數(shù)控立鉆電氣部分設(shè)計(jì)含開題及4張CAD圖,數(shù)控,電氣,部分,部份,設(shè)計(jì),開題,cad 數(shù)控立鉆電氣部分設(shè)計(jì) 摘 要 數(shù)控機(jī)床是來(lái)自于數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱，這是一種裝有可編程程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該可編程程序控制系統(tǒng)能夠邏輯處理數(shù)字控制編碼或其他規(guī)定的指令程序，并將其譯碼成執(zhí)行元器件的動(dòng)作信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)機(jī)床動(dòng)作以加工零件。數(shù)控機(jī)床的控制電路是由各種不同的控制電氣元器件組成，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制性能在一定程度上決定了數(shù)控機(jī)床的等級(jí)。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是以ZK5132數(shù)控立鉆電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為中心，全面、系統(tǒng)地介紹了低壓電器、電氣控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)及接口、步進(jìn)與伺服驅(qū)動(dòng)器等內(nèi)容，利用數(shù)控機(jī)床以機(jī)械與電氣相結(jié)合的形勢(shì)，完成相關(guān)電氣控制線路排布以及各種保護(hù)控制線路的設(shè)計(jì)。 為使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制精度能達(dá)到所要求的步距角()精度，于是在該機(jī)床選配所用驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)要考慮到該電機(jī)的過載能力和機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)中絲杠與電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣量是否匹配以及所提供轉(zhuǎn)矩是否足夠，在該設(shè)計(jì)中的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用混合式五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。由于開環(huán)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，精度要求不高，可靠性和穩(wěn)定性相對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床好，故采用五相十拍的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也能因其相數(shù)大而達(dá)到明顯的振動(dòng)抑制效果。 隨著設(shè)計(jì)的不斷深入而不斷熟悉了各種系統(tǒng)的適用條件，各種設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)及作用，各種電氣線路的保護(hù)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的控制等。通過掌握電氣控制系統(tǒng)線路設(shè)計(jì)的原理、電氣元器件在線路中的作用，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的精度控制。這次的電氣控制部分設(shè)計(jì)也滿足一些企業(yè)對(duì)機(jī)床電氣高可靠高穩(wěn)定性、電氣使用壽命長(zhǎng)等要求，具有進(jìn)一步研發(fā)的潛力。 關(guān)鍵詞：ZK5132；數(shù)控系統(tǒng)；機(jī)電結(jié)合；步進(jìn)電動(dòng)機(jī) Abstract CNC machine is referred to Digital control machine tool, is a machine equipped with the automated process control system. The control system can have a control logic to process the instruction codes or other symbols required, decoded and processed so that making machine action and machining parts. CNC machine control circuit is controlled by a variety of electrical components whose performance servo feed control system to some extent determines the level of CNC machine tools. The design task is designing ZK5132 CNC Vertical Drilling electrical control system, there is a comprehensive and systematic introduction to the low-voltage electrical appliances, electrical control systems, numerical control systems and interfaces, stepper and servo drives, etc. By combining CNC machine tools with electrical machinery, finish the completion of related electrical control circuit and various protection control design. To control the stepping motor step to achieve the required angle ( α= 0.36 °) the control precision, the machine motor is optional to consider the motor overload, overload conditions, the machine screw and the motor drive system rotor inertia matching. This design’s feed servo drive system used Five-phase-ten-pat hybrid stepping motor control. Because the open-loop control system is simple, less precision, reliability and stability with respect to the good economic type CNC machine tools, so using Five-phase-ten-pat hybrid stepping motor drive, vibration suppression effect is obvious because of the large number of phases. With the deepening of the design, we know more about the applicable conditions of various systems, selecting criteria and effects of various devices,various electrical circuit protection designing and feeding drive control system and so on . By mastering the principles of electrical control system circuit design，the role of the electrical components in the circuit and feeding drive system designing so we can well completed the motor accuracy control. My electrical control part of the design but also to meet the high reliability, high stability, long life and other electrical requirements for some company, thus it worth well potential for further development. Keywords: ZK5132 ; CNC system ; Electrical components ; Stepping motor 目 錄 引言 1 1. 數(shù)控機(jī)床常用電氣控制元件 3 1.1 低壓斷路器 3 1.2 接觸器 3 1.3 繼電器、變壓器及其他電器 4 2. 數(shù)控系統(tǒng) 5 2.1 數(shù)控鉆床系統(tǒng)的組成 5 2.1.1 操作面板 6 2.1.2 輸入/輸出裝置 6 2.1.3 CNC裝置 6 2.1.4 伺服單元 7 2.1.5 驅(qū)動(dòng)裝置 7 2.1.6 機(jī)床本體 7 2.2 數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)控制的分類以及選擇 7 2.2.1 開環(huán)控制 8 2.2.2 閉環(huán)與半閉環(huán)控制 8 2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)類型 8 2.3 數(shù)控鉆床用途及特點(diǎn) 9 2.4 數(shù)控鉆床的相關(guān)技術(shù)參數(shù) 9 2.5 數(shù)控機(jī)床對(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)要求 10 3. 傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算 10 3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)要求 11 3.1.1 X、Y水平直線運(yùn)動(dòng)軸 11 3.1.2 Z垂直直線運(yùn)動(dòng)軸 12 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的控制 13 4. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng) 13 4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用原則以及性能指標(biāo) 13 4.1.1 選用原則 13 4.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo) 14 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 14 4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 15 4.4 主軸步進(jìn)電機(jī)的控制 16 4.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制 18 4.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 19 4.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制 19 5. 機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 5.1 主電路電氣控制設(shè)計(jì) 20 5.1.1 主軸正轉(zhuǎn) 20 5.1.2 主軸反轉(zhuǎn) 21 5.1.3 主軸停轉(zhuǎn) 21 5.1.4 冷卻泵 21 5.2 電路電源分析 21 5.3控制電路設(shè)計(jì) 22 5.3.1 電機(jī)制動(dòng)方式 22 5.3.2 零壓保護(hù)啟動(dòng) 22 5.4 數(shù)控系統(tǒng)中的啟動(dòng)與停止 23 5.5 輸入/輸出及各軸限位 23 5.6 光軸輸出接口 23 5.7 M功能輸出 23 5.8 X、Y、Z軸的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)接口 24 6. ZK5132數(shù)控立鉆機(jī)床電氣控制原理設(shè)計(jì) 25 7. ZK5132數(shù)控立鉆機(jī)床電氣外觀設(shè)計(jì) 28 結(jié)論 29 謝辭 30 參考文獻(xiàn) 31 引言 隨著科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展、制造技術(shù)的突飛猛進(jìn)和人類生活水平提高物質(zhì)要求增加，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和品種的多樣化要求趨勢(shì)不斷增強(qiáng)，中小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，由此要求數(shù)控機(jī)床更高的的柔性和通用性。人們迫切希望能提供不同加工需求且成本低迅速高效又面向普通用戶的控制系統(tǒng)，同時(shí)期待在維護(hù)和培訓(xùn)成本上有大幅降低。若該系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)功能能夠適應(yīng)以后車間面向任務(wù)定單的批量或零碎生產(chǎn)管理模式將更能俘獲用戶的青睞。在此大背景下，計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)在近十年來(lái)以極快的速度高歌猛進(jìn)，不斷醞釀產(chǎn)生多種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)階段正向標(biāo)準(zhǔn)化開放體系結(jié)構(gòu)的大方向邁進(jìn)。單就體系結(jié)構(gòu)來(lái)說，現(xiàn)世全球的數(shù)控系統(tǒng)大致可以分為以下四類：傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)、“PC嵌入NC”結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)、“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)、開放式數(shù)控系統(tǒng)。特別是進(jìn)入21世紀(jì)之初，拌隨著全球大環(huán)境計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制等領(lǐng)域的技術(shù)成就陸續(xù)引進(jìn)到數(shù)控技術(shù)的開發(fā)中去?，F(xiàn)階段高速高精度、高效率高自動(dòng)化、高柔性、高可靠性、高智能化復(fù)合化網(wǎng)絡(luò)化、開放式體系結(jié)構(gòu)是國(guó)外數(shù)控機(jī)床性能的發(fā)展方向，這要求更高的數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量及可靠性。機(jī)床工業(yè)是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志和產(chǎn)業(yè)地位的重要象征。“十一五”期間，我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)平均以百分之三十的高增長(zhǎng)率快速發(fā)展，已連續(xù)10年成為世界第一機(jī)床消費(fèi)大國(guó)，并成為世界機(jī)床第一生產(chǎn)大國(guó)。而“十二五”期間，我國(guó)進(jìn)一步加速對(duì)高速鐵路的建設(shè)、日益加快的城鎮(zhèn)化進(jìn)程都為機(jī)械行業(yè)帶來(lái)最直接最大化的收益。 當(dāng)前我國(guó)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)正處在一個(gè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，正尋求由研究開發(fā)向推廣應(yīng)用轉(zhuǎn)變，也正是從封閉型的系統(tǒng)向開放型的系統(tǒng)尋求轉(zhuǎn)變的時(shí)期。我國(guó)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)在重大關(guān)鍵技術(shù)、核心技術(shù)上日趨成熟，開發(fā)及衍生出數(shù)控系統(tǒng)八十余種，已趕上國(guó)外先進(jìn)水平。近幾年以來(lái)，借由對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)床數(shù)控機(jī)床從機(jī)械結(jié)構(gòu)解剖分析到使用性能用戶需求的調(diào)研，思考鉆研了機(jī)床數(shù)控機(jī)床在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面和制造方法方面的新技術(shù)。但現(xiàn)時(shí)還主要存在以下幾個(gè)問題函待解決：一是缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)模，沒有足夠規(guī)模的產(chǎn)業(yè)集群；二是缺乏專門針對(duì)發(fā)展數(shù)控產(chǎn)業(yè)的政策和相應(yīng)的技術(shù)配套體系；三是缺乏技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品更新；四是缺乏產(chǎn)業(yè)調(diào)整的內(nèi)在動(dòng)力；五是面臨國(guó)外強(qiáng)手競(jìng)爭(zhēng)，擴(kuò)展海外市場(chǎng)壓力巨大。 其中數(shù)控鉆床作為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的象征以及世界先進(jìn)制造技術(shù)興起和不斷成熟的標(biāo)志，它是在數(shù)控加工中心領(lǐng)域的典型機(jī)床，最具代表性且占據(jù)數(shù)控機(jī)床中的絕大比率，現(xiàn)代數(shù)控加工中心及柔性制造單元等都是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上派生發(fā)展起來(lái)的。功能性強(qiáng)、加工范圍廣、工藝較復(fù)雜等都是數(shù)控銑床的特點(diǎn)，各種復(fù)雜平面、輪廓及曲面等零件的銑削加工都需依靠銑床來(lái)完成，又因?yàn)樗梢赃M(jìn)行鉆通孔、盲孔，并在更換特殊刀具后可擴(kuò)孔、锪孔、鉸孔或進(jìn)行攻絲等使得其在機(jī)械加工領(lǐng)域和模具制造業(yè)中應(yīng)用廣泛可謂是必不可少的基礎(chǔ)機(jī)床。 本次所選的畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題主要是對(duì)現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品中的數(shù)控立式鉆床進(jìn)行結(jié)構(gòu)總圖的繪制，還有經(jīng)濟(jì)型機(jī)床本身的各部分組成，在達(dá)到加工要求的情況下進(jìn)行合理的選擇設(shè)計(jì)，再結(jié)合對(duì)實(shí)際生產(chǎn)加工中數(shù)控立式鉆床的電氣控制原理的了解，設(shè)計(jì)并繪制數(shù)控立式鉆床它的電氣控制原理圖，包括各種保護(hù)電路的設(shè)計(jì)控制。目前CNC機(jī)床的普及以及快速的發(fā)展勢(shì)頭，要求我對(duì)CNC系統(tǒng)進(jìn)行基本的了解，并掌握編程的主要思路和方法。 本課題畢業(yè)設(shè)計(jì)是以ZK5132型數(shù)控立式鉆床為主要對(duì)象對(duì)其電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，熟悉了解電氣控制原理、低壓電器使用、機(jī)床電氣控制系統(tǒng)排布、數(shù)控系統(tǒng)及接口功能、變頻器使用、步進(jìn)與伺服驅(qū)動(dòng)的選用等內(nèi)容。