系数，k=拍数/相数。（2）进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格的成正比例，控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。(3) 进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。 （22）其中n一转速(r/min)；f控制脉冲频率(Hz)；一步距角度数)。 (4) 变通电相序即可改变电机转向。2.2.2.2步进电机开环控制系统构成 2一5步进电机控制系统构成及原理图如图2一5是步进电机开环控制系统的构成及原理框图，它由脉冲信号源、脉冲分配器、功率放大器、步进电机组成。脉冲信号源是一个脉冲发生器，脉冲的频率可以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制。在CNC系统由计算机根据程序控制脉冲个数和脉冲频率，对步进电机实行各种运行状态的控制。脉冲分配器一方面接受输入脉冲和方向指令，另一方面面向功率驱动器供给控制信号。在方向指令的作用下，脉冲分配器将输入CP脉冲信号按一定顺序分配，然后送到驱动器进行功率放大，驱动步进电机使其转子按顺时针或逆时针方向转动。 功率驱动器是一功率开关电路，其作用就是将从脉冲分配器送来的弱电信号经功率放大，控制步进电机各项绕组电流按一定的顺序切换，步进电机按要求运转。步进电机是拖动负载的执行元件。2.2.3数控机床开环系统速度计算在开环系统中，坐标轴运动速度是通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现的，系统每发出一个脉冲，步进电机就转过一个角度，从而驱动坐标轴移动一定距离即脉冲当量()。插补程序根据零件轮廓要求向各个坐标轴分配脉冲，提供位置指令。而脉冲发送到步进电机的频率则确定了进给速度，进给速度V与脉冲发送频率f有如下关系： 其中V进给速度(m/s)；f脉冲发送频率（z）；脉冲当量(mm)。3 步进电动机计算与选型3.1进给步进电机的选择3.1.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。因此，脉冲当量应根据机床精度的要求来确定，本机床的定位精度为0.015mm，因此选用的脉冲当量为0.01mm/脉冲 0.005mm/脉冲。3.1.2 步距角的选择根据步距角初步选步进电机型号，并从步进电机技术参数表中查到步距角b ，三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。步距角b 及减速比 i与脉冲当量p 和导程 L0 有关。初选电机型号时应合理选择b及i, 并满足： b (pi360)/L0 由上式可知：b pi360/L0=3600.011/10=0.36初选电机型号为:110BYG501（10NM）具体参数如表3.1所示 表3.1： Z轴步进电机步距角相数驱动电压电流110BYG5010.36 580V3A静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量 5N.m 2200 3000040 kg.cm4.5kgX轴电机步距角的确定b pi360/L。 L。=6mm , i=1 , p=0.005 b 0.3 初选电机型号为:990BYG501（5NM）X轴向电机步距角相数驱动电压电流90BYG5010.3 580V3A静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量 16 N.m 2500 3500015kg.cm16kg图3-1 电机简图3.1.3 矩频特性 =J=J10(N.cm) 由于：nmax=(r/min)则： Mka=J(N.cm)式中：J为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg.cm）;为电机最大角加速度（rad/s）;nmax为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（r/min）;t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间（s）;vmax为运动部件最大快进速度（mm/min）; p为脉冲当量（mm/脉冲）；b为初选步进电机的步距角（）步，对于轴、轴承、齿轮、联轴器等圆柱体的转动惯量计算公式为J=(kg.cm),对于钢材，材料密度为7.810(kg.cm),则上式转化为J=0.78DL10(kg.cm),式中：Mc为圆柱体质量（kg）;D为圆柱体直径（cm），JD为电动机转子转动惯量，可由资料查出。(1)转动惯量Js Js=Js/i，i为丝杠与电机轴之间的总传动比由于i=1则: Js=0.78DL10=0.78(6.3)17010=208.9( kg.cm)(2)工作台质量折算工作台是移动部件，其移动质量惯量折算到滚珠丝杠轴上的转动量JG:JG=（）M( kg.cm),式中：L。为导程（cm）;M为工作台质量（kg）.由于L。=1cm,M=90kg则 ： JG=（）M=90=2.28( kg.cm)1）一对齿轮传动小齿轮装置在电机轴上转动惯量不用折算，为J1.大齿轮转动惯量J2折算到电机轴上为=J2()2）两对齿轮传动传动总速比i=i1i2,二级分速比为i1=z2/z1和i2=z4/z3.于是，齿轮1的转动惯量为J1,齿轮2和3装在中间轴上，其转动惯量要分别折算到电机轴上，分别为J2()和J3().齿轮4的转动惯量要进行二次折算或以总速比折算为：=J4()() 因此，可以得到这样的结论：在电机轴上的传动部件转动惯量不必折算，在其他轴上的传动部件转动惯量折算时除以该轴与电机轴之间的总传动比平方。由于减速机构为一对齿轮传动，且第一级i=1,则可分别求出各齿轮与轴的转动惯量如下：n=32,m=2的转动惯量J32,其分度圆直径d=322=64mm 则:J45=0.786.7510=4.371 kg.cmn=40,m=2的转动惯量J40,其分度圆直径d=402=80mm 则:J40=0.78610=2.73kg.cm两输入输出轴的转动惯量为:J输入=0.781.81310=0.106 kg.cm ; L=130mmJ输出=0.782.51310=0.396 kg.cm ; L=130mm查表得：JD=4 kg.cm综上可知：J=JD+Js+JG+J32+J40 （3-3） =252.302 kg.cm又由于 V =1.461600=2236mm/min则：Mka=252.30210=41.1N.cm(3)力矩的折算：1）Mkf空载摩擦力矩Mkf= 式中：G为运动部件的总重力（N）； f为导轨摩擦系数；i为齿轮传动降速比；为传动系统总效率，一般取=0.70.85；L。为滚珠丝杠的基本导程（cm）。由于G=9010=900N, f=0.05, i=1, =0.85则Mkf =8.4N.cm2）M。附加摩擦力矩 M。=(1-。) 