ZK5132数控立钻电气控制系统设计【含4张CAD图纸】

摘要数控机床是来自于数字控制机床的简称，这是一种装有可编程程序控制系统的自动化机床。该可编程程序控制系统能够逻辑处理数字控制编码或其他规定的指令程序，并将其译码成执行元器件的动作信号从而驱动机床动作以加工零件。数控机床的控制电路是由各种不同的控制电气元器件组成，进给伺服系统的控制性能在一定程度上决定了数控机床的等级。本次设计任务是以ZK5132数控立钻电气控制系统设计为中心，全面、系统地介绍了低压电器、电气控制系统、数控系统及接口、步进与伺服驱动器等内容，利用数控机床以机械与电气相结合的形势，完成相关电气控制线路排布以及各种保护控制线路的设计。为使步进电动机的控制精度能达到所要求的步距角精度，于是在该机360床选配所用驱动电机时要考虑到该电机的过载能力和机床传动系统中丝杠与电机转子的惯量是否匹配以及所提供转矩是否足够，在该设计中的进给驱动系统选用混合式五相十拍步进电动机进行驱动控制。由于开环控制系统简单，精度要求不高，可靠性和稳定性相对于经济型数控机床好，故采用五相十拍的步进电动机进给驱动，同时也能因其相数大而达到明显的振动抑制效果。随着设计的不断深入而不断熟悉了各种系统的适用条件，各种设备的选用标准及作用，各种电气线路的保护设计，驱动进给系统的控制等。通过掌握电气控制系统线路设计的原理、电气元器件在线路中的作用，进给驱动系统的设计，完成对电动机的精度控制。这次的电气控制部分设计也满足一些企业对机床电气高可靠高稳定性、电气使用寿命长等要求，具有进一步研发的潜力。关键词ZK5132；数控系统；机电结合；步进电动机ABSTRACTCNCMACHINEISREFERREDTODIGITALCONTROLMACHINETOOL,ISAMACHINEEQUIPPEDWITHTHEAUTOMATEDPROCESSCONTROLSYSTEMTHECONTROLSYSTEMCANHAVEACONTROLLOGICTOPROCESSTHEINSTRUCTIONCODESOROTHERSYMBOLSREQUIRED,DECODEDANDPROCESSEDSOTHATMAKINGMACHINEACTIONANDMACHININGPARTSCNCMACHINECONTROLCIRCUITISCONTROLLEDBYAVARIETYOFELECTRICALCOMPONENTSWHOSEPERFORMANCESERVOFEEDCONTROLSYSTEMTOSOMEEXTENTDETERMINESTHELEVELOFCNCMACHINETOOLSTHEDESIGNTASKISDESIGNINGZK5132CNCVERTICALDRILLINGELECTRICALCONTROLSYSTEM,THEREISACOMPREHENSIVEANDSYSTEMATICINTRODUCTIONTOTHELOWVOLTAGEELECTRICALAPPLIANCES,ELECTRICALCONTROLSYSTEMS,NUMERICALCONTROLSYSTEMSANDINTERFACES,STEPPERANDSERVODRIVES,ETCBYCOMBININGCNCMACHINETOOLSWITHELECTRICALMACHINERY,FINISHTHECOMPLETIONOFRELATEDELECTRICALCONTROLCIRCUITANDVARIOUSPROTECTIONCONTROLDESIGNTOCONTROLTHESTEPPINGMOTORSTEPTOACHIEVETHEREQUIREDANGLE036°THECONTROLPRECISION,THEMACHINEMOTORISOPTIONALTOCONSIDERTHEMOTOROVERLOAD