數(shù)控立鉆在加工工件的過程中，主軸的運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)怎么結(jié)合，如何選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的相應(yīng)的步距角，以及對(duì)于各個(gè)電動(dòng)機(jī)的類型及控制方法的選擇都是本次設(shè)計(jì)的研究對(duì)象。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)與其內(nèi)容及任務(wù)相符，并使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度控制為0.36°，完成ZK5132型數(shù)控立式鉆床電氣控制系統(tǒng)原理圖和各種保護(hù)電路元器件的繪制及總裝原理圖設(shè)計(jì)。 1. 數(shù)控機(jī)床常用電氣控制元件 各種不同功用的電氣控制元器件按設(shè)計(jì)排布便組成了數(shù)控機(jī)床的控制電路，要想做到設(shè)計(jì)更優(yōu)的數(shù)控機(jī)床控制電路，就首先要了解熟悉各種功用的各式樣電氣控制元器件，而本設(shè)計(jì)是在ZK5132型數(shù)控立式鉆床為基礎(chǔ)的前提下進(jìn)行的。 1.1 低壓斷路器 低壓斷路器又稱自動(dòng)空氣開關(guān)，它將控制和保護(hù)兩種功能合而為一體，常用來(lái)做不頻繁接通和斷開的電路的總電源開關(guān)或是部分電路的電源開關(guān)。當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲魉诘碾娐钒l(fā)生過載、短路或欠壓等故障時(shí)它能自動(dòng)工作瞬間把電路切斷，從而有效保護(hù)串連在它后面的其他電氣原件或設(shè)備。同時(shí)由于低壓斷路器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在分?jǐn)喙收想娐返碾娏骱笸ǔＪ遣恍枰鼡Q該斷路器零部件的。本設(shè)計(jì)中的QF1、QF2、QF3等，圖形及文字符號(hào)如圖1.1所示。 圖1.1 低壓斷路器圖形及文字符號(hào) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)中用到了兩種斷路器，分別為單極斷路器和三級(jí)斷路器，它們被用于照明配電系統(tǒng)回路和控制回路，交流電線路及單極和二極至四極線路的過載及短路保護(hù)。 1.2 接觸器 接觸器是一種帶有負(fù)載的終端控制電器被設(shè)計(jì)用于需要頻繁接通或者分?jǐn)嗟碾娐分?。通常接觸器是由四部分構(gòu)成，分別有電磁機(jī)構(gòu)、觸點(diǎn)系統(tǒng)、滅弧裝置及其它部件。當(dāng)線圈得到電后，鐵芯所產(chǎn)生的電磁吸力將吸合銜鐵，銜鐵則帶動(dòng)觸點(diǎn)系統(tǒng)動(dòng)作使常閉觸點(diǎn)斷開同時(shí)常開觸點(diǎn)閉合。當(dāng)線圈失去電流斷電時(shí)，它的電磁吸力便會(huì)消失，在反作用彈簧力的作用下釋放銜鐵，以致觸點(diǎn)系統(tǒng)隨后復(fù)位。目前接觸器可分為直流和交流僅兩種，而機(jī)床上常用的是交流接觸器。其圖形及文字符號(hào)如圖1.2所示： 圖1.2 接觸器電氣圖形及文字符號(hào) 1.3 繼電器、變壓器及其他電器 繼電器是一種可以根據(jù)輸入信號(hào)的變化動(dòng)作從而接通或是斷開控制電路的電器件。出入繼電器的信號(hào)一方面可以是電流或電壓等電量信號(hào)，另一方面也可以是溫度、速度或壓力等非電量信號(hào)。繼電器的輸出信號(hào)則是為響應(yīng)觸點(diǎn)的動(dòng)作。繼電器可以按輸入信號(hào)的性質(zhì)來(lái)分類：可分為電壓繼電器、電流繼電器或時(shí)間繼電器等，若按原理分類又可分為：電磁式繼電器或熱繼電器（圖1.4 a所示）等。繼電器圖形及文字符號(hào)表示見下圖1.3所示。 圖1.3 繼電器圖形及文字符號(hào) 繼電器和接觸器工作原理是一樣的但也有不同之處： 繼電器主要用于二次回路的作用是 信號(hào)檢測(cè)、傳遞、變換或處理用的，它通斷的電路電流通常較小(幾A到十幾A)，一般用在控制電路里，控制弱信號(hào)。接觸器主要是用于一次回路的，可以通過較大的電流(可達(dá)幾百到一千多A)，常用來(lái)接通或斷開主電路的。在繼電器的觸點(diǎn)容量滿足不了要求時(shí)，也可以用接觸器代替。當(dāng)接觸器的輔助觸點(diǎn)不夠用時(shí)可加一繼電器作輔助觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制。 變壓器是一種靜止電器它能將任一數(shù)值的交流電壓變換成頻率相同但數(shù)值大小卻不相同的交流電壓。機(jī)床控制變壓器它適用于輸入電壓不超過交流660伏而頻率為50Hz~60Hz之間的電路，以此常作為機(jī)床中一般電器的控制電源、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源、局部照明電源還有指示燈電源等。其圖形文字符號(hào)如圖1.4 b）所示。 在機(jī)床電氣控制電路中還有其他的控制電器元件，如熔斷器就是一種最簡(jiǎn)單而且有效的保護(hù)電器正被業(yè)界廣泛應(yīng)用。熔斷器在使用時(shí)被串聯(lián)接在所需要保護(hù)的電路中，一旦電路發(fā)生短路或是嚴(yán)重過載時(shí)，熔斷器的熔斷體就會(huì)自動(dòng)地迅速熔斷，從而達(dá)到切斷電路使導(dǎo)線和電氣設(shè)備不致?lián)p壞的效果。 行程開關(guān)用于對(duì)機(jī)械的電氣安全控制，機(jī)床導(dǎo)軌兩端，通常串聯(lián)電路中，也稱限位開關(guān)。按鈕被用于電氣電路控制的接通或是斷開。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，當(dāng)工件在工作臺(tái)上運(yùn)行超過行程，會(huì)損壞工作臺(tái)及整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)，這時(shí)限位開關(guān)就起到了保護(hù)作用，當(dāng)運(yùn)行過程碰到限位開關(guān)時(shí)，使得電路斷開，停止工作。 它們的圖形及文字符號(hào)如圖1.4 所示。 圖1.4 其他電氣圖形及文字符號(hào) 2. 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)字控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為數(shù)控系統(tǒng)，它是一種能夠按照預(yù)先編程好的零件加工程序指令進(jìn)行作業(yè)控制，從未使機(jī)床完成既定工作運(yùn)動(dòng)加工出零件的控制系統(tǒng)。它的工作原理是根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中已存儲(chǔ)的控制程序，選擇執(zhí)行部分或是全部指令功能。該數(shù)字控制專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，可通過執(zhí)行數(shù)字、文字或是符號(hào)相組成的指令來(lái)控制若干機(jī)械設(shè)備動(dòng)作，控制范圍包括位置、角度、速度等機(jī)械量和開關(guān)量。 2.1 數(shù)控鉆床系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床它是采用數(shù)字控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床加工作業(yè)過程自動(dòng)控制的一種現(xiàn)代化機(jī)床，是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的典型例子。本設(shè)計(jì)以ZK5132型數(shù)控立式鉆床為例，數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)得依靠數(shù)控系統(tǒng)，而計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)又是以計(jì)算機(jī)為最核心的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控立式鉆床系統(tǒng)組成可見下圖2.1。 圖2.1 數(shù)控立式鉆床系統(tǒng)組成框圖 數(shù)控立式鉆床系統(tǒng)通常有以下若干部分組成：操作面板、輸入/輸出裝置、PLC控制面板、機(jī)床主體、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、機(jī)床IO電路、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置、伺服單元及傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。 2.1.1 操作面板 操作人員和數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行信息交流及作業(yè)操作全部依賴操作面板，操作面板由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列及顯示器共同組成。而一般常見的是集成式操作面板，其上可分為顯示區(qū)、鍵盤區(qū)和機(jī)床控制面板區(qū)三大區(qū)域。顯示區(qū)里有顯示器，是用于顯示菜單選項(xiàng)、系統(tǒng)作業(yè)狀態(tài)、故障報(bào)警信息以及加工軌跡圖形的仿真演示。鍵盤區(qū)的鍵盤是用于編制所需加工零件的切削程序、輸入控制量參數(shù)、手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)及管理操作系統(tǒng)。而主板芯片則是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)作或加工過程的直接控制。 2.1.2 輸入/輸出裝置 輸入裝置它的作用方法則是將存儲(chǔ)在載體上的數(shù)控代碼讀取出來(lái)，然后轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的數(shù)字控制信號(hào)后，傳輸?shù)綌?shù)控裝置里面。