式中：Fyj为滚珠丝杠预加负载，即预紧力，一般取1/3Fm;Fm为进给牵引力（N）, 。为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取。0.9得 Fyj=1/3Fm=1/31728.8=576.3N又 L。=10mm ， =0.95则 M。=96.6 N.cm 则 =+M。=41.1+8.4+96.6=140 N.cm由于=则所选步进电机为五相十拍的经表查得 ：=0.951则 =1.67N.m=0.955=4.75N.m所以所选步进电机合乎要求3.1.4 据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性T=(fn-f0) 式中：T为加减速时间，Jr和Jl分别为转子，负载的转动惯量（kg.m）为电机得步距角（），Tcp,Tl为电机最大平均转矩，负载转矩（N.m）f。,fn为起始加速时，加速终了时的频率（Hz）由于 Jr=0.410 kg.m Jl=0.0252 kg.m =0.36Tcp=5 N.m Tl=1.67 N.m f0=2200Hz fn=30000Hz 则 T=(30000-2200) =1.2s1.5s所以选此步进电机能满足要求。3.2 主轴电机3.2.1主轴的变速范围 主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围Rn, 即Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。 由于 Nmax=1800 nmin=40Nmax/nj=2nj/nmin 则 nj=189.73r/min这里nj为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围Rn为：Rn=nmax/nj =1800/189.73=9.484主轴电机的功率是：4kw3.2.2初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/kw=17.5kw,短时负载（20min）/kw=19.25kw,额定负载n/r.min=5000，最大转速nmax/r/min=8000,额定转矩277N.m,惯性矩0.206/kg.m3.2.3 主轴电机的校核电动机恒功率调速范围：Rn=nmax/nmin=8000/500=16所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。4 数控机床电气控制系统4.1驱动强电回路如图4-1，驱动强电回路包括3个部分，首先是电源总开关部分，电路采用QF开关来承担整个电路的过载保护。第二部分为伺服系统电源部分，它为整个数控机床的伺服系统部分供电。主电路提供380V三相电源。余下的部分是220V控制电源部分。该部分主要为DC24V开关电源电路和单相刀架电机电路提供220V电源。220V电源由变压器TC2作用获得。电路分别采用断QF2,QF3,QF4来完成。当按动NC开关按钮，KA1触点闭合并形成自锁，KM1得电吸合，强电电源接通，电路正常工作供电。QF2，QF3，QF4分别为主轴电机开关，冷却开关和刀架开关。KM1，KM2分别为主轴正，反转的交流接触器。R为限流电阻，防止在点运动时连续的启动电流造成电动机的过载。冷却电机由交流接触器KM3来控制，当冷却电机点启动按钮按下时，接触器闭合，冷却电机起动运转；当按下停止按钮时，接触器断开，冷却电机停转。QF4为控制刀架的开关，KM4，KM5分别为刀架电机正反转的交流接触器。图4-1强电回路图1（不带变频器）4.2电源控制回路 图4-3为电源控制回路，机床三相电源由旋动开关SA0引入，为了电路安全，电路选择一漏电保护开关FU2，起电路保护作用。由于伺服系统部分所需的电压不是主电路的380V而是200V，所以该部分需要伺服变压器TC来完成这一过程。安全指示灯HL及检测电流表、电压表并联在电路上，起电源检测作用电源开关接通后，指示灯立即发光显示，电流表与电压表正常示数，指示系统工作电流电压，表示电气线路处于正常供电状态。图4-3电源回路图 4.3交流控制回路 图4-4交流控制回路（不带变频器）4.4 PLC输入/输出回路设计PLC输入电路图设计。PLC输出指令信号说明如下：输入指令：X1.6 变频器报警信号；X0.4、X0.5、X0.6、X0.7 刀架检测信号；X0.0、X0.1、X0.2、X0.3 分别为X轴和Z轴超程信号。X1.0、X1.1 X轴，Z轴回零信号；X1.4，X1.5，为冷却电机报警，主轴电机报警PLC输出电路图设计PLC输出信号送到直流继电器和操作面板信号灯两部分。指令信号说明如下：Y0.0为驱动强电信号；Y1.2、Y1.3刀架正转和反转信号；Y1.7变频器电源接通；Y1.1主轴反转信号。Y1.0主轴正转信号；Y0.7刀架反转；Y0.6刀架正转；Y0.5冷却电机开/停信号；Y0.3备用；OTBS1，OTBS2为超程解除信号。ESTOP1，ESTOP3 为急停信号。4.5 数控机床运动坐标的电气控制数控机床一个运动坐标的电气控制由电流(转矩)控制环、速度控制环和位置控制环串联组成，其控制框图如下图。 伺服系统的一般结构(1)电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。(2)速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分(PI)调节器，其P、I调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统(导轨、传动机构)的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环PI调节器。速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的，这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行，而对于垂向运动坐标轴则位置开环时会自动下落而发生危险，可以采取先摘下电动机空载调整，然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整，这时需要有一定的经验和细心。速度环的反馈环节见前面“速度测量”一节。(3)位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。这其中有两方面的工作：一是位置测量元件的精度与CNC系统脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离发出的脉 冲数目经过外部倍频电路和/或CNC内部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的分辨率相符。例如位置测量元件10脉冲/mm，数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm，则测量元件送出的脉冲必须经过100倍频方可匹配。二是位置