,OVERLOADCONDITIONS,THEMACHINESCREWANDTHEMOTORDRIVESYSTEMROTORINERTIAMATCHINGTHISDESIGNSFEEDSERVODRIVESYSTEMUSEDFIVEPHASETENPATHYBRIDSTEPPINGMOTORCONTROLBECAUSETHEOPENLOOPCONTROLSYSTEMISSIMPLE,LESSPRECISION,RELIABILITYANDSTABILITYWITHRESPECTTOTHEGOODECONOMICTYPECNCMACHINETOOLS,SOUSINGFIVEPHASETENPATHYBRIDSTEPPINGMOTORDRIVE,VIBRATIONSUPPRESSIONEFFECTISOBVIOUSBECAUSEOFTHELARGENUMBEROFPHASESWITHTHEDEEPENINGOFTHEDESIGN,WEKNOWMOREABOUTTHEAPPLICABLECONDITIONSOFVARIOUSSYSTEMS,SELECTINGCRITERIAANDEFFECTSOFVARIOUSDEVICES,VARIOUSELECTRICALCIRCUITPROTECTIONDESIGNINGANDFEEDINGDRIVECONTROLSYSTEMANDSOONBYMASTERINGTHEPRINCIPLESOFELECTRICALCONTROLSYSTEMCIRCUITDESIGN，THEROLEOFTHEELECTRICALCOMPONENTSINTHECIRCUITANDFEEDINGDRIVESYSTEMDESIGNINGSOWECANWELLCOMPLETEDTHEMOTORACCURACYCONTROLMYELECTRICALCONTROLPARTOFTHEDESIGNBUTALSOTOMEETTHEHIGHRELIABILITY,HIGHSTABILITY,LONGLIFEANDOTHERELECTRICALREQUIREMENTSFORSOMECOMPANY,THUSITWORTHWELLPOTENTIALFORFURTHERDEVELOPMENTKEYWORDSZK5132CNCSYSTEMELECTRICALCOMPONENTSSTEPPINGMOTOR目录引言11数控机床常用电气控制元件311低压断路器312接触器313继电器、变压器及其他电器42数控系统521数控钻床系统的组成5211操作面板6212输入/输出装置6213CNC装置6214伺服单元7215驱动装置7216机床本体722数控机床驱动控制的分类以及选择7221开环控制8222闭环与半闭环控制8223数控系统类型823数控钻床用途及特点924数控钻床的相关技术参数925数控机床对于进给驱动系统的相关要求103传动系统相关计算1031传动系统对驱动电机的相关要求11311X、Y水平直线运动轴11312Z垂直直线运动轴1232步进电动机速度的控制134步进电动机驱动进给系统1341步进电动机的选用原则以及性能指标13411选用原则13412步进电动机性能指标1442步进电动机的选择1443步进电动机的工作原理1544主轴步进电机的控制1645步进电动机的位置控制1846步进电动机的驱动电源1947步进电动机的正反转运动控制195机床的电气控制系统设计2051主电路电气控制设计20511主轴正转20512主轴反转21513主轴停转21514冷却泵2152电路电源分析2153控制电路设计22531电机制动方式22532零压保护启动2254数控系统中的启动与停止2355输入/输出及各轴限位2356光轴输出接口2357M功能输出2358X、Y、Z轴的驱动控制信号接口246ZK5132数控立钻机床电气控制原理设计257ZK5132数控立钻机床电气外观设计28结论29谢辞30参考文献31引言随着科学技术日益发展、制造技术的突飞猛进和人类生活水平提高物质要求增加，以及社会对产品质量和品种的多样化要求趋势不断增强，中小批量生产的比例明显增加，由此要求数控机床更高的的柔性和通用性。