輸出裝置它的作用則是先讀取加工過程中的一些信息，然后再顯示信息，這些信息包括有坐標(biāo)值或報(bào)警信號(hào)等。 輸入/輸出接口電路是微芯片處理器與外界控制變量聯(lián)系的通路，它通過物理連接手段能夠?qū)崿F(xiàn)完成數(shù)據(jù)格式和信息形式的互相轉(zhuǎn)換。在CNC系統(tǒng)中若按功能分類可將I/O接口分為兩類：其中一類接口是用于連接常規(guī)的輸入輸出設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)程序的輸入輸出及人機(jī)界面的交互，這一類被稱之為通用I/O接口；另一類接口是用于連接專用的控制檢測(cè)裝置，從而實(shí)現(xiàn)控制與檢測(cè)機(jī)床的位置和工作狀態(tài)的目的，這一類是CNC數(shù)控裝置專用的接口其被稱之為機(jī)床控制I/O接口。 2.1.3 CNC裝置 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的最根本核心便是CNC裝置，它能夠根據(jù)被輸入其中的加工程序按照運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行處理和完成輸入機(jī)床的信號(hào)的處理，最后向各部分輸出信號(hào)命令以控制相應(yīng)的執(zhí)行部件完成既定動(dòng)作。可用可編程控制器控制數(shù)控機(jī)床完成諸如刀具的選擇和更換、切削液的啟停等輔助動(dòng)作。在現(xiàn)階段的現(xiàn)代化程度高的數(shù)控系統(tǒng)中，通常都會(huì)配置有PLC附加電路板，這樣的結(jié)構(gòu)形式有利于免去CNC與PLC間的連線從而使結(jié)構(gòu)緊湊可靠且方便操作，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是雙贏的。 2.1.4 伺服單元 伺服單元是包括了主軸伺服和進(jìn)給伺服，兩者分別用來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度進(jìn)給，使刀具和工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行加工作業(yè)。數(shù)控裝置與機(jī)床本體的聯(lián)系是依靠伺服單元來(lái)達(dá)成實(shí)現(xiàn)的，如伺服單元先將接收來(lái)自于CNC裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，然后將該指令放大成足夠控制驅(qū)動(dòng)裝置的大功率信號(hào)后傳送給機(jī)床本體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。伺服單元自身還擁有過電壓電流、欠壓、過熱保護(hù)等故障檢測(cè)電路，并且為了更好的保護(hù)元器件，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)減小啟動(dòng)沖擊，故其還在主回路電路中加入了軟啟動(dòng)電路排布。 功率驅(qū)動(dòng)單元的作用是讓輸入的三相電或者市電通過三相全橋整流電路進(jìn)行整流從而得到相應(yīng)的直流電。為了驅(qū)動(dòng)三相永磁同步交流伺服電機(jī)，三相電或市電在經(jīng)過整流后，還要再通過三相正弦PWM電壓型逆變器，實(shí)現(xiàn)變頻才能符合電機(jī)的供電要求?？梢杂肁C-DC-AC的表示來(lái)說明功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)工作過程。三相全橋不控整流電路是其整流單元（AC-DC）的主要的拓?fù)潆娐贰? 2.1.5 驅(qū)動(dòng)裝置 伺服單元和驅(qū)動(dòng)單元一樣都是數(shù)控裝置與機(jī)床傳動(dòng)部件之間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)單元裝置把伺服單元輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)變成執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)，諸如過幾軸聯(lián)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)和刀具通加工出既定形狀尺寸和合乎精度要求的零件。 2.1.6 機(jī)床本體 數(shù)控鉆床計(jì)算機(jī)部分之外的機(jī)床本體便是數(shù)控鉆床的機(jī)械部分，主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件、支承部件（底座、支柱等）和冷卻、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)位還有夾緊之類的輔助裝置共同構(gòu)成了這樣的一個(gè)機(jī)械部分。電動(dòng)機(jī)的要將扭矩或功率傳遞給主軸部件便要依靠機(jī)床上的主傳動(dòng)系統(tǒng)，主傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件通常都被設(shè)計(jì)成一個(gè)主軸箱以使安裝在主軸內(nèi)的工件或刀具可以實(shí)現(xiàn)主切削運(yùn)動(dòng)。 2.2 數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)控制的分類以及選擇 機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)按所能控制的運(yùn)動(dòng)軌跡可以分為三種類型，如點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)、直線切削數(shù)控系統(tǒng)和連續(xù)切削數(shù)控系統(tǒng)。點(diǎn)位控制不管所走的軌跡如何，且運(yùn)動(dòng)過程中不進(jìn)行任何加工，而只控制機(jī)床移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置。直線切削控制用于臺(tái)階軸加工，只沿45°斜線進(jìn)行加工，控制兩個(gè)坐標(biāo)軸以同樣的速度運(yùn)行。加工輪廓、曲線或曲面通常需要使用機(jī)床的連續(xù)加工功能。因?yàn)楸菊n題是以數(shù)控鉆床為設(shè)計(jì)對(duì)象，所以在本設(shè)計(jì)中應(yīng)選用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，以及全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的三種類型。 2.2.1 開環(huán)控制 在開環(huán)控制中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)多是采用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元接收一個(gè)輸入脈沖后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就相應(yīng)地轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，通過電機(jī)與機(jī)床之間傳動(dòng)部件的傳動(dòng)，使工作臺(tái)相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)位移量，這樣的一個(gè)位移量被稱為一個(gè)脈沖當(dāng)量或一個(gè)最小設(shè)定單位。 開環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制線路接受來(lái)自數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換，成為控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是與機(jī)床絲桿通過聯(lián)軸器聯(lián)接在一起的，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲桿，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)。開環(huán)控制系統(tǒng)是沒有設(shè)置位置反饋元器件的，故不用位置檢測(cè)元件定位。圖2.2為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)圖： 圖2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng) 2.2.2 閉環(huán)與半閉環(huán)控制 在控制方式上來(lái)說，半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)相似但也存在區(qū)別，主要區(qū)別在于半閉環(huán)控制系統(tǒng)比閉環(huán)控制系統(tǒng)多在電動(dòng)機(jī)軸上裝有表示其角位移的編碼器。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)可以使電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的高精確角位移，盡管并不能糾正機(jī)床傳動(dòng)部件自身的加工誤差和由此帶來(lái)的傳動(dòng)誤差。 2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)類型 伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與機(jī)床進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)床中重要的兩大部分，它們共同組成了機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)。而絲杠、機(jī)床導(dǎo)軌和工作臺(tái)拖板等則是組成了通常所說的機(jī)床進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。