數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計,數(shù)控,銑床,控制系統(tǒng),設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計說明書 數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 年 月  數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要 數(shù)控技術(shù)在機械制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，它有效地解決了復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應(yīng)各種機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的需要，使企業(yè)快速響應(yīng)市場需求的能力大大加強，其經(jīng)濟效益顯著。 該設(shè)計首先對數(shù)控技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展狀況和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢進行描述。接著對數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)進行了深入探討，主要了解了數(shù)控銑床的整體布局、組成，及個部分的工作原理，確定數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計中的控制對象和被控對象。得出總體方案。 然后選擇數(shù)控系統(tǒng)的的核心數(shù)控裝置，經(jīng)過比較選擇華中數(shù)控系統(tǒng)為其控制系統(tǒng)，接下來分塊設(shè)計其每一部分。主軸在一定范圍內(nèi)要實現(xiàn)無級變速和正反轉(zhuǎn)功能，所以我們根據(jù)主軸電動機型號選擇主軸變頻器。數(shù)控銑床工作臺要能在X、Y、Z三軸方向前后、左右、上下移動，所以要用伺服驅(qū)動器來控制伺服電機的運動，從而帶動工作臺的運動。接下來設(shè)計控制系統(tǒng)的主電路，主電路中要涉及空氣開關(guān)、接觸器、滅弧器、照明電路、伺服變壓器、控制變壓器的選擇。最后設(shè)計數(shù)控銑床的一些輔助裝置，包括數(shù)控銑床的手持單元、照明電路、風(fēng)扇電路、光柵尺的連接。 關(guān)鍵字：數(shù)控銑床，控制系統(tǒng)，數(shù)控技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng) CNC milling machine control system design Abstract CNC technology in the machinery manufacturing industry has been widely applied, it effectively solve the complex, sophisticated, small groups of diverse parts processing problems, to adapt to the rapid replacement of various mechanical products need to enable enterprises the ability to respond quickly to market demand Greatly strengthened its economic benefits. First, the design development of numerical control technology at home and abroad and the development trend of CNC technology is described. Then, the control system for CNC milling machine-depth discussions carried out, mainly to understand the overall layout of the CNC milling machine, composition, and a part of the working principle of CNC milling machine control system to determine the design of the control object and control object. Come to the overall program. Then select the core NC NC system devices, by comparison to its selection of Huazhong CNC control system, the next block design each of its parts. Spindle in a certain range, and reversing function to achieve continuously variable, so we choose models based on the spindle drive spindle motor. CNC milling machine table to be able to in the X, Y, Z axis direction before and after, left, up and down, so use the servo drive to control the movement of the servo motor to drive the movement of table. Then the main circuit design of control systems, the main circuit to be related to air switches, contactors, arcing, lighting circuit, servo transformer, control transformer selection. Final design of the CNC milling some of the auxiliary devices, including hand-held milling machine unit, lighting circuits, fans, circuits, grating connection. Keywords: CNC milling machines, control systems, CNC technology, CNC 朗讀 顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音 畢業(yè)設(shè)計說明書 目 錄 1 緒論 1 1.1 本課題研究的目的和意義 1 1.2 機床數(shù)控技術(shù)的概況 1 1.3 國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.4 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 2 1.4.1 性能發(fā)展方向 2 