經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的電氣設(shè)計(jì)說明書.doc

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的電氣設(shè)計(jì)摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并應(yīng)用到現(xiàn)代制造業(yè)中。數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的柔性化制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)機(jī)械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控系統(tǒng)以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目。數(shù)控機(jī)床是當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的代表性先進(jìn)設(shè)備。隨著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)，特別是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為擺在我們面前迫切而艱巨的任務(wù)。 本文在敘述了數(shù)控技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過對同類型機(jī)床的分析，結(jié)合機(jī)床電氣設(shè)計(jì)的總體思想，提出了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì)的技術(shù)方案。并針對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，進(jìn)行了機(jī)床電氣部分的設(shè)計(jì) ，包括數(shù)控系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)的選型和理論分析和故障診斷。最后闡述了設(shè)計(jì)后機(jī)床的精度和性能以及今后尚需完善之處。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，顯示了機(jī)床強(qiáng)大的工作能力和高度的可靠性。加工精度和生產(chǎn)率較普通銑床有了很大提高，是提高企業(yè)生產(chǎn)率和增加效益的一條切實(shí)可行的途徑。關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)型，數(shù)控銑床，電氣設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)Abstract With the develop of science and technology,NC(numerical control) technology which has applied for the modem manufacture industry is bron and grow up. Numerical control machine and CNC machine tools from the composition of the flexible manufacturing system is processing machinery and equipment to transform traditional industries, the number of enterprises to build an important foundation, it has been the development of peoples attention. Numerical control system of flexible automation for its superior performance, outstanding accuracy and stable, agile and functional diversity caused by the world. 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, NC milling machine, Electric design，stepper motor 目 錄摘 要IAbstractII1 緒 論- 1 -1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展歷程- 1 -1.1.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡史- 1 -1.1.2我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展- 1 -1.1.3國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況- 2 -1.1.4數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢- 3 -1.2課題背景、意義及研究目標(biāo)- 4 -1.2.1課題背景、意義- 4 -1.2.2 研究目標(biāo)- 5 -2 數(shù)控機(jī)床及控制方式- 7 -2.1數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理- 7 -2.1.1數(shù)控機(jī)床的組成- 7 -2.1.2數(shù)控機(jī)床的工作原理- 7 -2.2機(jī)床控制方式選擇- 8 -2.2.1位置控制方式分類- 8 -2.2.2步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制- 9 -2.2.3數(shù)控機(jī)床開環(huán)系統(tǒng)速度計(jì)算- 10 -3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇- 11 - 3.1步進(jìn)電機(jī)的基本要求-11- 3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇-11- 3.2.1選用步進(jìn)電機(jī)應(yīng)考慮的問題-11- 3.2.2實(shí)際應(yīng)用-12- 4 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)- 13 -4.1數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)綜述- 13 -4.2機(jī)床電氣控制回路圖- 13 -4.3數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的電氣控制- 18 -5 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的電氣與PLC控制- 20 -5.1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)- 20 -5.2經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的特點(diǎn)- 20 -5.3經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的電氣控制和PLC控制- 20 -5.3.1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床電器控制電路- 20 -5.3.2梯形圖- 23 -6 數(shù)控機(jī)床電氣故障與維修- 26 -6.1常見電氣故障分類- 26 -6.2故障的調(diào)查與分析- 26 -6.3電氣維修與故障的排除- 29 -6.4維修排故后的總結(jié)提高工作- 29 -結(jié)論- 31 -致謝- 32 -參考文獻(xiàn)- 33 -附錄 A1.1- 34 -附錄 A1.2 . . . -41- 511 緒 論1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展歷程1.1.