開環(huán)控制無(wú)位置檢測(cè)及反饋，單向信號(hào)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床；半閉環(huán)控制系統(tǒng)，使用的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋檢測(cè)元件與伺服電機(jī)同軸連接，與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子后部直接相連接與伺服電機(jī)構(gòu)成一體，不足之處是其精度比閉環(huán)控制系統(tǒng)的要低；對(duì)于精度要求很高的數(shù)控車床、銑床和超精車床基本都得需要用閉環(huán)控制系統(tǒng)作為加工過程的位置檢測(cè)及反饋從而保證成品品質(zhì)。 數(shù)控系統(tǒng)若按功能水平來(lái)分類可分為經(jīng)濟(jì)型、普及型和高檔型三種。它們相關(guān)參數(shù)如下表2.1所示： 表2.1 各類數(shù)控系統(tǒng)對(duì)比 名稱 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) 普及型數(shù)控系統(tǒng) 高檔型數(shù)控系統(tǒng) 顯示 數(shù)碼管、CRT 單色顯示器 彩色CRT或TFT液晶 CPU 單板機(jī)或單片機(jī) 16位或32位 32位以上 內(nèi)存 小于100KB 150KB 大于150KB 快速進(jìn)給速度 小于10m/min 10-20m/min 100m/min或更高 進(jìn)給分辨率 10 1 0.1 反饋控制方式 開環(huán)控制 半閉環(huán)控制 全閉環(huán)控制 聯(lián)動(dòng)方式 三軸或三軸以下 三軸或四軸 五軸以上 適用范圍 數(shù)控鉆、磨、銑 經(jīng)濟(jì)實(shí)用的車銑等 高速高精加工的銑床等 根據(jù)以上表格參數(shù)，本課題設(shè)計(jì)應(yīng)選用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，其型號(hào)為HNC-21Z的數(shù)控系統(tǒng)。機(jī)床進(jìn)給采用開環(huán)控制系統(tǒng)，價(jià)格便宜，滿足一般精度加工要求。 2.3 數(shù)控鉆床用途及特點(diǎn) 鉆床是通過用鉆頭或其他特種刀具在工件上加工成孔或特殊造型的機(jī)床。鉆床的主運(yùn)動(dòng)是為主軸帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為鉆頭軸向移動(dòng)，鉆床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可鉆通孔、盲孔，在更換特種刀具后還可進(jìn)行擴(kuò)、锪孔、鉸孔或進(jìn)行攻絲等加工，但加工精度相對(duì)較低。鉆床的特點(diǎn)是在加工過程中僅移動(dòng)刀具而工件不動(dòng)，讓刀具中心對(duì)正孔中心后啟動(dòng)機(jī)床使刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，操作可以是手動(dòng)，也可以是自動(dòng)。工作臺(tái)面的寬度和長(zhǎng)度是在選用鉆床進(jìn)行加工時(shí)需參考的主參數(shù)之一。 鉆床的工藝特點(diǎn)如下：(1)鉆床的鉆頭或特種刀具由主軸帶動(dòng)來(lái)做高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；(2)刀具具備多齒、多刃且軸對(duì)稱的特點(diǎn)，加工工件時(shí)進(jìn)行連續(xù)切削；(3)工件被固定在工作臺(tái)上由工作臺(tái)帶動(dòng)做直線或曲線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；(4)刀具在切削時(shí)每個(gè)刀齒是斷續(xù)的進(jìn)行切削作業(yè)，每一時(shí)刻參與切削作業(yè)的刀齒齒數(shù)和每個(gè)刀齒的切削厚度都是變化的，這也正是刀具進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)容易引起機(jī)床振動(dòng)的原因；(5)切削時(shí)，刀具同時(shí)參加切削的齒數(shù)較多，便于采用較大的切削速度和進(jìn)給給量，因而生產(chǎn)效率高。 2.4 數(shù)控鉆床的相關(guān)技術(shù)參數(shù) 數(shù)控立式鉆床有很多種，主要用鉆頭在工件上加工孔（如鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻絲、锪孔等）的機(jī)床，機(jī)械制造和各種修配工廠必不可少的設(shè)備。根據(jù)本次設(shè)計(jì)型號(hào)ZK5132，是經(jīng)濟(jì)數(shù)控立式鉆床，工作臺(tái)和主軸箱可以在立柱上垂直移動(dòng)，用于加工中小型工件。該機(jī)床X,Y,Z三軸均由數(shù)控系統(tǒng)協(xié)同步進(jìn)電機(jī)控制以產(chǎn)生大扭距和高定位精度。該系列機(jī)床具有加工剛性好、編程簡(jiǎn)單操作方便易上手和使用可靠安全的優(yōu)點(diǎn)。該數(shù)控立式鉆床的主要技術(shù)參數(shù)規(guī)格見下表2.2 所示： 表2.2 ZK5132機(jī)床參數(shù) 主軸箱行程(mm) 450 最大鉆孔直徑(mm) 32 主軸電動(dòng)機(jī)功率(KW) 2.2 主軸端面至工作臺(tái)最大面積(mm) 600 主軸轉(zhuǎn)速范圍(r/min) 50-1500 工作臺(tái)面積(mm) 630×400 主軸最大進(jìn)給抗力(KN) 9 X軸定位精度(mm) 0.05 主軸最大扭矩(Nm) 160 Y軸定位精度(mm) 0.05 工作臺(tái)X軸行程(mm) 500 Z軸定位精度(mm) 0.05 工作臺(tái)Y軸行程(mm) 300 重復(fù)定位精度(mm) 0.02 Z軸行程(mm) 225 外形尺寸（長(zhǎng)寬高）(mm) 1080×1310×2400 2.5 數(shù)控機(jī)床對(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)要求 (1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍要寬，即指進(jìn)給電機(jī)能提供的最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速具有具備足夠廣的調(diào)整幅度。對(duì)于一般的數(shù)控機(jī)床，作業(yè)能力要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能在速度范圍內(nèi)工作就合乎要求了。 (2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的定位精度要高要能達(dá)到較高的精度和剛度且傳動(dòng)平穩(wěn)噪聲低的要求。主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度直接關(guān)系到數(shù)控機(jī)床的加工精度以及后期的精度提高。所以一般采用高精度軸承以提高主軸件的剛性以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)件制造精度和剛度的提高。 (3)快速響應(yīng)，無(wú)超調(diào)。所有被控制的電動(dòng)機(jī)要求起動(dòng)平穩(wěn)響應(yīng)快速、無(wú)沖擊震動(dòng)、無(wú)振蕩、電氣檢修噪聲無(wú)異常并且溫升無(wú)異常。 (4)可做到低速大轉(zhuǎn)矩，具備強(qiáng)過載能力。進(jìn)行作業(yè)時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被要求在低速時(shí)能保持恒力矩輸出不發(fā)生爬行現(xiàn)象，并且在相對(duì)一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能承受頻繁的啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)，擁有較強(qiáng)的過載能力。 (5)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性要高以滿足數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)需求。因此可靠性技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)及冗余技術(shù)作為電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部件選用是一個(gè)常用的做法手段，而且部件應(yīng)選用符合有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)且取得授權(quán)認(rèn)證的最成熟的產(chǎn)品。 3. 傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算 鉆頭主切削運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自主軸，主軸得在電機(jī)帶動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)下同時(shí)承載鉆頭切削工件時(shí)從主軸電機(jī)傳遞過來(lái)的的強(qiáng)勁動(dòng)力，而且高精度是在任何情況下都必須首先保證的硬性指標(biāo)。在機(jī)床中最關(guān)鍵重要的部件就是主軸，主軸的技術(shù)指標(biāo)是也決定了機(jī)床的技術(shù)水平以及精度水平。主軸按結(jié)構(gòu)來(lái)分的話是分為機(jī)械主軸和電主軸。機(jī)械主軸是由刀具裝夾機(jī)構(gòu)、軸承元件、主軸冷卻系統(tǒng)、配套的主軸電機(jī)、測(cè)量反饋部件和驅(qū)動(dòng)裝置等組合構(gòu)成。部分機(jī)械主軸還配備有液壓或是氣動(dòng)操作的換擋機(jī)構(gòu)。