1.4.2 功能發(fā)展方向 3 1.4.3 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 4 2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計 6 2.1 數(shù)控銑床的組成 6 2.2 數(shù)控銑床工作原理 6 2.3 設(shè)計方案： 7 2.3.1 控制系統(tǒng)的選擇 7 2.3.2 主軸變頻單元 8 2.3.3 伺服驅(qū)動單元 8 2.3.4 輸入與輸出裝置 9 2.3.5 輔助裝置 9 2.4 總體框圖 9 3 硬件設(shè)計 10 3.1 數(shù)控裝置的選擇 10 3.2 主軸單元 12 3.2.1 主軸電機的選擇 12 3.2.2 風(fēng)機的選擇 13 3.2.3 變頻的選擇 13 3.2.4 主軸控制接口 16 3.2.5變頻器的連接 16 3.3 伺服驅(qū)動單元 17 3.3.1 伺服電機的選擇 18 3.3.2 伺服驅(qū)動器的選擇 19 3.3.3 伺服單元電源模塊 24 3.3.4 串行進給驅(qū)動接口 25 3.3.5 伺服驅(qū)動單元總體連接圖 26 3.4 主控電路的設(shè)計 28 3.5 輸入輸出開關(guān)量 30 3.6 輔助裝置 37 3.6.1 手持單元 37 3.6.2 光柵尺的連接 40 3.6.3 急停與超程解除的設(shè)計 43 3.6.4 其它輔助轉(zhuǎn)裝置 45 四 總結(jié) 46 附 錄1 47 參 考 文 獻 48 致 謝 50 第 II 頁 共Ⅱ頁 1 緒論 1.1 本課題研究的目的和意義 數(shù)控系統(tǒng)在機床控制上應(yīng)用越來越廣泛。本課題的主要目的在于學(xué)習(xí)并掌握數(shù)控系統(tǒng)的原理及使用方法。本題目要求在數(shù)控銑床機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，使用數(shù)控系統(tǒng)完成其控制功能，使設(shè)計的數(shù)控銑床能完成基本的加工。主要內(nèi)容包括：數(shù)控系統(tǒng)的選擇、伺服驅(qū)動的連接、主軸電機的控制和輔助裝的設(shè)計等。 1.2 機床數(shù)控技術(shù)的概況 機床數(shù)控技術(shù)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種機床自動控制技術(shù)。30多年來，隨著電子器件、計算機、傳感與檢測、機械制造技術(shù)的不斷進步，以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)、計算機技術(shù)、成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)，傳感測控技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、光機電技術(shù)于一體的數(shù)控技術(shù)得到迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。使得普通機械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控設(shè)備所替代，從而形成了巨大的生產(chǎn)力，導(dǎo)致了制造業(yè)發(fā)生了根本性變化。數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，其水平高低和數(shù)控機床擁有量多少是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。數(shù)控技術(shù)在機械制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，是因為它有效地解決了復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應(yīng)各種機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的需要，使企業(yè)快速響應(yīng)市場需求的能力大大加強，其經(jīng)濟效益顯著[1]。 1.3 國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國數(shù)控技術(shù)起步于20世紀50年代末期，經(jīng)歷了初期的封閉式開發(fā)階段，“六五”、“七五”期間的消化吸收、引進技術(shù)階段，“八五”期間建立國產(chǎn)化體系階段，“九五”期間產(chǎn)業(yè)化段，現(xiàn)已基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)，建立了數(shù)控開發(fā)、生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控專業(yè)人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。目前，較具規(guī)模的企業(yè)有廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、北京凱恩帝數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司等。廣州數(shù)控設(shè)備有限公司研制了基于Linux和PC104總線的車床數(shù)控系統(tǒng)GSK980Ti，具有邏輯運算、數(shù)學(xué)運算的用戶宏功能、完成小線段NC代碼的高精度刀具路徑規(guī)劃的改進刀補機能、小線段高速加工控制技術(shù)等；研制了以16位CPU進行軟件插補、加減速運算，以大規(guī)模可編程器件（FPGA、CPLD）進行硬件插補、速度平滑處理相結(jié)合的控制器結(jié)構(gòu)，開發(fā)了嵌入式中檔車床數(shù)控系統(tǒng)GSK928TE和GSK980TA。北京凱恩帝數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司的新一代數(shù)控系統(tǒng)K1000系列采用32位處理器ARM7和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA實現(xiàn)高速、高精度控制；采用日本高分辨率液晶顯示器，全中文操作界面；兼容K100系列功能，且與日本FANUC系統(tǒng)兼容。目前國內(nèi)數(shù)控廠家生產(chǎn)的中檔數(shù)控系統(tǒng)大多采用16/32位處理器與CPLD/FPGA相結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)，在功能上仿制日本法那科公司早期的產(chǎn)品FANUC 0i系列。雖然最近幾年來我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但大多僅停留在產(chǎn)品的規(guī)格化、機械部件可靠性的提高、外觀造型與外觀質(zhì)量的改觀等方面，對于數(shù)控系統(tǒng)的核心部分，發(fā)展的步伐相對較小。