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡史 1946年世界上誕生了第一臺電子計(jì)算機(jī)，同期美國北密執(zhí)安的小型飛機(jī)承包商帕爾森斯公司(Parsosncoproraitno)為了制造飛機(jī)機(jī)翼輪廓的板狀樣板，提出了采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想，1949年由帕爾森斯公司與美國麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究所合作開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作，1925年，研制出第一臺實(shí)驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)，并把它裝在一臺立式銑床上，成為世界上第一臺數(shù)控機(jī)床，成功實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)。1954年11月，在帕爾森斯專利基礎(chǔ)上，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床由美國本迪克斯公司(Bendixocproratjno)生產(chǎn)出來，從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。60多年過去了，數(shù)控系統(tǒng)由當(dāng)時(shí)的電子管起步，經(jīng)歷了兩個(gè)階段六代的發(fā)展，即：硬件邏輯數(shù)控，簡稱為數(shù)控（NC）階段經(jīng)歷了三代，即1952年第一代電子管；1995年第二代晶體管和印刷電路板；1965年第三代一一小規(guī)模集成電路，由于它體積小，功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。計(jì)算機(jī)數(shù)控(計(jì)算機(jī)數(shù)字的控制，簡寫為CNC)階段也經(jīng)歷了三代，即1970年第四代小型計(jì)算機(jī)，1974年第五代微處理器(MNC)和1990年第六代基于Pc的階段。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到了第五代以后，從根本上解決了可靠性低、價(jià)格昂貴、應(yīng)用不方便等極為關(guān)鍵的問題，并在上世紀(jì)七十年代末八十年代初以后首先在美國、日本、歐洲等工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到大規(guī)模普及應(yīng)用。1.1.2我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展1.1.2.1我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 我國數(shù)控技術(shù)經(jīng)過了研制開發(fā)、引進(jìn)技術(shù)、消化吸收、科技攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)攻關(guān)幾個(gè)過程，并得到了飛速發(fā)展。 從1958年起，由一些科研院所、高等學(xué)校和少數(shù)機(jī)床廠起步進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的研制和開發(fā)，由于受到當(dāng)時(shí)國產(chǎn)電子元器件水平低、部門經(jīng)濟(jì)等因素的制約，未能取得較大的進(jìn)展。在改革開放以后，經(jīng)過“六五”(1981一1985年)的引進(jìn)國外技術(shù)，“七五”(1986一1990年)的消化吸收和“八五”(1991一1995)國家組織的科技攻關(guān)和“九五”(1996一2000年)國家組織的產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)，才使得我國數(shù)控技術(shù)逐步取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)(五軸聯(lián)動(dòng))，分辨率為0.002m的高精度數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字仿形數(shù)控系統(tǒng)、為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)都開發(fā)出來，并造出樣機(jī)，開始了專業(yè)化生產(chǎn)和使用。1.1.2.2國內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀 近年來，隨著機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，我國機(jī)床一一“工作母機(jī)”一直保持兩位數(shù)增長。2003年產(chǎn)值達(dá)260億元，產(chǎn)量居世界第四。我國的機(jī)床消費(fèi)則超過59億美元(約合人民幣488/億元)，首次躍居“世界第一”，產(chǎn)值水平260億元，消費(fèi)超出220多億元，其差額自然只有靠進(jìn)口。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，2003年我國進(jìn)口機(jī)床產(chǎn)品金切機(jī)床及鍛壓設(shè)備約31.5億美元，又是一個(gè)“世界第一”!而全行業(yè)出口僅為進(jìn)口的1/10一一3.1億美元。其中出口的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎機(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。機(jī)床業(yè)現(xiàn)狀可以用“三大一小”一一消費(fèi)大國、生產(chǎn)大國、進(jìn)口大國和出口小國來概括。 “母機(jī)”水平看“數(shù)控”。1992年我國年產(chǎn)數(shù)控機(jī)床僅2400多臺.到2003年這一數(shù)字已為2.48萬多臺，比上年增長了41.6l%。10年來，我國數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量翻了兩番多，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)加快，一批反映當(dāng)前世界數(shù)控機(jī)床發(fā)展潮流的高檔次數(shù)控機(jī)床問世，如直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)加工中心、五軸車銑復(fù)合中心、五軸龍門加工中心等。建立了以中、低檔次數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系和高檔次數(shù)控機(jī)床的研發(fā)和生產(chǎn)體系，可以說，我國機(jī)床業(yè)整體素質(zhì)有了明顯提高。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國機(jī)床數(shù)控化率還不高，目前生產(chǎn)產(chǎn)值數(shù)控化率還不到30%；消費(fèi)值數(shù)控化率還不到50%，而發(fā)達(dá)國家大多在?0%左右。高檔次的數(shù)控機(jī)床及配套部件只能靠進(jìn)口。我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。這些數(shù)控機(jī)床，除少量機(jī)床以FMs模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。1.1.3國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。 長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個(gè)制造過程中CNC只是一個(gè)封閉式的開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢在必行。