電主軸則是指那些主軸電機(jī)被集成到主軸的機(jī)械部件中的主軸系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中的機(jī)床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)主要相關(guān)參數(shù)如下表3.1和表3.2所示： 表3.1 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)主要相關(guān)參數(shù) 工作臺(tái)重量 500 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3.2 夾具重量 300 絲桿導(dǎo)程 10 靜摩擦系數(shù) 0.2 絲桿總長(zhǎng) 1000 動(dòng)摩擦系數(shù) 0.1 定位精度 0.05 絲桿預(yù)緊時(shí)效率 0.75 步距角 0.36 驅(qū)動(dòng)時(shí)總效率 0.8 重量 16 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 150 最大進(jìn)給速度 1.5 表3.2 主軸工作情況 切削 方式 縱向切削力Pxi（N） 垂向切削力Pzi（N） 進(jìn)給速度Vi（m/min） 工作時(shí)間百分比t % 絲桿軸向載荷（N） 絲桿轉(zhuǎn)速r/min 強(qiáng)力切削 2000 1200 0.6 10 2920 60 一般切削 1000 500 0.8 30 1850 80 精切削 500 200 1 50 1320 100 快速進(jìn)給 0 0 1.5 10 800 150 3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)要求 3.1.1 X、Y水平直線運(yùn)動(dòng)軸 空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩為： （3-1） 加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： （3-2） 3.1.2 Z垂直直線運(yùn)動(dòng)軸 加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： （3-3） 根據(jù)上面的計(jì)算，工作臺(tái)X、Y水平運(yùn)動(dòng)軸選110BYG5502型轉(zhuǎn)矩為16 N·m的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；主軸箱Z垂直直線運(yùn)動(dòng)軸則選用130BYG5501型轉(zhuǎn)矩為25 N·m的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；主軸鉆頭由Y100L1-4型功率為2.2 KW的交流異步電機(jī)帶動(dòng)；液壓泵使用AOB-25型功率為0.06 KW的三相電泵。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速取為。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠直連，即 ，工作臺(tái)快速進(jìn)給的最高速度要求達(dá)到，則絲杠的最高轉(zhuǎn)速為。 根據(jù)絲杠導(dǎo)程公式： （3-4） 代入式（3-4），得絲杠的導(dǎo)程為： （3-5） 根據(jù)精度要求，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量可定為。脈沖當(dāng)量是指每一脈沖信號(hào)輸入機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件所產(chǎn)生的位移量，這又被稱作最小設(shè)定單位。步進(jìn)電機(jī)完成每轉(zhuǎn)，控制器所應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)由以下公式可知： 因?yàn)? 有 （3-6） 代入式（3-6），得： （3-7） 驗(yàn)算，以上結(jié)果與 相符合。 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度，取決于輸入脈沖的頻率，在控制軟件中，控制兩個(gè)節(jié)拍進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔，就可以方便的實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度的控制。 根據(jù)數(shù)控鉆床的加工要求，由上面已經(jīng)選擇好的130BYG5501型號(hào)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n ，要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角 = 0.36°，由下式（3-8）和式（3-9）求出相應(yīng)的兩個(gè)節(jié)拍間的時(shí)間間隔T及脈沖頻率f（Hz），即 （3-8） （3-9） 當(dāng)需要快速進(jìn)給，n=150r/min=2.5r/s， = 0.36°時(shí)，求得： T=0.0004 s ， f=2500 Hz 當(dāng)需要精切削進(jìn)給，n=100r/min， = 0.36°時(shí)，求得： T=0.0006 s ， f≈1667 Hz 當(dāng)需要一般切削進(jìn)給，n=80r/min，= 0.36°時(shí)，求得： T=0.00075 s ， f≈1333 Hz 當(dāng)需要強(qiáng)力切削進(jìn)給，n=60r/min， = 0.36°時(shí)，求得： T=0.001 s ， f=1000 Hz 4. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng) 4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用原則以及性能指標(biāo) 4.1.1 選用原則 步進(jìn)電機(jī)在機(jī)床產(chǎn)業(yè)中通常被用來(lái)控制定位和定速可以說是機(jī)電一體化產(chǎn)品中至關(guān)重要的部件之一。步進(jìn)電機(jī)自身具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、定位精度高、無(wú)累積角誤差、控制方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。例如在計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床、包裝產(chǎn)業(yè)機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)以及傳真機(jī)中都不可或缺地使用了步進(jìn)電機(jī)。 ??選用步進(jìn)電機(jī)的前提首先是得確保所用步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，然后要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)要電機(jī)的矩頻特性在滿足機(jī)械負(fù)載要求即在實(shí)際作業(yè)過程中各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)的情況下還要有一定的余量，以此保證其可靠運(yùn)作。同時(shí)應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)相匹配以得到機(jī)床所要求的脈沖當(dāng)量。若想得到更小的脈沖當(dāng)量可通過改變絲桿的導(dǎo)程或通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。細(xì)分只能改變其分辨率但不能改變其精度，因?yàn)榫仁怯呻姍C(jī)的固有特性所決定。 ??在選擇功率步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)首先估算負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，以使其慣性頻率特性在與步進(jìn)電機(jī)相匹配的情況下還另有一定的余量，從而使之在最高速時(shí)的連續(xù)工作頻率滿足機(jī)床快速進(jìn)給的要要。 4.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo) （1）步距角，若步距角在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電方式和傳動(dòng)比已經(jīng)初步確定的情況下，則應(yīng)該滿足（i為傳動(dòng)比，為負(fù)載要求的最小位移增量）。 （2）最大靜轉(zhuǎn)矩，其余負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為，為保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能正常工作，還必須滿足。 （3）空載啟動(dòng)頻率，由于在負(fù)載情況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不失步啟動(dòng)所允許的最高頻率是隨負(fù)載的增加而顯著下降的，因此，在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)該選擇合適的。 （4）精度，可以用步距誤差或累積誤差來(lái)衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度。累積誤差它是指某一時(shí)刻轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過若干步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用累積誤差衡量精度比較實(shí)用，所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足 式中, 為傳動(dòng)比，--負(fù)載軸上允許的角度誤差。 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種驅(qū)動(dòng)裝置，它將接收的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移，進(jìn)而對(duì)外做功。