人们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户的控制系统，同时期待在维护和培训成本上有大幅降低。若该系统具备网络功能能够适应以后车间面向任务定单的批量或零碎生产管理模式将更能俘获用户的青睐。在此大背景下，计算机数字技术在近十年来以极快的速度高歌猛进，不断酝酿产生多种不同层次的开放式数控系统。数控系统行业现阶段正向标准化开放体系结构的大方向迈进。单就体系结构来说，现世全球的数控系统大致可以分为以下四类传统数控系统、“PC嵌入NC”结构数控系统、“NC嵌入PC”结构开放式数控系统、开放式数控系统。特别是进入21世纪之初，拌随着全球大环境计算机技术的迅猛发展，计算机控制等领域的技术成就陆续引进到数控技术的开发中去。现阶段高速高精度、高效率高自动化、高柔性、高可靠性、高智能化复合化网络化、开放式体系结构是国外数控机床性能的发展方向，这要求更高的数控机床机械结构设计和制造的质量及可靠性。机床工业是一个国家综合实力的重要标志和产业地位的重要象征。“十一五”期间，我国机床工具行业平均以百分之三十的高增长率快速发展，已连续10年成为世界第一机床消费大国，并成为世界机床第一生产大国。而“十二五”期间，我国进一步加速对高速铁路的建设、日益加快的城镇化进程都为机械行业带来最直接最大化的收益。当前我国的机床数控系统正处在一个发展的关键时期，正寻求由研究开发向推广应用转变，也正是从封闭型的系统向开放型的系统寻求转变的时期。我国的机床数控系统在重大关键技术、核心技术上日趋成熟，开发及衍生出数控系统八十余种，已赶上国外先进水平。近几年以来，借由对国内外机床数控机床从机械结构解剖分析到使用性能用户需求的调研，思考钻研了机床数控机床在机械结构设计方面和制造方法方面的新技术。但现时还主要存在以下几个问题函待解决一是缺乏产业规模，没有足够规模的产业集群；二是缺乏专门针对发展数控产业的政策和相应的技术配套体系；三是缺乏技术创新，产品更新；四是缺乏产业调整的内在动力；五是面临国外强手竞争，扩展海外市场压力巨大。其中数控钻床作为科学技术发展的象征以及世界先进制造技术兴起和不断成熟的标志，它是在数控加工中心领域的典型机床，最具代表性且占据数控机床中的绝大比率，现代数控加工中心及柔性制造单元等都是在数控铣床的基础上派生发展起来的。功能性强、加工范围广、工艺较复杂等都是数控铣床的特点，各种复杂平面、轮廓及曲面等零件的铣削加工都需依靠铣床来完成，又因为它可以进行钻通孔、盲孔，并在更换特殊刀具后可扩孔、锪孔、铰孔或进行攻丝等使得其在机械加工领域和模具制造业中应用广泛可谓是必不可少的基础机床。本次所选的毕业设计的课题主要是对现有的数控机械产品中的数控立式钻床进行结构总图的绘制，还有经济型机床本身的各部分组成，在达到加工要求的情况下进行合理的选择设计，再结合对实际生产加工中数控立式钻床的电气控制原理的了解，设计并绘制数控立式钻床它的电气控制原理图，包括各种保护电路的设计控制。目前CNC机床的普及以及快速的发展势头，要求我对CNC系统进行基本的了解，并掌握编程的主要思路和方法。本课题毕业设计是以ZK5132型数控立式钻床为主要对象对其电气控制系统进行了设计，熟悉了解电气控制原理、低压电器使用、机床电气控制系统排布、数控系统及接口功能、变频器使用、步进与伺服驱动的选用等内容。数控立钻在加工工件的过程中，主轴的运动和进给轴的运动怎么结合，如何选择步进电动机对应的相应的步距角，以及对于各个电动机的类型及控制方法的选择都是本次设计的研究对象。