國產(chǎn)機床的產(chǎn)量數(shù)控化率只有約13%，與日本、德國和美國等發(fā)達國家60%-70%的水平差距很大，同時國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距仍很明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口，由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍缺乏市場競爭力，支撐控制高檔數(shù)控機床的高檔數(shù)控系統(tǒng)仍以國外數(shù)控系統(tǒng)占絕對統(tǒng)治地位。近年來，由于國內(nèi)數(shù)控機床市場持續(xù)需求旺盛，國外數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的系列產(chǎn)品高中低三檔齊備，在占據(jù)高檔的同時，從未放棄中低檔數(shù)控系統(tǒng)的市場占有份額，相繼推出適宜的中低檔數(shù)控系統(tǒng)，以爭取占領(lǐng)更大的市場，使得這一領(lǐng)域競爭更加激烈。如西門子數(shù)控系統(tǒng)從經(jīng)濟型的802S到高端全功能的840D可以滿足用戶在數(shù)控應(yīng)用中的各種需要[1]。 1.4 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 1.4.1 性能發(fā)展方向 (1)高速高精高效化、速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。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)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。 (2)柔性化　包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。 (3)工藝復(fù)合性和多軸化　以減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達24軸。 (4)實時智能化　早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為。科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實時響應(yīng)的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的[2]。 1.4.2 功能發(fā)展方向 (1)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，用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前INTERNET、虛擬現(xiàn)實、科學(xué)計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行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(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現(xiàn)。 (2)科學(xué)計算可視化　科學(xué)計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，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息?？梢暬夹g(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，如無圖紙設(shè)計、虛擬樣機技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、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，如自動編程設(shè)計、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等[3]。 (3)插補和補償方式多樣化　多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補償、與速度相關(guān)的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償?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準PLC用戶程序?qū)嵗?，用戶可在標準PLC用戶程序基礎(chǔ)上進行編輯修改，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)集計算機、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機具有綜合處理聲音、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，在實時監(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)用價值。 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，可實現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術(shù)，是21世紀顯示技術(shù)的主流。應(yīng)用先進封裝和互連技術(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)品價格，改進性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。 (2)模塊化　硬件模塊化易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標準化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進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　機床聯(lián)網(wǎng)可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設(shè)定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。 (4)通用型開放式閉環(huán)控制模式　采用通用計算機組成總線式、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)僅有的專用型單機封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個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、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實現(xiàn)加工過程的多目標優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實時加工過程中動態(tài)調(diào)整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計算機實時智能技術(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、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。 