1.1.4數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢1.1.4.1性能發(fā)展方向(1)高速高精高效化速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。(2)科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)計(jì)算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語言表達(dá)，而可以直接使用圖形、圖像、動(dòng)畫等可視信息?？梢暬夹g(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，如無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM，如自動(dòng)編程設(shè)計(jì)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定、刀具補(bǔ)償和刀具管理數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。(3)插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化多種插補(bǔ)方式如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、2D+2螺旋插補(bǔ)、NANO插補(bǔ)、NURBS插補(bǔ)(非均勻有理B樣條插補(bǔ))、樣條插補(bǔ)(A、B、C樣條)、多項(xiàng)式插補(bǔ)等。多種補(bǔ)償功能如間隙補(bǔ)償、垂直度補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、與速度相關(guān)的前饋補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、帶平滑接近和退出以及相反點(diǎn)計(jì)算的刀具半徑補(bǔ)償?shù)取?4)內(nèi)裝高性能PLC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標(biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序?qū)嵗?，用戶可在?biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯修改，從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。(5)多媒體技術(shù)應(yīng)用多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應(yīng)用價(jià)值。1.1.4.2功能發(fā)展方向 用戶界面圖形化用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計(jì)算機(jī)軟件研制中最困難的部分之一。當(dāng)前INTERNET、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化及多媒體等技術(shù)也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。1.1.4.3體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展(1)集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐稦PGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度。應(yīng)用FPD平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術(shù)，是21世紀(jì)顯示技術(shù)的主流。應(yīng)用先進(jìn)封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價(jià)格，改進(jìn)性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。(2)模塊化硬件模塊化易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲(chǔ)器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。(3)網(wǎng)絡(luò)化機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人化操作。通過機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機(jī)床上對其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行，不同機(jī)床的畫面可同時(shí)顯示在每一臺機(jī)床的屏幕上。(4)通用型開放式閉環(huán)控制模式采用通用計(jì)算機(jī)組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴(kuò)展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機(jī)封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個(gè)具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動(dòng)、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實(shí)現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實(shí)時(shí)加工過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化1.2課題背景、意義及研究目標(biāo)1.2.1課題背景、意義1)專家預(yù)言專家們預(yù)言:“二十一世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的競爭，其實(shí)質(zhì)是數(shù)控技術(shù)的競爭，最終是數(shù)控人才的競爭?！敝袊尤胧蕾Q(mào)組織后，正在逐步變成“世界制造中心”。制造企業(yè)已開始廣泛使用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，而掌握數(shù)控技術(shù)的機(jī)電復(fù)合人才奇缺，“月薪6000難聘數(shù)控技工”、“年薪61萬招不到模具技工”成為全社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題，從而引起了中央領(lǐng)導(dǎo)、教育部、勞動(dòng)與社會(huì)保障部等政府部門的高度重視。2003年，教育部已明確把數(shù)控人才列為社會(huì)四大紫缺性人才之一。2005年數(shù)控人才缺口仍高達(dá)60萬。2)企業(yè)人才需求現(xiàn)狀（l）藍(lán)領(lǐng)層 主要從事數(shù)控機(jī)床的操作，在企業(yè)需求的數(shù)控崗位中占先70.13%，是企業(yè)數(shù)控人才需求量最大的部分；(2)銀領(lǐng)層 主要指企業(yè)目前急需的人才具有扎實(shí)的數(shù)控加工工藝及編程基本理論知識和操作技能的工藝編程人員，在企業(yè)數(shù)控技術(shù)崗位中占12.6%；具有較強(qiáng)的數(shù)控設(shè)備、機(jī)械、電氣調(diào)試及維護(hù)、維修動(dòng)手能力的數(shù)控設(shè)備維修人員，在企業(yè)數(shù)控技術(shù)崗位中占12.44%；(3)金領(lǐng)層 主要指精通機(jī)電、機(jī)電聯(lián)調(diào)、機(jī)床操作、編程及維修的數(shù)控高層次技術(shù)人才，在企業(yè)數(shù)控技術(shù)崗位中占4.83%。3)數(shù)控技術(shù)教育現(xiàn)狀.