设计时，应与其内容及任务相符，并使步进电动机的精度控制为036°，完成ZK5132型数控立式钻床电气控制系统原理图和各种保护电路元器件的绘制及总装原理图设计。1数控机床常用电气控制元件各种不同功用的电气控制元器件按设计排布便组成了数控机床的控制电路，要想做到设计更优的数控机床控制电路，就首先要了解熟悉各种功用的各式样电气控制元器件，而本设计是在ZK5132型数控立式钻床为基础的前提下进行的。11低压断路器低压断路器又称自动空气开关，它将控制和保护两种功能合而为一体，常用来做不频繁接通和断开的电路的总电源开关或是部分电路的电源开关。当低压断路器所在的电路发生过载、短路或欠压等故障时它能自动工作瞬间把电路切断，从而有效保护串连在它后面的其他电气原件或设备。同时由于低压断路器的设计特点，在分断故障电路的电流后通常是不需要更换该断路器零部件的。本设计中的QF1、QF2、QF3等，图形及文字符号如图11所示。图11低压断路器图形及文字符号本毕业设计中用到了两种断路器，分别为单极断路器和三级断路器，它们被用于照明配电系统回路和控制回路，交流电线路及单极和二极至四极线路的过载及短路保护。12接触器接触器是一种带有负载的终端控制电器被设计用于需要频繁接通或者分断的电路中。通常接触器是由四部分构成，分别有电磁机构、触点系统、灭弧装置及其它部件。当线圈得到电后，铁芯所产生的电磁吸力将吸合衔铁，衔铁则带动触点系统动作使常闭触点断开同时常开触点闭合。当线圈失去电流断电时，它的电磁吸力便会消失，在反作用弹簧力的作用下释放衔铁，以致触点系统随后复位。目前接触器可分为直流和交流仅两种，而机床上常用的是交流接触器。其图形及文字符号如图12所示图12接触器电气图形及文字符号13继电器、变压器及其他电器继电器是一种可以根据输入信号的变化动作从而接通或是断开控制电路的电器件。出入继电器的信号一方面可以是电流或电压等电量信号，另一方面也可以是温度、速度或压力等非电量信号。继电器的输出信号则是为响应触点的动作。继电器可以按输入信号的性质来分类可分为电压继电器、电流继电器或时间继电器等，若按原理分类又可分为电磁式继电器或热继电器（图14A所示）等。继电器图形及文字符号表示见下图13所示。图13继电器图形及文字符号继电器和接触器工作原理是一样的但也有不同之处继电器主要用于二次回路的作用是信号检测、传递、变换或处理用的，它通断的电路电流通常较小几A到十几A，一般用在控制电路里，控制弱信号。接触器主要是用于一次回路的，可以通过较大的电流可达几百到一千多A，常用来接通或断开主电路的。在继电器的触点容量满足不了要求时，也可以用接触器代替。当接触器的辅助触点不够用时可加一继电器作辅助触点来实现各种控制。变压器是一种静止电器它能将任一数值的交流电压变换成频率相同但数值大小却不相同的交流电压。机床控制变压器它适用于输入电压不超过交流660伏而频率为50HZ60HZ之间的电路，以此常作为机床中一般电器的控制电源、步进电机驱动器电源、局部照明电源还有指示灯电源等。其图形文字符号如图14B）所示。在机床电气控制电路中还有其他的控制电器元件，如熔断器就是一种最简单而且有效的保护电器正被业界广泛应用。熔断器在使用时被串联接在所需要保护的电路中，一旦电路发生短路或是严重过载时，熔断器的熔断体就会自动地迅速熔断，从而达到切断电路使导线和电气设备不致损坏的效果。行程开关用于对机械的电气安全控制，机床导轨两端，通常串联电路中，也称限位开关。按钮被用于电气电路控制的接通或是断开。行程开关又称限位开关，当工件在工作台上运行超过行程，会损坏工作台及整个进给系统，这时限位开关就起到了保护作用，当运行过程碰到限位开关时，使得电路断开，停止工作。它们的图形及文字符号如图14所示。