第 54 頁 共 50 頁 2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1 數(shù)控銑床的組成 數(shù)控銑床的基本組成見圖2.1.1，它由床身、立柱、主軸箱、工作臺、滑鞍、滾珠絲杠、伺服電機、伺服裝置、數(shù)控系統(tǒng)等組成。 床身用于支撐和連接機床各部件。主軸箱用于安裝主軸。主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。當主軸箱內(nèi)的主軸電機驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)時，銑刀能夠切削工件。主軸箱還可沿立柱上的導(dǎo)軌在Z 向移動，使刀具上升或下降。工作臺用于安裝工件或夾具。工作臺可沿滑鞍上的導(dǎo)軌在X 向移動，滑鞍可沿床身上的導(dǎo)軌在Y 向移動，從而實現(xiàn)工件在X和Y 向的移動。無論是X、Y 向，還是Z 向的移動都是靠伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)的。伺服裝置用于驅(qū)動伺服電機，使X、Y、Z三軸能沿滑鞍上的導(dǎo)軌移動。控制器用于輸入零件加工程序和控制機床工作狀態(tài)?？刂齐娫从糜谙蛩欧b置和控制器供電[4]。 圖2.1.1 數(shù)控銑床的組成 2.2 數(shù)控銑床工作原理 根據(jù)零件形狀、尺寸、精度和表面粗糙度等技術(shù)要求制定加工工藝，選擇加工參數(shù)。通過手工編程或利用CAM 軟件自動編程，將編好的加工程序輸入到控制器。控制器對加工程序處理后，向伺服裝置傳送指令。伺服裝置向伺服電機發(fā)出控制信號。主軸電機使刀具旋轉(zhuǎn)，X、Y 和軸伺服電機控制刀具和工件按一定的軌跡相對運動，從而實現(xiàn)工件的切削。 能夠完成基本的銑削、鏜削、鉆削、攻螺紋及自動工作循環(huán)等工作，可加工各種形狀復(fù)雜的凸輪、樣板及模具零件等。數(shù)控銑床的床身固定在底座上，用于安裝和支承機床各部件，控制臺上有彩色液晶顯示器、機床操作按鈕和各種開關(guān)及指示燈?？v向工作臺、橫向溜板安裝在升降臺上，通過縱向進給伺服電機、橫向進給伺服電機和垂直升降進給伺服電機的驅(qū)動，完成X、Y、Z坐標的進給。電器柜安裝在床身立柱的后面，其中裝有電器控制部分。 2.3 設(shè)計方案： 2.3.1 控制系統(tǒng)的選擇 目前的控制系統(tǒng)有基于PLC的控制系統(tǒng)，基于單片機的控制系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)等控制系統(tǒng)。 基于PLC的控制系統(tǒng)的優(yōu)點：（1）實時性強，由于控制器產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)是基于控制為前提，信號處理時間短，速度快?；谛盘柼幚砗统绦蜻\行的速度，PLC經(jīng)常用于處理工業(yè)控制裝置的安全連鎖保護。更能滿足各大領(lǐng)域大、中、小型工業(yè)控制項目。（2）高可靠性，所有的I/O輸入輸出信號均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與控制器內(nèi)部電路之間電氣上隔離。各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10-20ms。各模塊均采用屏蔽措施，以防止噪聲干擾。采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。對采用的元器件進行嚴格的篩選。良好的自診斷功能，一旦電源或其它軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，以防止故障擴大。（3）系統(tǒng)配置簡單靈活，控制器產(chǎn)品種類繁多，規(guī)?？煞譃榇?、中、小等。滿足控制控制功能需要的前提下，I/O卡件可靈活組合。（4）有豐富的I/O卡件。（5）質(zhì)優(yōu)價廉，性價比高。（6）安裝簡單，維修方便[5]。 基于單片機控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點：運用單片機控制方案，單片機雖然有一個五臟俱全的微計算機，但由于本身無自開發(fā)能力，必須借助開發(fā)工具來開發(fā)應(yīng)用軟件，以及對硬件系統(tǒng)進行診斷。另外，單片機內(nèi)的ROM比較小，所以在設(shè)計中系統(tǒng)必須在外面配置EPROM電路和擴展電路，所以在銑床控制系統(tǒng)中運用該方案必須完成(1)硬件電路的設(shè)計、組裝、調(diào)試；（2）應(yīng)用軟件的編制、調(diào)試；(3)應(yīng)用軟件的鏈接調(diào)試、固化、脫機運行。依據(jù)單片機目前的發(fā)展狀況，該方案的優(yōu)點是：(1)成本較低。由于現(xiàn)在單片機的價格相對都比較低，而且外圍電路的元器件價格也不高，所以整體設(shè)計起來，成本比較低。(2)可以對外部存儲容量根據(jù)需要進行擴展，設(shè)計可以相對比較靈活。(3)由于現(xiàn)存有許多已經(jīng)設(shè)計很完善的子程序，在系統(tǒng)軟件設(shè)計中可以直接調(diào)用，減少較大工作量。其缺點為：(1)系統(tǒng)硬件設(shè)計相對比較復(fù)雜，運用該方案，該系統(tǒng)硬件設(shè)計包含擴展電路部分和系統(tǒng)配置電路部分，所以該系統(tǒng)電路設(shè)計工作量相對較大，影響系統(tǒng)開發(fā)的時間。(2)系統(tǒng)的抗干擾能力相對較差，在系統(tǒng)設(shè)計中，雖然注意了芯片、器件選擇、去耦濾波、電路板的布線，通道隔離以及屏蔽。但由于工廠的條件比較差，很難保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。(3)系統(tǒng)需要自己設(shè)計電源，而且不能保證系統(tǒng)的可靠運行。(4)維護維修相對比較麻煩，維修需要的時間也相對較長。 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，計算機數(shù)控系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入裝置、輸出裝置、計算機數(shù)控裝置、可編程邏輯控制器、主驅(qū)動裝置和進給（伺服）驅(qū)動裝置（包括檢測裝置）等組成。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。由于使用了計算機，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用維護也方便，并具有與上位機連接及進行遠程通訊的功能[6,7]。 在此次數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設(shè)計中，我們選擇數(shù)控系統(tǒng)為其控制系統(tǒng)。 2.3.2 主軸變頻單元 數(shù)控銑床是一種靈活、高效能的自動化機床，它較好地解決了復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題。