每對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)它施加一個(gè)單位電脈沖信號(hào)，它的轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度，被稱之為一步，每一步轉(zhuǎn)過的角度即為步距角。目前常見的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)它的步距角α有以下0.36°/0.72°, 0.75°/1.5°, 0.9°/1.8°等，斜線前面表示工作半個(gè)步距角度，斜線后面表示工作全步距角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最顯著的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的定位精度，它無(wú)漂移和累積定位誤差還能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列。 本次是以數(shù)控立式鉆床為對(duì)象，其型號(hào)為ZK5132，要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角控制精度為0.36°。該數(shù)控立式鉆床是采用110BYG550X系列及130BYG5501混合式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 參數(shù)釋義： 110/130 - 機(jī)座號(hào)，電機(jī)外徑 BYG - 混合步進(jìn)電機(jī)代號(hào) 5 - 代表五相電機(jī) 50 - 轉(zhuǎn)子齒數(shù) X/1 - 規(guī)格號(hào) 4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子上附有繞組，根據(jù)定子上繞組的數(shù)量可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分類，可分為兩相、三相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)中由前面推算選擇所確定的步進(jìn)電機(jī)為五相十拍，各繞組按驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的通電順序通以直流電使其電動(dòng)機(jī)按要求的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子上環(huán)形均布著齒，繞組中的電流每變化一次則轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置就變化一個(gè)角度。 其機(jī)構(gòu)如圖4.1所示： 圖4.1 五相電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 例如進(jìn)行整步驅(qū)動(dòng)時(shí)首先將A所在相進(jìn)行勵(lì)磁，讓該磁極磁化成S極，該S極將與帶有N極磁性的轉(zhuǎn)子1上的小齒互相吸引同時(shí)與帶有S極磁性的轉(zhuǎn)子2上的小齒相排斥，在轉(zhuǎn)動(dòng)到新的磁平衡位置后停止。這時(shí)候沒有進(jìn)行勵(lì)磁的B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子2上的帶有S極磁性的小齒互偏離0.72°。以上便是先進(jìn)行A相勵(lì)磁時(shí)候的定子和轉(zhuǎn)子小齒的位置關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器控制由A相勵(lì)磁進(jìn)行到B相勵(lì)磁時(shí)候，B相磁極被磁化成為N極，進(jìn)而與擁有S極磁性的轉(zhuǎn)子2產(chǎn)生異性相吸同時(shí)與擁有N極磁性的轉(zhuǎn)子1同性相排斥。即是說，進(jìn)行整步驅(qū)動(dòng)時(shí)候從A相勵(lì)磁轉(zhuǎn)換至B相勵(lì)磁時(shí)會(huì)讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)0.72°。因此可以知道，驅(qū)動(dòng)器控制的勵(lì)磁相位順序從A相→B相→C相→D相→E相→A相依次進(jìn)行通電勵(lì)磁，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每次以0.72°整步工作。同理得若希望電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只需將勵(lì)磁順序倒轉(zhuǎn)過來(lái)成依照A相→E相→D相→C相→B相→A相的順序通電勵(lì)磁就可以了。 因此根據(jù)公式，（式中─轉(zhuǎn)子齒數(shù)；─步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)；─控制方式系數(shù)，為供電拍數(shù)與相數(shù)之比，K=(拍數(shù))/(相數(shù)) ），該110BYG550X系列及130BYG5501步進(jìn)電機(jī)采用整步驅(qū)動(dòng)時(shí)，步進(jìn)的步距角為 ；當(dāng)采用半步細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，步進(jìn)的步距角為 。由以上的分析得出五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.36°或者0.72°，跟上面所選的110BYG550X系列及130BYG5501型號(hào)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)相吻合。 4.4 主軸步進(jìn)電機(jī)的控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是如何運(yùn)行的及其運(yùn)行特性是由與之配套使用的驅(qū)動(dòng)器決定的。因?yàn)殡姍C(jī)的標(biāo)稱步距角不一定就是它在實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，因?yàn)檎嬲牟骄嘟鞘桥c驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定有關(guān)的。通過上面的計(jì)算設(shè)計(jì)確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為110BYG550X系列及130BYG5501型號(hào)，五相十拍工作方式。驅(qū)動(dòng)器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、功率放大器等組成，如圖4.2所示，驅(qū)動(dòng)器它是將變頻信號(hào)源送進(jìn)來(lái)的脈沖及方向信號(hào)按既定的通電勵(lì)磁方式自動(dòng)循環(huán)供給給電動(dòng)機(jī)的各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 控制計(jì)算機(jī) I/O接口板 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 圖4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制圖 圖4.3為110BYG550X系列及130BYG5501型號(hào)的接線圖，1接A、2接A′、3接B、4接B′、5接C、6接C′、7接D、8接D′、9接E、10接E′，采用十芯插座。 圖4.3引腳接線圖 主軸的運(yùn)動(dòng)是得通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是依靠相應(yīng)配套使用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制使其工作轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4.4所示為五相十拍混合式步進(jìn)電機(jī)，若實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按控制運(yùn)轉(zhuǎn)的話，就需要了解接線端子排、四位撥動(dòng)開關(guān)的使用方法。 圖4.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外形及SW撥動(dòng)開關(guān) 圖中撥動(dòng)開關(guān)SW是一個(gè)四位開關(guān)，通過該開關(guān)可以設(shè)置電動(dòng)機(jī)的控制方式。 第一位：脈沖控制模式的選擇 撥向OFF端為單脈沖的控制方式，撥向ON端為雙脈沖的控制方式。在單脈沖控制方式下需要CP、CP′端子接入正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行脈沖信號(hào)，而DIR、DIR′端子是輸入正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行方向信號(hào)。雙脈沖控制方式下，CW、CW′端子是輸入正向運(yùn)行脈沖信號(hào)，而CCW、CCW′端子是輸入反轉(zhuǎn)運(yùn)行脈沖信號(hào)。 第二位：運(yùn)行方向的選擇（僅處于單脈沖工作方式時(shí)有效） OFF位置是為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，ON位置則是單方向運(yùn)轉(zhuǎn)，與OFF狀態(tài)的轉(zhuǎn)向相反，其設(shè)定后不受正、反轉(zhuǎn)方向信號(hào)的影響。 第三位：整/半步運(yùn)行模式選擇 撥向OFF位置時(shí)電動(dòng)機(jī)是以半步細(xì)分的方式運(yùn)行，撥向ON的位置時(shí)電動(dòng)機(jī)是以整步的方式運(yùn)行。 第四位：自動(dòng)試機(jī)運(yùn)行 撥向OFF位置時(shí)驅(qū)動(dòng)器接受外部脈沖控制運(yùn)行，撥向ON位置時(shí)自動(dòng)試機(jī)運(yùn)行，此時(shí)電動(dòng)機(jī)以50r/min(半步控制)的速度自動(dòng)運(yùn)行，或者以100r/min（整步控制）的速度自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)試機(jī)運(yùn)行時(shí)候不需要外部脈沖輸入。 