图14其他电气图形及文字符号2数控系统数字控制系统简称为数控系统，它是一种能够按照预先编程好的零件加工程序指令进行作业控制，从未使机床完成既定工作运动加工出零件的控制系统。它的工作原理是根据计算机存储器中已存储的控制程序，选择执行部分或是全部指令功能。该数字控制专用计算机系统配有接口电路和伺服驱动装置，可通过执行数字、文字或是符号相组成的指令来控制若干机械设备动作，控制范围包括位置、角度、速度等机械量和开关量。21数控钻床系统的组成数控机床它是采用数字控制技术来实现对机床加工作业过程自动控制的一种现代化机床，是数控技术应用的典型例子。本设计以ZK5132型数控立式钻床为例，数字控制的实现得依靠数控系统，而计算机数控系统又是以计算机为最核心的数控系统。数控立式钻床系统组成可见下图21。图21数控立式钻床系统组成框图数控立式钻床系统通常有以下若干部分组成操作面板、输入/输出装置、PLC控制面板、机床主体、计算机数控装置、机床IO电路、进给驱动装置、伺服单元及传动运动机构等。211操作面板操作人员和数控机床系统进行信息交流及作业操作全部依赖操作面板，操作面板由按钮站、状态灯、按键阵列及显示器共同组成。而一般常见的是集成式操作面板，其上可分为显示区、键盘区和机床控制面板区三大区域。显示区里有显示器，是用于显示菜单选项、系统作业状态、故障报警信息以及加工轨迹图形的仿真演示。键盘区的键盘是用于编制所需加工零件的切削程序、输入控制量参数、手动输入数据及管理操作系统。而主板芯片则是用于实现机床动作或加工过程的直接控制。212输入/输出装置输入装置它的作用方法则是将存储在载体上的数控代码读取出来，然后转换成为相应的数字控制信号后，传输到数控装置里面。输出装置它的作用则是先读取加工过程中的一些信息，然后再显示信息，这些信息包括有坐标值或报警信号等。输入/输出接口电路是微芯片处理器与外界控制变量联系的通路，它通过物理连接手段能够实现完成数据格式和信息形式的互相转换。在CNC系统中若按功能分类可将I/O接口分为两类其中一类接口是用于连接常规的输入输出设备，从而实现程序的输入输出及人机界面的交互，这一类被称之为通用I/O接口；另一类接口是用于连接专用的控制检测装置，从而实现控制与检测机床的位置和工作状态的目的，这一类是CNC数控装置专用的接口其被称之为机床控制I/O接口。213CNC装置计算机数控系统的最根本核心便是CNC装置，它能够根据被输入其中的加工程序按照运动轨迹进行处理和完成输入机床的信号的处理，最后向各部分输出信号命令以控制相应的执行部件完成既定动作。可用可编程控制器控制数控机床完成诸如刀具的选择和更换、切削液的启停等辅助动作。在现阶段的现代化程度高的数控系统中，通常都会配置有PLC附加电路板，这样的结构形式有利于免去CNC与PLC间的连线从而使结构紧凑可靠且方便操作，在技术上和经济上都是双赢的。214伺服单元伺服单元是包括了主轴伺服和进给伺服，两者分别用来控制主轴电动机和进给电动机按照程序设定的进给速度进给，使刀具和工件之间产生相对运动以进行加工作业。数控装置与机床本体的联系是依靠伺服单元来达成实现的，如伺服单元先将接收来自于CNC装置的进给指令信号，然后将该指令放大成足够控制驱动装置的大功率信号后传送给机床本体运动机构。伺服单元自身还拥有过电压电流、欠压、过热保护等故障检测电路，并且为了更好的保护元器件，实现软启动减小启动冲击，故其还在主回路电路中加入了软启动电路排布。功率驱动单元的作用是让输入的三相电或者市电通过三相全桥整流电路进行整流从而得到相应的直流电。为了驱动三相永磁同步交流伺服电机，三相电或市电在经过整流后，还要再通过三相正弦PWM电压型逆变器，实现变频才能符合电机的供电要求。可以用ACDCAC的表示来说明功率驱动单元的整个工作过程。三相全桥不控整流电路是其整流单元（ACDC）的主要的拓扑电路。