為了實現(xiàn)主軸在一定范圍內(nèi)的無級變速，要選擇一個主軸變頻器來控制主軸電機的正反轉(zhuǎn)及無機變速。 2.3.3 伺服驅(qū)動單元 數(shù)控銑床除了主軸的旋轉(zhuǎn)之外，還有工作臺沿X軸正負方向的移動，Y軸正負方向的移動，Z軸方向上下移動。為了實現(xiàn)這些運動，我們的選擇伺服電機來控制其運動，為了能實現(xiàn)伺服電機能按著正確的方向移動且精確移動。我們得選擇伺服驅(qū)動器來控制伺服電機的運動。所以在伺服驅(qū)動單元中我們應(yīng)選擇伺服電機和伺服驅(qū)動器。 2.3.4 輸入與輸出裝置 為了方便連接和提高可靠性，我們得選擇輸入輸出裝置，輸入接線端子板提供NPN和PNP兩種類型開關(guān)量信號輸入，輸出繼電器板集成八個單刀投繼電器和兩個雙刀投繼電器。輸入、輸出端子板一般是和數(shù)控裝置配套的。 2.3.5 輔助裝置 一個完整的數(shù)控銑床控制系統(tǒng)除了上面那些單元外，還必須包括一些輔助裝置，如冷卻裝置、照明電路、控制變壓器、急?；芈贰㈦姽耧L(fēng)扇等輔助裝置。 2.4 總體框圖 數(shù)控裝置與各部分之間的連接如圖2.4.1 圖 2.4.1 總體框圖 3 硬件設(shè)計 3.1 數(shù)控裝置的選擇 在選擇數(shù)控機床時，隨著市場需求多樣化，機床制造商往往提供同一種機床可以配置多種數(shù)控系統(tǒng)的選擇、數(shù)控系統(tǒng)中多種選擇功能的選擇。一般機床制造廠商提供的機床配置的數(shù)控系統(tǒng)分為主流的系統(tǒng)及可適應(yīng)的系統(tǒng)，主流系統(tǒng)對它來說相對技術(shù)成熟性要好一些，但對使用用戶來說又另有要求，在可供選擇的系統(tǒng)中性能高低差別很大，直接影響到設(shè)備價格的構(gòu)成，因此不能片面的追求高水平、新系統(tǒng)。而應(yīng)該以滿足主機性能為主，對系統(tǒng)性能和價格等因素做一個綜合的分析，選用合適的系統(tǒng)。目前數(shù)控系統(tǒng)種類、規(guī)格極其繁多，世界上比較著名的有：日本FANUC、德國SINUMERIK、法國NUM、意大利FIDIA、西班牙FAGOR、美國A-B，各大機床制造商都有自己的一些系統(tǒng)，比如：MAZAK、OKUMA等，國內(nèi)的航天集團，機電集團、華中理工大學(xué)、遼寧藍天系列、南京大方集團、北方凱奇等，每家公司都有自己一系列各種規(guī)格產(chǎn)品[8]。 用戶選擇系統(tǒng)的基本原則是：性能價格比好、以后使用維修方便、系統(tǒng)的市場壽命等。數(shù)控系統(tǒng)中除基本功能以外還有很多選擇功能，對配在機床上的系統(tǒng)，由于機床使用基本要求所需數(shù)控系統(tǒng)選擇功能已由制造商選配以外，用戶可以根據(jù)自己的生產(chǎn)管理、測量要求、刀具管理、程序編制要求等，額外再選擇一些功能列入訂貨單中。經(jīng)過比較我們選擇“世紀星”系列數(shù)控系統(tǒng)HNC-21。 “世紀星”系列數(shù)控系統(tǒng)HNC-21采用先進的開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)PC，配置8.4//或10.4//彩色液品顯示屏和通用工程面板，集成進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式PLC接口于一體，采用電子盤程序存儲方式以及軟驅(qū)、DNC、以太網(wǎng)等程序交換功能。具有低價格、高性能、配置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用、可靠性高的特點：最大聯(lián)動軸數(shù)為4 軸。可選配各種類型脈沖式、模擬式交流伺服驅(qū)動器或步進電機驅(qū)動器以及HSV-11電源模塊系列。 配置標準機床工程面板，不占用PLC。 操作面板的顏色、按鍵名稱可按用戶要求自己定制。配置40路輸入接口和32路功率放大光電隔離開關(guān)量輸出接口、手持單元接口、模擬主軸控制接口與編碼器接口，以及遠程I/O板口[8]。 采用 ” 彩色液晶顯示器（分辨率為640×480），全漢字的操作界面，具有故障診斷和報警設(shè)置，多種圖形加工軌跡顯示和仿真功能。操作簡便，易于掌握和使用。采用國際標準G代碼編程，與各種流行的CAD/CAM自動編程系統(tǒng)均兼容，具有直線、圓弧、螺旋線插補。有固定循環(huán)、旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像、刀具、補償、宏程序等功能。小線段連續(xù)加工功能，特別適合于復(fù)雜模具零件加工。加工斷點保存和恢復(fù)功能， 為用戶安全、方便使用提供保證。反向間隙和雙向螺距誤差補償功能，有效提高加工精度。內(nèi)置以太網(wǎng)、RS232接口，易于實現(xiàn)機床聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)外形尺寸為420×310×110mm，體積小巧、結(jié)構(gòu)牢靠、造型美觀。主要應(yīng)用于車、車削中心等數(shù)控機床的控制[9]。數(shù)控裝置背面接口如圖3.1.1所示，引腳定義如表3.1.1 圖3.1.1 數(shù)控裝置接口 表 3.1.1 數(shù)控裝置引腳 接口 作用 接口 作用 XS1 電源接口 XS2 外接PC鍵盤接口 XS3 以太網(wǎng)接口 XS4 軟驅(qū)接口 XS5 RS232接口 XS6 遠程I/O板接口 XS8 手持單元接口 XS9 主軸控制接口 XS10、XS11 輸入開關(guān)量接口 XS20、XS21 輸出開關(guān)量接口 XS30-XS33 模擬式、脈沖式（ 含步進式 ）進給軸控制接口 XS40-XS43 串行式HSV-11型伺服軸控制接口 3.2 主軸單元 為了實現(xiàn)主軸在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級變速，主軸單元應(yīng)包括主軸變頻器、主軸電機，為了保證主軸電機的溫度不過于太高，還要選擇主軸風(fēng)扇電機。數(shù)控銑床是一種靈活、高效能的自動化機床，它較好地解決了復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題。合理地進行數(shù)控銑床主軸的控制，對提高銑床的加工精度和生產(chǎn)效率都十分重要。數(shù)控銑床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)也叫主傳動系統(tǒng)，是完成主運動的動力裝置部分。主軸驅(qū)動系統(tǒng)通過該傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度,配合進給運動,加工出理想的零件。它是零件加工的成型運動之一，它的精度對零件的加工精度有較大的影響。機床的主軸驅(qū)動和進給驅(qū)動有較大的差別，機床主軸的工作運動通常是旋轉(zhuǎn)運動，不像進給驅(qū)動需要絲桿或者其他直線運動裝置作往復(fù)運動，數(shù)控機床通過主軸的回轉(zhuǎn)與進給實現(xiàn)刀具與工件的相對切削運動。為滿足數(shù)控銑床對主軸驅(qū)動的要求，變頻器必須有以下性能：（1）寬調(diào)；（2）低速運行時，有較大力矩輸出；（3）加減速時間短；（4）過載能力強；（5）快速響應(yīng)主軸電機快速正反轉(zhuǎn)以及加減速[11,12]。 