在圖示步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的正面板上還有兩個(gè)LED指示燈，它們表示的意義為 RPW——該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作電源指示燈，燈亮?xí)r表明驅(qū)動(dòng)器通電。 CP ——在驅(qū)動(dòng)器通電情況下，該指示燈當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生閃爍，其閃爍的頻率就等于電氣循環(huán)原點(diǎn)信號(hào)的頻率。 接線端子的意義如下表4.1所示： 表4.1 接線端子的意義 端子名稱 名稱 意義 A、A′、B、B′、C、C′、D、D′、E、E′ 電動(dòng)機(jī)接線端子 接到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A、A′、B、B′、C、C′、D、D′、E、E′ AC 電源進(jìn)線 交流電源80V（1±15%）500HZ G 接地 接地 4.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制系統(tǒng)可以是開環(huán)的結(jié)構(gòu)，也可以是閉環(huán)的結(jié)構(gòu)。但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制系統(tǒng)一般出于經(jīng)濟(jì)成本的考慮會(huì)選擇采用開環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置指令一般是一串連續(xù)的脈沖。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組是按照一定通電順序方式輪流工作的，故需控制每一脈沖使其按計(jì)劃分配到電動(dòng)機(jī)的每相繞組進(jìn)行通電勵(lì)磁。而這種分配的控制既可以用硬件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)也可以用軟件的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。 能以硬件邏輯電路方式實(shí)現(xiàn)脈沖分配的硬件稱為環(huán)行分配器。在計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中也能通過采用軟件的方式實(shí)現(xiàn)和硬件一樣的效果，我們把這種脈沖分配方式稱作軟件環(huán)行分配。經(jīng)過環(huán)行分配器輸出的進(jìn)給脈沖是弱電信號(hào)，功率很小，不能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)繞組，以產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。所以，經(jīng)過環(huán)行分配器輸出的進(jìn)給脈沖需要進(jìn)行功率放大，達(dá)到一定的電流和電壓。因此，一個(gè)完整的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖4.5所示。 圖4.5 步進(jìn)電機(jī)的位置控制系統(tǒng) 若想對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的位置控制，就首先要根據(jù)機(jī)械之間的傳動(dòng)關(guān)系，計(jì)算出絲桿的位移量與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，進(jìn)而得到絲桿的直線位移量和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角之間的換算關(guān)系。從而根據(jù)轉(zhuǎn)過步距角的大小計(jì)算換算為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所應(yīng)轉(zhuǎn)過的步數(shù)，之后將該步數(shù)賦值給一設(shè)定的變量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過一步，計(jì)算機(jī)控制程序自動(dòng)完成變量減一計(jì)算同時(shí)立刻判別是否為零，如不為零就繼續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)給加工；若已經(jīng)為零就停止進(jìn)給加工讓電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。 4.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相按照一定的順序通/斷電，可以獲得一定的角位移。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每一相分別占用一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)I/O端口，數(shù)控系統(tǒng)I/O端口輸出高或低電平就可以控制與之相聯(lián)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相的通電或者是斷電。大部分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制都傾向采用硬件環(huán)形脈沖分配器，而環(huán)形脈沖分配器往往與功率放大電路集成在一起，構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性性能除了與其自身的特點(diǎn)、負(fù)載有關(guān)之外，還與該電動(dòng)機(jī)配套使用的驅(qū)動(dòng)器有著密不可分的關(guān)系。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器脈沖功率放大部分，其主要功能是對(duì)有軟件或是硬件環(huán)形脈沖分配各相所獲得的通電信號(hào)進(jìn)行功率上的放大，讓這些信號(hào)的幅值放大變得足夠大，且功率足夠強(qiáng)前后沿較好，成為理想的繞組勵(lì)磁電流。常見主要有三種類型的驅(qū)動(dòng)電源器：一是高低壓雙電源型，二是恒流斬波型及三是調(diào)頻調(diào)壓型。本畢業(yè)設(shè)計(jì)中與步進(jìn)電機(jī)配合使用的是高低壓雙電源型驅(qū)動(dòng)電源器，該電源器的工作方式是先通過高壓，用以確保電動(dòng)機(jī)的繞組先有簡(jiǎn)單的沖擊電流流過建立電流通道，之后再供以低壓電，以此確保繞組中的穩(wěn)態(tài)電流值大小等于額定值。該工作方式可以概括為高壓建流低壓定流。 4.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制 通過利用計(jì)算機(jī)的I/O接口控制板可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。設(shè)以“1”（高電平）表示通電，以“0”（低電平）表示斷電，使用I/O接口板的一個(gè)輸出端口對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照五相十拍進(jìn)行控制。通電順序?yàn)锳B-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB（……）時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)五相十拍軟件環(huán)形脈沖分配控制字表見下表4.2所示。 表4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)五相十拍軟件環(huán)形脈沖分配控制字表 控制節(jié)拍 A4 A3 A2 A1 A0 控制輸出內(nèi)容 方向 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 03H 07H 06H 0EH 0CH FDH F9H FAH F2H F4H 03H 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 5. 機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)以ZK5132數(shù)控立式鉆床為對(duì)象，由主電路和控制電路組成，介紹了低壓電器元件、電氣控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)及接口、步進(jìn)電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容。電氣控制部分由電源開關(guān)、主軸正反轉(zhuǎn)、冷卻泵、控制變壓器能耗制動(dòng)電源、機(jī)床照明控制信號(hào)燈、能耗制動(dòng)、零壓保護(hù)啟動(dòng)、冷卻開關(guān)、數(shù)控系統(tǒng)的停止啟動(dòng)與開門斷電等。 5.1 主電路電氣控制設(shè)計(jì) 圖001所示為ZK5132數(shù)控立鉆的380V主回路控制，QF1為主回路的總電源空氣開關(guān)，QF2 和QF3分別為主軸電機(jī)和冷卻泵電機(jī)的空氣開關(guān)，QF4為2L1單相電源控制空氣開關(guān)。KM2、KM3、KM4分別為控制主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)、主軸電機(jī)反轉(zhuǎn)、冷卻電機(jī)交流接觸器。TC1為主控制變壓器，將交流380V電壓變?yōu)榻涣?20V，供給伺服電源模塊。FV為滅弧器裝置，當(dāng)相應(yīng)的電路斷開后，吸收伺服電源模塊、主軸變頻器、冷卻電機(jī)的振蕩電壓電流能量，避免電路過流或過壓損壞接觸器觸頭。XT為線路板塊。 5.1.1 主軸正轉(zhuǎn) 要實(shí)現(xiàn)主軸啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，有CNC自動(dòng)啟動(dòng)和手動(dòng)啟動(dòng)