215驱动装置伺服单元和驱动单元一样都是数控装置与机床传动部件之间的联系环节，驱动单元装置把伺服单元输出的控制信号转变成执行部件的运动，诸如过几轴联动带动工作台和刀具通加工出既定形状尺寸和合乎精度要求的零件。216机床本体数控钻床计算机部分之外的机床本体便是数控钻床的机械部分，主运动部件、进给运动执行部件、支承部件（底座、支柱等）和冷却、润滑、转位还有夹紧之类的辅助装置共同构成了这样的一个机械部分。电动机的要将扭矩或功率传递给主轴部件便要依靠机床上的主传动系统，主传动系统和主轴部件通常都被设计成一个主轴箱以使安装在主轴内的工件或刀具可以实现主切削运动。22数控机床驱动控制的分类以及选择机床的数控系统按所能控制的运动轨迹可以分为三种类型，如点位控制数控系统、直线切削数控系统和连续切削数控系统。点位控制不管所走的轨迹如何，且运动过程中不进行任何加工，而只控制机床移动部件的终点位置。直线切削控制用于台阶轴加工，只沿45°斜线进行加工，控制两个坐标轴以同样的速度运行。加工轮廓、曲线或曲面通常需要使用机床的连续加工功能。因为本课题是以数控钻床为设计对象，所以在本设计中应选用点位控制系统。开环数控系统、半闭环数控系统，以及全闭环数控系统是进给伺服系统的三种类型。221开环控制在开环控制中的驱动电机多是采用功率步进电动机，当驱动单元接收一个输入脉冲后，步进电动机就相应地转过一个步距角，通过电机与机床之间传动部件的传动，使工作台相应地产生一个位移量，这样的一个位移量被称为一个脉冲当量或一个最小设定单位。开环系统驱动控制线路接受来自数控机床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换，成为控制步进电动机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电动机运转。步进电动机的转子是与机床丝杆通过联轴器联接在一起的，转子带动丝杆，丝杆转动从而使工作台产生移动。开环控制系统是没有设置位置反馈元器件的，故不用位置检测元件定位。图22为步进电动机的开环控制系统图图22步进电动机的开环控制系统222闭环与半闭环控制在控制方式上来说，半闭环控制系统与闭环控制系统相似但也存在区别，主要区别在于半闭环控制系统比闭环控制系统多在电动机轴上装有表示其角位移的编码器。这种闭环控制系统可以使电动机达到所要求的高精确角位移，尽管并不能纠正机床传动部件自身的加工误差和由此带来的传动误差。223数控系统类型伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构是机床中重要的两大部分，它们共同组成了机床的进给伺服系统。而丝杠、机床导轨和工作台拖板等则是组成了通常所说的机床进给机械传动系统。开环控制无位置检测及反馈，单向信号，系统稳定性好，一般用于经济型数控机床；半闭环控制系统，使用的旋转编码器反馈检测元件与伺服电机同轴连接，与伺服电机转子后部直接相连接与伺服电机构成一体，不足之处是其精度比闭环控制系统的要低；对于精度要求很高的数控车床、铣床和超精车床基本都得需要用闭环控制系统作为加工过程的位置检测及反馈从而保证成品品质。数控系统若按功能水平来分类可分为经济型、普及型和高档型三种。它们相关参数如下表21所示表21各类数控系统对比名称经济型数控系统普及型数控系统高档型数控系统显示数码管、CRT单色显示器彩色CRT或TFT液晶CPU单板机或单片机16位或32位32位以上内存小于100KB150KB大于150KB快速进给速度小于10M/MIN1020M/MIN100M/MIN或更高进给分辨率10UM1U01UM反馈控制方式开环控制半闭环控制全闭环控制联动方式三轴或三轴以下三轴或四轴五轴以上适用范围数控钻、磨、铣经济实用的车铣等高速高精加工的铣床等根据以上表格参数，本课题设计应选用经济型数控系统，其型号为HNC21Z的数控系统。