3.2.1 主軸電機的選擇 主軸電機驅(qū)動主軸的旋轉(zhuǎn)，在數(shù)控銑床中主軸旋轉(zhuǎn)為其主運動，我們設(shè)計的是普通數(shù)控銑床，功率要求不高，所以在這里我們選擇北京超同步科技有限公司制造的超同步GTB—43P7ZBB15—H5GB電機，GTB系列主軸電機是北京超同步科技有限公司自主研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)。并走向國際市場的，具有國際領(lǐng)先水平的新型交流感應(yīng)伺服主軸電機。 電機結(jié)構(gòu)緊湊、性能一流、外形美觀、效率高、廣泛運用于機械制造的各個領(lǐng)域，具有良好的性能價格比。該廠品符合國家有關(guān)產(chǎn)品標準和國際IEC、CE的標準。有最新的專利設(shè)計，包括外形美觀、結(jié)構(gòu)精巧、封閉是散熱風(fēng)道、噪音低、效率高、優(yōu)化節(jié)能設(shè)計。有標準的主軸功能，可以實現(xiàn)低速大扭矩切削、高速恒功率切削、零速主軸鎖定、準?？刂啤軸功能、剛性攻絲。內(nèi)置磁速度傳感器，可以實現(xiàn)速度、位置閉環(huán)、可靠性高、故障率低、提高電機的動平衡精度。 GTB—43P7ZBB15—H5GB電機的技術(shù)規(guī)格如3.1.2表所示： 表3.1.2 GTB—43P7ZBB15—H5GB技術(shù)規(guī)格 型號 額定功率 （KW） 額定電壓 （V） 額定電流 （A） 額定轉(zhuǎn)矩 （N.m） 額定頻率 （HZ） GTB—43P7ZBB15—H5GB 3.7 310/380 9.8/8 23.6 50 額定轉(zhuǎn)速 (r/min) 極數(shù) （P） 最高轉(zhuǎn)速 （r/min） 轉(zhuǎn)動慣量 （Kg.m2） 風(fēng)機功率 （W） 風(fēng)機電壓 （V） 1500 4 8000 0.0134 75 380 3.2.2 風(fēng)機的選擇 根據(jù)上面選擇的主軸電機，與其相適用的風(fēng)機的功率為75W，為小功率的風(fēng)機。在這里我們選擇北京新華通風(fēng)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DZW50—1 T35—11型低噪聲軸流屋頂風(fēng)機。DZW50—1型系列低噪聲軸流屋頂風(fēng)機是一種新型高效、節(jié)能、低噪聲屋頂風(fēng)機。該風(fēng)機由于采用寬大中變截面扭曲機翼葉片、高輪轂比、圓柱型輪轂，低風(fēng)阻電機支架以及最佳葉柵參數(shù)。因而空氣動力性良好。外形設(shè)計新穎、獨具一格。風(fēng)量大、風(fēng)壓高、噪聲低、耗電少。 3.2.3 變頻的選擇 由于設(shè)計的是普通型數(shù)控銑床，所以所選的變頻器應(yīng)根據(jù)主軸電機功率和按結(jié)構(gòu)簡單、容易安裝、體積小、經(jīng)濟實惠和安全等要求來選擇主軸變頻器。上面所選擇的主軸電機的功率是3.7KW，根據(jù)以上要求我們選擇CIMR-JB2A0018 0.75KW安川簡易型變頻器，安川變頻器具有功能齊全、方便操作、保護機器、結(jié)構(gòu)簡單、便于調(diào)試和維護等優(yōu)點。設(shè)定時可簡單的調(diào)出最低限度的所需參數(shù)，進行設(shè)定和變更。Swing PWM方式可抑制噪音和漏電流，減少刺耳的金屬噪音。全方位、全自動轉(zhuǎn)矩提升功能，可根據(jù)負載的變動自動調(diào)節(jié)到最合適的電壓，輸出最佳轉(zhuǎn)矩。具有重試功能，即使變頻器檢測出故障，自動診斷后會自動復(fù)位，不停止電機即可重新啟動運行。更改了出廠設(shè)定的參數(shù)可通過校驗?zāi)Ｊ竭M行確認。便于在試運行等情況時確認參數(shù)設(shè)定值。為穩(wěn)定作業(yè)提供支持，在全范圍、全自動的轉(zhuǎn)矩提升運行模式下，不管是加減速運行還是勻速運行，都能產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，因此機械能順利啟動。有完善的制動功能，過勵磁制動功能在無電阻器的情況下也能實施緊急制動，所有機型都內(nèi)置制動晶體管，只要加裝制動電阻器就能得到更大的制動力。即使負載或電源波動甚至瞬時停電時仍能繼續(xù)運行，具有完善的防失速功能，可有效防止電機失速，不靠速度傳感器也能使自由運行狀態(tài)的電機輕松啟動的速度搜索功能和瞬停繼續(xù)運行功能，可防止變頻器因瞬時行的異常而跳閘。完善的保護功能，沖擊電流抑制回路為標準配備，電源品質(zhì)不良時能防止變頻器故障。能適用范圍更廣的附件?？杀O(jiān)控變頻器運行的時間，通過維護監(jiān)視可以確認冷卻風(fēng)扇和電解電容器等元器件的使用壽命，為維護提供支持[13]。其相關(guān)技術(shù)規(guī)格如3.1.3表所示： 表3.1.3 CIMR-JB2A0018變頻器技術(shù)規(guī)格 型號 額定輸入 電流（A） 額定輸出 電流（A） 最大輸出 電壓（V） 額定頻率 （HZ） 頻率控制范圍（HZ） CIMR-JB2A0018 18.5 17.5 310 50/60 0.01-400 允許電壓波動 允許頻率波動 加減速時間（S） 速度控制范圍 標準適用用電機容量（KW） 載波頻率 （KHZ） -15—+10% ±5% 0-6000 1：20—1:40 3.7 2 主要的控制功能 順勢停電再啟動、速度搜索、加減速時間切換冷卻風(fēng)扇ON/OFF功能、滑差補償、轉(zhuǎn)矩補償、頻率跳躍頻率指令上下限設(shè)定、啟動停止時直流制動、過勵磁制動、故障重試等。 保護功能 電機保護、瞬時過電流保護、過載保護、低電壓保護瞬時停電補償、散熱片過熱保護、制動電阻器過熱保護、防止失速、接地短路保護、充電中顯示。 CIMR-JB2A0018變頻器接口如圖3.2.1，其引腳定義如表3.1.4 圖 3.2.1變頻器接口 表 3.1.4 CIMR-JB2A0018變頻器引腳定義 端子符號 端子名稱 端子的功能 R/L1 主回路電源輸入 連接商用電源的端子 S/L2 T/L3 U/T1 頻器輸出 連接電機的端子 V/T2 W/T3 B1 制動電阻器/制動電器單元連接 是連接制動電阻器/制動電器單元的端子 B2 S1 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：閉：正轉(zhuǎn)運行 開：停止 S2 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：閉：反轉(zhuǎn)運行 開：停止 S3 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：外部故障 S4 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：故障復(fù)位 S5 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：多段速指令1 SC 多功能輸入選擇公共點 控制公共點 AC 頻率指令公共點 0V MA a接點輸出 出廠設(shè)定：故障 繼電器輸出： DC：30V，10mA-1A AC：250V10mA-1A MB B接點輸出 出廠設(shè)定：故障 MC 接點輸出公共點 AM 模擬量監(jiān)視輸出 出廠設(shè)定：輸出頻率 DC：0-10V AC 監(jiān)視公共點 0V 3.2.4 主軸控制接口 變頻器的調(diào)速要經(jīng)過數(shù)控裝置的XS9 主軸控制接口輸入可變電壓。