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院在校生達(dá)3000多人，其中數(shù)控、機(jī)電等工科專業(yè)學(xué)生占80%以上。學(xué)院有兩個(gè)實(shí)習(xí)工廠，供學(xué)生機(jī)加工、鉗焊等工種實(shí)習(xí)，其中數(shù)控車、銑床不足十臺。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)大中型企業(yè)、集體企業(yè)、私營企業(yè)迫切需要數(shù)控人才，主要用于數(shù)控加工的編程、數(shù)控機(jī)床的操作、維護(hù)等，學(xué)校在設(shè)備數(shù)量、培養(yǎng)規(guī)模等方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)這一現(xiàn)狀。為改善數(shù)控實(shí)訓(xùn)條件，改變數(shù)控機(jī)床嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀，滿足學(xué)生數(shù)控機(jī)床的操作、編程、維護(hù)等實(shí)訓(xùn)要求，同時(shí)還能用微機(jī)控制銑削任意弧面及輪廓曲面，并且在學(xué)校所能承受的范圍內(nèi)，實(shí)習(xí)工廠需購置一些價(jià)格便宜的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床。4）發(fā)展經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的意義 在我國的國民生產(chǎn)總值中，民營企業(yè)占了60%以上。，大多數(shù)又是中小企業(yè)。由于中小企業(yè)資金匱乏，買不起價(jià)格高昂的高檔數(shù)控銑床，所以格便宜但又能滿足一般加工精度和加工要求的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床需求量很大。中國的職業(yè)教育也正在快速的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控不但能滿足學(xué)生對控機(jī)床的操作、編程、維護(hù)等實(shí)訓(xùn)的要求而且價(jià)格低。綜上所述，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床在我過有很大的市場和需求，發(fā)展經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床業(yè)勢在必行。1.2.2 研究目標(biāo)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是制造出一款操作方便，穩(wěn)定性好，造價(jià)低的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床。我主要完成的是機(jī)床電氣部分的設(shè)計(jì)。1） 該機(jī)床的適用范圍（1）多品種、小批量生產(chǎn)的零件或新產(chǎn)品試制中的零件；（2）幾何形狀復(fù)雜的零件；（3）加工過程中必須進(jìn)行多工序加工的零件；（4）用普通機(jī)床加工時(shí)，需要昂貴工裝設(shè)備；（5）必須嚴(yán)格控制公差，對精度要求較高的零件；（6）工藝設(shè)計(jì)需多次故型的零件；（7）價(jià)格昂貴，加工中不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件；（8）需要員短生產(chǎn)周期的零件；2） 該機(jī)床需達(dá)到的加工要求（1）可以加工具有一般復(fù)雜型面的工件 數(shù)控機(jī)床的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是由加上程序決定的，因此只要能編制出程序，可以加工具有一般復(fù)雜型面的工件 。（2）加工精度高，尺寸一致性好 數(shù)控機(jī)床本身的精度都比較高，該機(jī)床的軸向定位精度為0.015mm，重復(fù)定位精度為0.008mm，在加工過程中操作人員不參與操作，因此工件的加工精度全部由機(jī)床保證，消除了操作者的人為誤差。因而加工出來的工件精度高，尺寸一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定。 （3）生產(chǎn)效率高 數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和快速定位速度高，通過合理選擇切削參數(shù)，充分發(fā)揮刀具的切削性能，減少切削時(shí)間，不僅能保證高精度，而且加工過程穩(wěn)定。不需要在加工過程中進(jìn)行中間測量，就能連續(xù)完成整個(gè)加工過程，減少了輔助動(dòng)作時(shí)間和停機(jī)時(shí)間。閱此，數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率高。（4）可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作 一般數(shù)控機(jī)床加工出第一個(gè)合格工件后，工人只需要進(jìn)行工件的裝卡和啟動(dòng)機(jī)床，因此減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該機(jī)床可靠性高，保護(hù)功能齊全，并且數(shù)控系統(tǒng)有白診斷和自停機(jī)功能，因此當(dāng)一個(gè)工件的加工時(shí)間超出工件的裝卡時(shí)間時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作。 （5）經(jīng)濟(jì)效益明顯 雖然數(shù)控機(jī)床一次投資及日常維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較普通機(jī)床高很多，但是如能充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的能力，將會(huì)帶來很高的經(jīng)濟(jì)效益這些效益不僅表現(xiàn)在生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好、廢品少上，使用數(shù)控機(jī)床還能帶來減少工裝和量刃具，縮短生產(chǎn)周期，縮短新產(chǎn)品試制周期等優(yōu)勢，從而為企業(yè)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 （6）可以精確計(jì)算成本和安排生產(chǎn)進(jìn)度 在數(shù)控機(jī)床上，加工所需要的時(shí)間是可以預(yù)計(jì)的，并且相同工件所用時(shí)間基本一致，因而工時(shí)和工時(shí)費(fèi)用可以精確估計(jì)。這有利于精確編制生產(chǎn)進(jìn)度表，有利于均衡生產(chǎn)和取得更高的預(yù)計(jì)產(chǎn)量。2 數(shù)控機(jī)床及控制方式2.1數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國際信息處聯(lián)盟(International Federation of Informational Processiig, IFIP) 第五技術(shù)委員會(huì)，對數(shù)控機(jī)床作了下定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號碼或其它符號指令規(guī)定的程序。2.1.1數(shù)控機(jī)床的組成圖2一1救控機(jī)床組成與工作過程框圖數(shù)控機(jī)床通常由程序載體(控制介質(zhì))、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)和機(jī)床本體組成，如圖2一1所示。其中實(shí)線部分為開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床框圖，上述系統(tǒng)再加上虛線部分，就構(gòu)成具有測量反饋功能的閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床框圖。