机床进给采用开环控制系统，价格便宜，满足一般精度加工要求。23数控钻床用途及特点钻床是通过用钻头或其他特种刀具在工件上加工成孔或特殊造型的机床。钻床的主运动是为主轴带动钻头旋转，进给运动为钻头轴向移动，钻床结构简单可钻通孔、盲孔，在更换特种刀具后还可进行扩、锪孔、铰孔或进行攻丝等加工，但加工精度相对较低。钻床的特点是在加工过程中仅移动刀具而工件不动，让刀具中心对正孔中心后启动机床使刀具转动，操作可以是手动，也可以是自动。工作台面的宽度和长度是在选用钻床进行加工时需参考的主参数之一。钻床的工艺特点如下1钻床的钻头或特种刀具由主轴带动来做高速的旋转运动；2刀具具备多齿、多刃且轴对称的特点，加工工件时进行连续切削；3工件被固定在工作台上由工作台带动做直线或曲线进给运动；4刀具在切削时每个刀齿是断续的进行切削作业，每一时刻参与切削作业的刀齿齿数和每个刀齿的切削厚度都是变化的，这也正是刀具进行加工作业时容易引起机床振动的原因；5切削时，刀具同时参加切削的齿数较多，便于采用较大的切削速度和进给给量，因而生产效率高。24数控钻床的相关技术参数数控立式钻床有很多种，主要用钻头在工件上加工孔（如钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、锪孔等）的机床，机械制造和各种修配工厂必不可少的设备。根据本次设计型号ZK5132，是经济数控立式钻床，工作台和主轴箱可以在立柱上垂直移动，用于加工中小型工件。该机床X,Y,Z三轴均由数控系统协同步进电机控制以产生大扭距和高定位精度。该系列机床具有加工刚性好、编程简单操作方便易上手和使用可靠安全的优点。该数控立式钻床的主要技术参数规格见下表22所示表22ZK5132机床参数主轴箱行程MM450最大钻孔直径MM32主轴电动机功率KW22主轴端面至工作台最大面积MM600主轴转速范围R/MIN501500工作台面积MM630400主轴最大进给抗力KN9X轴定位精度MM005主轴最大扭矩NM160Y轴定位精度MM005工作台X轴行程MM500Z轴定位精度MM005工作台Y轴行程MM300重复定位精度MM002Z轴行程MM225外形尺寸（长宽高）MM10801310240025数控机床对于进给驱动系统的相关要求1驱动系统的调速范围要宽，即指进给电机能提供的最低转速和最MAXIN/R高转速具有具备足够广的调整幅度。对于一般的数控机床，作业能力要求进给驱动系统能在速度范围内工作就合乎要求了。MIN/2402驱动系统的定位精度要高要能达到较高的精度和刚度且传动平稳噪声低的要求。主传动系统的刚度直接关系到数控机床的加工精度以及后期的精度提高。所以一般采用高精度轴承以提高主轴件的刚性以实现传动件制造精度和刚度的提高。3快速响应，无超调。所有被控制的电动机要求起动平稳响应快速、无冲击震动、无振荡、电气检修噪声无异常并且温升无异常。4可做到低速大转矩，具备强过载能力。进行作业时进给驱动系统被要求在低速时能保持恒力矩输出不发生爬行现象，并且在相对一段较长时间内能承受频繁的启动、反转、制动，拥有较强的过载能力。5驱动系统的可靠性要高以满足数控机床长时间连续运转的特点需求。因此可靠性技术、容错技术及冗余技术作为电气系统设计和部件选用是一个常用的做法手段，而且部件应选用符合有关国际标准且取得授权认证的最成熟的产品。3传动系统相关计算钻头主切削运动的动力来自主轴，主轴得在电机带动的高速旋转下同时承载钻头切削工件时从主轴电机传递过来的的强劲动力，而且高精度是在任何情况下都必须首先保证的硬性指标。在机床中最关键重要的部件就是主轴，主轴的技术指标是也决定了机床的技术水平以及精度水平。主轴按结构来分的话是分为机械主轴和电主轴。