XS9 主軸控制接口，包括主軸速度模擬電壓指令輸出和主軸編碼器反饋輸入，主軸控制接口如圖3.2.2 圖 3.2.2主軸控制接口 3.2.5變頻器的連接 變頻器與數(shù)控裝置的聯(lián)系通常包括：（1）數(shù)控裝置給變頻器的正反轉(zhuǎn)信號；（2）數(shù)控裝置給變頻器的速度或頻率信號，可以通過通訊給定或模擬給定；（3）變頻器給數(shù)控裝置的故障等狀態(tài)信號。所有關(guān)于對變頻器的操作和反饋均可在數(shù)控面板進行編程和顯示。通過變頻器內(nèi)部關(guān)于輸入信號與設(shè)定頻率的輸入輸出特性曲線的設(shè)置，數(shù)控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線必須涵蓋電壓/電流信號、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數(shù)控銑床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速銑削的要求[14,15]。變頻器的連接如圖3.2.3 其工作原理：變頻器的的R、S、T和風(fēng)機U、V、W與主電路中的U11、V11、W11連接，給主軸變頻器和風(fēng)機供電，經(jīng)主軸變頻器輸出電壓到主軸電機，主軸的正轉(zhuǎn)、反正由繼電器的得失電控制并且構(gòu)成互鎖。當KA4線圈得電時KA4常開觸點器閉合，常閉觸點斷開，此時主軸正轉(zhuǎn)。當KA5線圈得電時KA5常開觸點閉合，常閉觸點斷開，此時主軸反轉(zhuǎn)。當主軸變頻器出現(xiàn)故障時，變頻器輸出報警到X3.0，同時主軸輸出速度為零。當主軸需要調(diào)速時，由數(shù)控裝置輸出可變電壓到主軸頻率接口，從而達到調(diào)節(jié)速度的目的。 圖 3.2.3變頻器的接線圖 3.3 伺服驅(qū)動單元 伺服系統(tǒng)是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動裝置、伺服電機、機械傳動構(gòu)件及執(zhí)行部件組成。伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機的一種控制器，是伺服電機的控制部分。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。對伺服系統(tǒng)的基本要求：位移進度高（輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度）、穩(wěn)定性好（系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)）、調(diào)速范圍寬（數(shù)控銑床要求電動機所能提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比）、響應(yīng)快速并無超調(diào)（為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，在啟動、制動時要求加速足夠大，以縮短伺服系統(tǒng)的過度過程時間，減少輪廓過度誤差）[15]。 3.3.1 伺服電機的選擇 因為設(shè)計的是普通數(shù)控銑床，加工的是一般零件，根據(jù)經(jīng)濟實惠、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量小、過載能力強、質(zhì)量好等優(yōu)點。我們選擇北京中創(chuàng)天勤科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的130系列伺服電機。130系列伺服電機在機器人軌跡控制、數(shù)控機床位置控制等，在加工機械、FA機械、醫(yī)療機械、機器人、自動組裝線、半導(dǎo)體制造、部件組裝和紡織機械上得到了廣泛的應(yīng)用。其具有體積小重量輕、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、精度高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、精度高等優(yōu)點，具有優(yōu)良的性價比，在業(yè)內(nèi)極具優(yōu)勢，完全可以代替進口產(chǎn)品。根據(jù)實際需求我們選擇130ST—M015015為X、Y軸伺服進給電機，由于Z軸方向需要承受更大的載荷，所以選擇130ST—M10025為Z軸伺服電機。伺服電機的技術(shù)規(guī)格如3.3.1表所示： 表3.3.1 130ST—M015015 技術(shù)規(guī)格 型號 130ST—M015015 130ST—M015015 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 2000 3000 額定功率（KW） 2 2.5 額定轉(zhuǎn)矩（N.m） 15 10 額定電流（A） 9.5 10 額定電壓（V） 220 220 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 1500 2500 峰值力矩（N.m） 30 25 電勢系數(shù)(V/1000r/min) 112 69 力矩系數(shù)（N.m/A） 1.58 1.0 轉(zhuǎn)子慣量（Kg.m2） 2.77×10-3 1.94×10-3 繞組電阻（Ω） 1 0.724 繞組電感（mH） 4.45 2.64 電機繞組插座 繞 組 引 線 U V W PE 插 座 編 號 2 3 4 1 編碼器插座 信號引線 5 V 0 V A + A - B+ B- Z+ Z- U+ U- V+ V- W+ W- PE 插座編號 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 3.3.2 伺服驅(qū)動器的選擇 出于對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求以及結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實惠和上面所選電機型號等要求在這里我們選擇華中數(shù)控HSV-11D25伺服驅(qū)動器，HSV-11D25是以矢量控制為理論基礎(chǔ)，16為單片機為控制核心，高效率的大功率IGBT電壓型逆變器為驅(qū)動功放，永磁同步電機為驅(qū)動對象的高性能數(shù)字位置伺服模塊。由于運用矢量控制原理和柔性控制技術(shù)，使得HSV-11D25伺服模塊結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易，控制靈活，維護方便，體積小等優(yōu)點。其控制簡單、靈活，通過修改伺服驅(qū)動器的參數(shù)，可對伺服驅(qū)動器系統(tǒng)工作方式及內(nèi)部參數(shù)進行修改，以適應(yīng)不同的適用環(huán)境和要求。狀態(tài)顯示齊全，HSV-11D25伺服驅(qū)動器設(shè)置了一系列狀態(tài)顯示信息，方便客戶在調(diào)試、運用過程中瀏覽伺服驅(qū)動器的相關(guān)參數(shù)，同時它也提供了一系列的故障診斷信息。有寬調(diào)速比。