1 控制介質(zhì)(信息載體)數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，為了得到圖樣上所規(guī)定的零件形狀和加工精度，在加工過程中，機(jī)床所需要的全部操作動(dòng)作和刀具相對于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，都是由我們按著一定的要求和順序編成控制指令即加工程序，并把它存放在一種存儲(chǔ)物上。此存儲(chǔ)物就是在人和機(jī)床之間建立聯(lián)系的媒介物，也就是控制介質(zhì)或稱信息載體?？刂平橘|(zhì)可以是穿孔紙帶，磁帶、磁盤或其他可存儲(chǔ)物質(zhì)。2 數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中心環(huán)節(jié)，它接受控制介質(zhì)輸入的信息，經(jīng)過處理與運(yùn)算去控制機(jī)床動(dòng)作。數(shù)控裝置由輸入裝置、存儲(chǔ)器、控制器及一套處理數(shù)控加工的相關(guān)軟件、運(yùn)算器和輸出裝置組成。3 伺服系統(tǒng)英文Servo的音譯) 是數(shù)控裝置與機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它把來自數(shù)控裝置的指令轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)床部件的運(yùn)動(dòng)，使工作臺和主軸按規(guī)定的動(dòng)作運(yùn)動(dòng)，加工出合格產(chǎn)品。2.1.2數(shù)控機(jī)床的工作原理(1) 使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，把零件的加工信息(如零件尺寸、形狀和技術(shù)條件)編出工件加工程序，將加工工件時(shí)刀具相對于工件的位置和機(jī)床全部動(dòng)作順序，按規(guī)定格式和代碼記錄在信息載體上；(2) 信息載體(控制介質(zhì))即工件加工程序輸入計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置；(3) 裝置接收由穿孔帶、閱讀機(jī)、磁盤、鍵盤等送入的代碼信息，經(jīng)過識別與譯碼之后送到指定存儲(chǔ)區(qū)，作為控制與運(yùn)算的原始數(shù)據(jù)；(4) 服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)把來自數(shù)控裝置的運(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)變成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，使工作臺按規(guī)定軌跡移動(dòng)或定位，加工出符合圖樣要求的工件；(5)輔助裝置把計(jì)算機(jī)送來的輔助控制指令，經(jīng)機(jī)床接口電路轉(zhuǎn)換成強(qiáng)電信號，用來控制機(jī)床主軸電機(jī)的啟動(dòng)停車，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整，冷卻泵啟停以及轉(zhuǎn)位換刀；(6)反饋系統(tǒng)將機(jī)床移動(dòng)的實(shí)際位置，速度參數(shù)檢測來，轉(zhuǎn)換成電信號，并反饋到計(jì)算機(jī)中，使計(jì)算機(jī)隨時(shí)判斷機(jī)床的實(shí)際位置、速度是否與指令一致，并發(fā)出相應(yīng)指令，糾正所產(chǎn)生的誤差。零件在機(jī)床上加工過程如圖2一1所示，當(dāng)改變加工工件時(shí)，在數(shù)控機(jī)床上只需改變加工程序即可進(jìn)行新零件加工。2.2機(jī)床控制方式選擇2.2.1位置控制方式分類伺服系統(tǒng)是位置控制系統(tǒng)，是數(shù)控裝置與機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，位置控制按其結(jié)構(gòu)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。2.2.1.1開環(huán)控制形式 如圖2一2是典型的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，其中沒有位置檢測反饋裝置，指令是單方向傳送的，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要使用步進(jìn)電機(jī)。插補(bǔ)器進(jìn)行插補(bǔ)，發(fā)出指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大電路放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)進(jìn)給脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，通過齒輪減速，絲杠傳動(dòng)使工作臺移動(dòng)一定距離，因此，工作臺的位移量與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角成正比，即與進(jìn)給脈沖數(shù)目成正比。改變進(jìn)給脈沖數(shù)目和頻率，可以控制工作臺的移動(dòng)量和速度。圖2-2開環(huán)控制系統(tǒng)框圖開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，容易維修，成本較低，但控制精度不高，適宜于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及數(shù)控改造。2.2.1.2閉環(huán)控制形式 安裝在工作臺上的檢測元件將工作臺的實(shí)際位移量反饋到計(jì)算機(jī)中，與所要求的位移量相比較，用比較的差值進(jìn)行控制，直到差值消除為止，從而使精度大大提高，如圖2一3所示。閉環(huán)控制加工精度高，移動(dòng)速度快，但電機(jī)控制電路比較復(fù)雜，檢測原件價(jià)格昂貴，調(diào)試維修費(fèi)用高。圖2-3閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖2.2.1.3半閉環(huán)控制形式圖2-4半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖半閉環(huán)控制沒有直接檢測工作臺的位移量，原因是檢測元件安裝在電機(jī)的端頭或絲杠的端頭，閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠螺母副工作，所以可獲得較穩(wěn)定的控制特性?？刂凭缺乳]環(huán)控制的要差，但控制系統(tǒng)調(diào)試維修方便。如圖2-4所示。2.2.1.4結(jié) 論 本設(shè)計(jì)做的是經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控銑床，所以采用價(jià)格較低的開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.2步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制 步進(jìn)電機(jī)是典型的開環(huán)驅(qū)動(dòng)裝置，與所選定的WA一21M數(shù)控系統(tǒng)相匹配，是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。其角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格的成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步。2.2.2.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理（1） 步進(jìn)電機(jī)的定子繞組每換接一次通電相序，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就沿某旋向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度即步距角。 （21） 其中一步距角；m一定子繞組相數(shù)，通常有由三相、四相、五相等；z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k一與通電方式有關(guān)的系數(shù)，k=拍數(shù)/相數(shù)。（2）進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格的成正比例，控制輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)就能控制位移量。(3) 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，控制脈沖頻率就能調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （22）其中n一轉(zhuǎn)速(r/min)；f控制脈沖頻率(Hz)；一步距角度數(shù))。 (4) 變通電相序即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。2.2.2.2步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成 2一5步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成及原理圖如圖2一5是步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理框圖，它由脈沖信號源、脈沖分配器、功率放大器、步進(jìn)電機(jī)組成。脈沖信號源是一個(gè)脈沖發(fā)生器，脈沖的頻率可以連續(xù)調(diào)整，送出的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率由控制信號控制。在CNC系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)根據(jù)程序控制脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率，對步進(jìn)電機(jī)實(shí)行各種運(yùn)行狀態(tài)的控制。脈沖分配器一方面接受輸入脈沖和方向指令，另一方面面向功率驅(qū)動(dòng)器供給控制信號。在方向指令的作用下，脈沖分配器將輸入CP脈沖信號按一定順序分配，然后送到驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn)子按順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 功率驅(qū)動(dòng)器是一功率開關(guān)電路，其作用就是將從脈沖分配器送來的弱電信號經(jīng)功率放大，控制步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組電流按一定的順序切換，步進(jìn)電機(jī)按要求運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)是拖動(dòng)負(fù)載的執(zhí)行元件。2.2.3數(shù)控機(jī)床開環(huán)系統(tǒng)速度計(jì)算在開環(huán)系統(tǒng)中，坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)速度是通過控制向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，從而驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸移動(dòng)一定距離即脈沖當(dāng)量()。插補(bǔ)程序根據(jù)零件輪廓要求向各個(gè)坐標(biāo)軸分配脈沖，提供位置指令。而脈沖發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)的頻率則確定了進(jìn)給速度，進(jìn)給速度V與脈沖發(fā)送頻率f有如下關(guān)系： 其中V進(jìn)給速度(m/s)；f脈沖發(fā)送頻率（z）；脈沖當(dāng)量(mm)。3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 在第2.2節(jié)內(nèi)容中己經(jīng)對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床所選用的位置控制方式即開環(huán)控制作了選擇，所以在本節(jié)中僅對開環(huán)驅(qū)動(dòng)裝置步進(jìn)電機(jī)作簡要介紹。步進(jìn)電機(jī)的選擇應(yīng)符合總體設(shè)計(jì)方案的要求，具體要考慮脈沖當(dāng)量、步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠之間的減速比、負(fù)載扭矩等因素。3.1 步進(jìn)電機(jī)的基本要求 步進(jìn)電機(jī)是一種控制電機(jī)，又稱脈沖電機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，作用是把脈沖信號變?yōu)橄鄳?yīng)的角位移，或直線位移，即給一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵元件之一，它的性能優(yōu)劣直接影響工件質(zhì)量。為此數(shù)控機(jī)床對步進(jìn)電機(jī)提出了要求: (1)步進(jìn)電機(jī)受電脈沖的控制，能在很廣的范圍內(nèi)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。(2)加工精度高。即要求位移量小，準(zhǔn)確均勻，這就要求步進(jìn)電機(jī)步距小，步距精度高，不許丟步或越步。(3)動(dòng)作快速。啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)迅速，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)快.以提高生產(chǎn)效率。(4)輸出轉(zhuǎn)矩大。3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇3.2.1 選用步進(jìn)電機(jī)應(yīng)考慮的問題1 轉(zhuǎn)矩 步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行(不失步、不越步)，必須考慮：(1) 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足:M0.5）=（23.3） (31)其中M一啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 M一電機(jī)靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩根據(jù)步進(jìn)電機(jī)相數(shù)、拍數(shù)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩查表可得步進(jìn)電機(jī)最大靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩M(2) 在要求的運(yùn)行頻率內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電機(jī)的靜載力矩與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的慣性矩之和。2 啟動(dòng)頻率 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨負(fù)載力矩增大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率須滿足：f一極限啟動(dòng)頻率 一要求電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率 (32)3.2.2 實(shí)際應(yīng)用 經(jīng)計(jì)算選擇(詳細(xì)計(jì)算過程參閱第3章3.2.2. 3.2.3. 3.2.4),驅(qū)動(dòng)X、 Y向工作臺運(yùn)行選用的步進(jìn)電機(jī)為：南京華興數(shù)控公司生產(chǎn)的五相步進(jìn)電機(jī)I l 0BYG5502，分五相十拍和二十拍兩種工作方式，對應(yīng)步距角為0.72/0.36度，其最大靜轉(zhuǎn)矩此=16 NM，運(yùn)行工作頻率f=20000Hz，配以=6mm的滾珠絲杠，減速比為1.2的減速器，脈沖當(dāng)量 =0.01/0.005mm，構(gòu)成J110BYG5502-6/5型減速器步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩： =19.2 NM,可以分別滿足X向M 5.5289 NM, f =3833Hz；Y向M 3.967NM,f= 2567Hz的負(fù)載要求。在此需要說明的是，Y向負(fù)載較X向要小，可選取110BYG5501型步進(jìn)電機(jī)，但考慮到安裝、調(diào)試、維護(hù)、保養(yǎng)等問題，特把X向、Y向電機(jī)選成同一型號。z向(垂向)升降工作臺步進(jìn)電機(jī)同樣是南京華興數(shù)控公司生產(chǎn)的五相步進(jìn)電機(jī)，型號為130BYG5502，步距角為0.72/0.36度，其最大靜轉(zhuǎn)矩步距=35 NM，運(yùn)行工作頻率f=18000Hz，配以L=12mm的滾珠絲杠，減速比為2.4的減速器，脈沖當(dāng)量0.01/0.005mm，構(gòu)成J30BYG5502-12/5型減速器步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩=4NM，可滿足Z向M =4.909NM, f1667Hz的負(fù)載要求。 31所選步進(jìn)電機(jī)有關(guān)性能參數(shù)110BYG5502步進(jìn)電機(jī)矩頻特性130 BYG5502步進(jìn)電機(jī)矩頻特性 4 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)4.1數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)綜述(1)數(shù)據(jù)輸入裝置將指令信息和各種應(yīng)用數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機(jī)(已很少使用)，3.5in軟盤驅(qū)動(dòng)器，CNC鍵盤(一般輸入操作)，數(shù)控系統(tǒng)配備的硬盤及驅(qū)動(dòng)裝置(用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)保護(hù))、磁帶機(jī)(較少使用)、PC計(jì)算機(jī)等等。(2)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的中樞，它將接到的全部功能指令進(jìn)行解碼、運(yùn)算，然后有序地發(fā)出各種需要的運(yùn)動(dòng)指令和各種機(jī)床功能的控制指令，直至運(yùn)動(dòng)和功能結(jié)束。數(shù)控系統(tǒng)都有很完善的自診斷能力，日常使用中更多地是要注意嚴(yán)格按規(guī)定操作，而日常的維護(hù)則主要是對硬件使用環(huán)境的保護(hù)和防止系統(tǒng)軟件的破壞。(3)可編程邏輯控制器是機(jī)床各項(xiàng)功能的邏輯控制中心。它將來自CNC的各種運(yùn)動(dòng)及功能指令進(jìn)行邏輯排序，使它們能夠準(zhǔn)確地、協(xié)調(diào)有序地安全運(yùn)行；同時(shí)將來自機(jī)床的各種信息及工作狀態(tài)傳送給CNC，使CNC能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出進(jìn)一步的控制指令，如此實(shí)現(xiàn)對整個(gè)機(jī)床的控制。當(dāng)代PLC多集成于數(shù)控系統(tǒng)中，這主要是指控制軟件的集成化，而PLC硬件則在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu)。PLC與CNC的集成是采取軟件接口實(shí)現(xiàn)的，一般系統(tǒng)都是將二者間各種通信信息分別指定其固定的存放地址，由系統(tǒng)對所有地址的信息狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)各接口信號的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)加以分析判斷，據(jù)此作出進(jìn)一步的控制命令，完成對運(yùn)動(dòng)或功能的控制。不同廠商的PLC有不同的PLC語言和不同的語言表達(dá)形式，因此，力求熟悉某一機(jī)床PLC程序的前提是先熟悉該機(jī)床的PLC語言。(4)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接受來自CNC的驅(qū)動(dòng)指令，經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩(功率)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)接受速度反饋實(shí)施速度閉環(huán)控制。它還通過PLC將主軸的各種現(xiàn)實(shí)工作狀態(tài)通告CNC用以完成對主軸的各項(xiàng)功能控制。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身有許多參數(shù)設(shè)定，這些參數(shù)直接影響主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)特性，其中有些不可丟失或改變的，例如指示電動(dòng)機(jī)規(guī)格的參數(shù)等，有些是可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)加以調(diào)改的，例 如零漂等。通常CNC中也設(shè)有主軸相關(guān)的機(jī)床數(shù)據(jù)，并且與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)作用相同，因此要注意二者取一，切勿沖突。(5)進(jìn)給伺服系統(tǒng)接受來自CNC對每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸分別提供的速度指令，經(jīng)速度與電流(轉(zhuǎn)矩)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接受速度反饋信號實(shí)施速度閉環(huán)控制。它也通過PLC與CNC通信，通報(bào)現(xiàn)時(shí)工作狀態(tài)并接受CNC的控制。進(jìn)給伺服系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器的正確調(diào)節(jié)是最重要的，應(yīng)該在位置開環(huán)的條件下作最佳化調(diào)節(jié)，既不過沖又要保持一定的硬特性。它受機(jī)床坐標(biāo)軸機(jī)械特性的制約，一旦導(dǎo)軌和機(jī)械傳動(dòng)鏈 的狀態(tài)發(fā)生變化，就需重調(diào)速度環(huán)調(diào)節(jié)器。(6)電器硬件電路隨著PLC功能的不斷強(qiáng)大，電器硬件電路主要任務(wù)是電源的生成與控制電路、隔離繼電器部分及各類執(zhí)行電器(繼電器、接觸器)，很少還有繼電器邏輯電路的存在。但是一些進(jìn)口機(jī)床柜中還有使用自含一定邏輯控制的專用組合型繼電器的情況，一旦這類元件出現(xiàn)故障，除了更換之外，還可以將其去除而由PLC邏輯取而代之，但是這不僅需要對該專用電器的工作原理有清楚的了解，還要對機(jī)床的PLC語言與程序深入掌握才行。(7)機(jī)床(電器部分)包括所有的電動(dòng)機(jī)、電磁閥、制動(dòng)器、各種開關(guān)等。它們是實(shí)現(xiàn)機(jī)床 各種動(dòng)作的執(zhí)行者和機(jī)床各種現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的報(bào)告員。