體積小易于安裝，HSV-11D25伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，非常易于安裝、拆卸[16,17]。HSV-11D25技術(shù)規(guī)格如表3.3.2所示： 表 3.3.2 HSV-11D25技術(shù)規(guī)格 使用電源 主電源 DC300V 控制電源 一相AC220V 輸出 額定電流 25A 主回路 大功率IGBT、正弦波PWM驅(qū)動 速度 控制 精度 和 特性 負載波動 額定轉(zhuǎn)速時≤0.002% 最低轉(zhuǎn)速時≤2% 電網(wǎng)電壓波動 額定轉(zhuǎn)速時≤0.002% 最低轉(zhuǎn)速時≤4% 瞬時最大轉(zhuǎn)速波動率 額定轉(zhuǎn)速時≤0.05% 最低轉(zhuǎn)速時≤6% 速度控制范圍 ＞1：3000 位置控制精度 ±1pulse 適配電機 永磁同步電動機(2，4，6，8極) 傳感器類型 帶轉(zhuǎn)子位置的復(fù)合式光電編碼器 最高轉(zhuǎn)速 2000轉(zhuǎn)/分 保護功能 反饋斷線、過流、過熱、欠壓、短路等五種硬件故障以及若干軟件保護 運行方式 點動、點位、直線、增量(插補)和返回參考點等 調(diào)試方式 可選鍵盤數(shù)碼管顯示模塊，用于開、閉環(huán)調(diào)試，參數(shù)修改，接線診斷等 用戶可調(diào)整 參 數(shù) 位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、積分時間常數(shù)、加減速時間、反向間隙值等幾十種參數(shù) 伺服驅(qū)動器的外形如圖3.3.1 圖 3.3.1伺服驅(qū)動器的外形如圖 HSV-11D25伺服驅(qū)動器引腳如圖3.3.2，其相關(guān)引腳定義如表3.3.3所示。 圖 3.3.2 HSV-11D25伺服驅(qū)動器引腳 表 3.3.3 HSV-11D25伺服驅(qū)動器引腳定義 信號代號 名稱 位置 描述 P、N 直流總線 接線柱 1、2 電源模塊提供直流300V電壓 U、V、W 電機電源線 XT-1、2、3 伺服到電機的驅(qū)動電源信號 OH1、OH2 電機過熱保護 XT-4、5 電機過熱保護輸出 PE 接地線 XT-6 220A 200B 故障連鎖 T2-1、2 最大容量1A O1 故障輸出信號 T1-1 總故障報警信號，低電平有效 I3 機械參考點開關(guān)信號 T1-3 作參考點開關(guān)信號，低電平有效，在模擬輸入方式時，作為換擋開關(guān)，低電平時，輸入最高轉(zhuǎn)速為200r/min，高電平時為2000r/min I2 減電流控制 T1-4 將電流指令輸出最大幅值減半，低電平有效 I1 輸入使能控制 T1-5 在模擬量或脈量輸入時，控制PWM信號的開關(guān)，低電平有效 24V 外部提供DC24V T1-6 外部直流24V，可提供100mA電流 COM 外部24V電源地 T1-7 AIN+ 模擬量正輸入端 X2-6 伺服在模擬輸入方式時，接收±10V輸入 AIN- 模擬量負輸入端 X2-1 RXD 模塊串口接收端 X2-3 RS232串口數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD TXD 模塊串口發(fā)送端 X2-2 RS232串口數(shù)據(jù)發(fā)送端RXD GND 信號地 X2-5 RS232串口信號地 P5V 電機碼盤信號 J2-11、12、13 電機碼盤信號 PA J2-2 PB J2-3 PZ J2-4 PU J2-5 PV J2-6 PW J2-7 /PA J2-15 /PB J2-16 /PZ J2-17 /PU J2-18 /PV J2-19 /PW J2-20 GND J2-1、8、9、10、（14） 屏蔽 J2-（14） M5V 光柵尺信號 J1-11、12、13 光柵尺反饋信號 MA J1-2 MB J1-3 MZ J1-4 /MA J1-5 /MB J1-6 /MZ J1-17 GND J1-1、8、9、10、（14） 屏蔽 J1-（14） CP+ 脈沖量接口 J1-2 脈沖量輸入信號 3.3.3 伺服單元電源模塊 根據(jù)選擇的華中數(shù)控HSV-11D25伺服驅(qū)動器，在這里選擇華中數(shù)控HSV-11P075電源模塊，HSV11-P075伺服單元電源模塊，采用全橋整流和微處理器控制，具有軟起動、能耗制動及各種保護功能，其可靠性高，使用靈活方便，體積小，便于安裝等特點[18]。HSV-11P075技術(shù)規(guī)格如3.3.4表所示： 表 3.3.4 HSV-11P075技術(shù)規(guī)格 電源 主電源 3相 AC 200V 50HZ-60HZ 控制電源 單相 AC 220V 50HZ-60HZ 輸出容量 7.5KVA 輸出電壓 DC 260V-345V 主回路型式 全橋整流 制動功率 3KW 保護功能 本模塊設(shè)置有交流欠壓、過壓、交流等若故障顯示 HSV11-P075伺服單元電源模塊引腳如圖3.3.3 圖 3.3.3 電源模塊引腳圖 3.3.4 串行進給驅(qū)動接口 在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，數(shù)控裝置的串行進給驅(qū)動接口和伺服驅(qū)動器要進行模擬量的輸入輸出。XS40、 XS41、XS42、XS43是串行進給驅(qū)動接口，串行進給驅(qū)動接口是與華中數(shù)控HSV-11系列交流伺服驅(qū)動裝置連接的專用接口，它的特點是連接簡便、抗干擾能力強、無漂[19]。其接口如圖3.3.4 圖 3.3.4 串行進給驅(qū)動接口 3.3.5 伺服驅(qū)動單元總體連接圖 伺服驅(qū)動器與其它部件的聯(lián)系通常包括：（1）伺服驅(qū)動器與數(shù)控裝置間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收；（2）故障連鎖與外部運行允許繼電器和伺服OK繼電器的連接；（3）電源模塊與主電路的連接；（4）控制電源與主電路的連接；（5）伺服電機電源和編碼器反饋輸出與伺服驅(qū)動器的連接；（6）減電流功能的連接。通過以上各部分的連接，能夠使伺服驅(qū)動器控制伺服電機的運動，伺服電機的相關(guān)運動信息通過編碼器及時反饋給伺服驅(qū)動器，再由伺服驅(qū)動器X2接口反饋給數(shù)控裝置，達到伺服電機能夠精確執(zhí)行數(shù)控裝置發(fā)給伺服驅(qū)動器的相關(guān)指令。伺服驅(qū)動單元連接框圖如 3.3.5，J2與XS、X2與數(shù)控裝置的連接如圖3.3.6 圖 3.3.5 伺服驅(qū)動器連接圖 圖 3.3.6 J2與XS、X2與數(shù)控裝置的連接 3.4 主控電路的設(shè)計 主電路由外部提供交流380V電源，經(jīng)熔斷接到主電路中，為了防止電路發(fā)生短路時電流電壓過高，還有不頻繁的啟動，電路中要用到空氣開關(guān)。空氣開關(guān)是低壓配電網(wǎng)絡(luò)和電力拖動系統(tǒng)中非常重要的一種電器，它集中控制和多種保護功能于一身。除了能完成接觸和分斷電路外，尚能對電路或電氣設(shè)備發(fā)生的短路．嚴重過載及欠電壓等進行保護，同時也可以用于不頻繁地啟動電動機。在正常情況下，過電流脫扣器的銜鐵是釋放著的；一旦發(fā)生嚴重過載或短路故障時，與主電路串聯(lián)的線圈就將產(chǎn)生較強的電磁吸力把銜鐵往下吸引而頂開鎖鉤，使主觸點斷開。欠壓脫扣器的工作恰恰相反，在電壓正常時，電磁吸力吸住銜