這里可能的主要故障多數(shù)屬于電器件自身的損壞和連接電線、電纜的脫開或斷裂。(8)速度測量通常由集裝于主軸和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)中的測速機(jī)來完成。它將電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速匹配成電壓值送回伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為速度反饋信號，與指令速度電壓值相比較，從而實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。這里應(yīng)注意測速反饋電壓的匹配聯(lián)接，并且不要拆卸測速機(jī)。由此引起的速度失控多是由于測速反饋線接反或者斷線所致。(9)位置測量較早期的機(jī)床使用直線或圓形同步感應(yīng)器或者旋轉(zhuǎn)變壓器，而現(xiàn)代機(jī)床多采 用光柵尺和數(shù)字脈沖編碼器作為位置測量元件。它們對機(jī)床坐標(biāo)軸在運(yùn)行中的實(shí)際位置進(jìn)行直接或間接的測量，將測量值反饋到CNC并與指令位移相比較直至坐標(biāo)軸到達(dá)指令位置，從而實(shí)現(xiàn)對位置的精確控制。位置環(huán)可能出現(xiàn)的故障多為硬件故障，例如位置測量元件受到污染，導(dǎo)線連接故障等。(10)外部設(shè)備一般指PC計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等輸出設(shè)備，多數(shù)不屬于機(jī)床的基本配置。使用中的主要問題與輸入裝置一樣，是匹配問題。4.2機(jī)床電氣控制回路圖圖1強(qiáng)電回路圖 總開關(guān)電源空氣開關(guān)+T-QF1閉合，空氣開關(guān)+T-QF2閉合閉合，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。如果交流接觸器+T-KM2閉合，則主軸正轉(zhuǎn)。同樣，交流接觸器+T-KM#閉合，則主軸反轉(zhuǎn)。若空氣開關(guān)+T-QF3閉合閉合，則冷卻電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。+T-RC5和+T-RC6都是三相滅弧器?？刂凭€X15是主軸電機(jī)過熱，控制線X14是冷卻電機(jī)過熱。圖2電源回路圖 這是個(gè)變壓回路圖，把380V電壓分別變?yōu)?0V、24V、220V。在開關(guān)電源+T-VC處還要把交流電變?yōu)橹绷麟?，以便?shí)現(xiàn)吊掛風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖3交流控制回路 繼電器+T-KA2和+T-KA3閉合，通過交流接觸器+T-KM3，此時(shí)主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)。同時(shí)，因?yàn)榻涣鹘佑|器+T-KM3，使主軸電機(jī)反轉(zhuǎn)斷開，這就是所謂的互鎖。主軸電機(jī)的反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)原理一樣。繼電器+T-KA5閉合，冷卻電機(jī)啟動(dòng)；繼電器+T-KA5斷開，冷卻電機(jī)停止。+T-RC1-+TR-C4都是單相滅弧器，防止產(chǎn)生電弧。4.3數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的電氣控制數(shù)控機(jī)床一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的電氣控制由電流(轉(zhuǎn)矩)控制環(huán)、速度控制環(huán)和位置控制環(huán)串聯(lián)組成，其控制框圖如下圖。 伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)(1)電流環(huán)是為伺服電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩的電路。一般情況下它與電動(dòng)機(jī)的匹配調(diào)節(jié)已由制造者作好了或者指定了相應(yīng)的匹配參數(shù)，其反饋信號也在伺服系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)接完成，因此不需接線與調(diào)整。(2)速度環(huán)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速亦即坐標(biāo)軸運(yùn)行速度的電路。速度調(diào)節(jié)器是比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，其P、I調(diào)整值完全取決于所驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸的負(fù)載大小和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)(導(dǎo)軌、傳動(dòng)機(jī)構(gòu))的傳動(dòng)剛度與傳動(dòng)間隙等機(jī)械特性，一旦這些特性發(fā)生明顯變化時(shí)，首先需要對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)工作，然后重新調(diào)整速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器。速度環(huán)的最佳調(diào)節(jié)是在位置環(huán)開環(huán)的條件下才能完成的，這對于水平運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)軸較容易進(jìn)行，而對于垂向運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸則位置開環(huán)時(shí)會(huì)自動(dòng)下落而發(fā)生危險(xiǎn)，可以采取先摘下電動(dòng)機(jī)空載調(diào)整，然后再裝好電動(dòng)機(jī)與位置環(huán)一起調(diào)整或者直接帶位置環(huán)一起調(diào)整，這時(shí)需要有一定的經(jīng)驗(yàn)和細(xì)心。速度環(huán)的反饋環(huán)節(jié)見前面“速度測量”一節(jié)。(3)位置環(huán)是控制各坐標(biāo)軸按指令位置精確定位的控制環(huán)節(jié)。位置環(huán)將最終影響坐標(biāo)軸的位置精度及工作精度。這其中有兩方面的工作：一是位置測量元件的精度與CNC系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的匹配問題。測量元件單位移動(dòng)距離發(fā)出的脈 沖數(shù)目經(jīng)過外部倍頻電路和/或CNC內(nèi)部倍頻系數(shù)的倍頻后要與數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的分辨率相符。例如位置測量元件10脈沖/mm，數(shù)控系統(tǒng)分辨率即脈沖當(dāng)量為0.001mm，則測量元件送出的脈沖必須經(jīng)過100倍頻方可匹配。二是位置環(huán)增益系數(shù)Kv值的正確設(shè)定與調(diào)節(jié)。通常Kv值是作為機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)置的，數(shù)控系統(tǒng)中對各個(gè)坐標(biāo)軸分別指定了Kv值的設(shè)置地址和數(shù)值單位。在速度環(huán)最佳化調(diào)節(jié)后Kv值的設(shè)定則成為反映機(jī)床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)自身性能優(yōu)劣的直接表現(xiàn)而并非可以任意放大。關(guān)于Kv值的設(shè)置要注意兩個(gè)問題，首先要滿足下列公式：Kv=v/式中v坐標(biāo)運(yùn)行速度，m/min跟蹤誤差，mm注意，不