机械主轴是由刀具装夹机构、轴承元件、主轴冷却系统、配套的主轴电机、测量反馈部件和驱动装置等组合构成。部分机械主轴还配备有液压或是气动操作的换挡机构。电主轴则是指那些主轴电机被集成到主轴的机械部件中的主轴系统。本设计中的机床主轴传动系统主要相关参数如下表31和表32所示表31主轴传动系统主要相关参数工作台重量1NW500转子转动惯量2MKGJ32夹具重量2300丝杆导程PH10静摩擦系数002丝杆总长L1000动摩擦系数01定位精度005丝杆预紧时效率0075步距角036驱动时总效率08重量KG16电机最大转速MIN/R150最大进给速度MIN/V15表32主轴工作情况切削方式纵向切削力PXI（N）垂向切削力PZI（N）进给速度VI（M/MIN）工作时间百分比T丝杆轴向载荷（N）丝杆转速R/MIN强力切削200012000610292060一般切削10005000830185080精切削5002001501320100快速进给00151080015031传动系统对驱动电机的相关要求311X、Y水平直线运动轴空载时的摩擦转矩为L1T（33180823502TL1IPWHMN1）工作台及夹具重量（从动轮转速主动轮转速传动比，传动系统的效率摩擦系数丝杠导程式中NWIIPH/M加工时的负载转矩为L2T（3IPWFH2T1L22）093580112350L2MN）工作台及夹具重量（纵向走刀最大抗力式中NWF1312Z垂直直线运动轴加工时的负载转矩为L3T（30821801292TL3IPFHZMN3）轴上负载总重（主轴最大进给抗力式中NWFZZ2根据上面的计算，工作台X、Y水平运动轴选110BYG5502型转矩为16NM的步进电动机；主轴箱Z垂直直线运动轴则选用130BYG5501型转矩为25NM的步进电动机；主轴钻头由Y100L14型功率为22KW的交流异步电机带动；液压泵使用AOB25型功率为006KW的三相电泵。步进电动机的最高转速取为。因为步进电动机与丝杠直连，即MIN/150AXRN1I，工作台快速进给的最高速度要求达到，则丝杠的最高转速为I/AV。MIN/150AXRNS根据丝杠导程公式（3/MAXIVPH4）/IN/MAX从动轮转速主动轮转速传动比，电动机最高转速工作台最高移动速度丝杠导程式中IIRNVH代入式（34），得丝杠的导程为（3RMRPH/10IN/1505）根据精度要求，数控机床的脉冲当量可定为。脉冲当量是指每一脉冲/01M脉冲信号输入机床运动部件所产生的位移量，这又被称作最小设定单位。步进电机完成每转，控制器所应发出的脉冲数由以下公式可知B因为有/IBPH（3360IH6）代入式（36），得（3RMRB/10/01脉冲脉冲7）验算，以上结果与相符合。RB/360脉冲32步进电动机速度的控制步进电动机运转的速度，取决于输入脉冲的频率，在控制软件中，控制两个节拍进给脉冲的时间间隔，就可以方便的实现步进电动机的运转速度的控制。根据数控钻床的加工要求，由上面已经选择好的130BYG5501型号的步进电动机，电动机的转速为N，要求步进电动机步距角036°，由下式（38）和式（39）求出相应的两个节拍间的时间间隔T及脉冲频率F（HZ），即（3T360/8）（3TF19）当需要快速进给，N150R/MIN25R/S，036°时，求得T00004S，F2500HZ当需要精切削进给，N100R/MIN，036°时，求得T00006S，F1667HZ当需要一般切削进给，N80R/MIN，036°时，求得T000075S，F1333HZ当需要强力切削进给，N60R/MIN，036°时，求得T0001S，F1000HZ4步进电动机驱动进给系统41步进电动机的选用原则以及性能指标411选用原则步进电机在机床产业中通常被用来控制定位和定速可以说是机电一体化产品中至关重要的部件之一。步进电机自身具有转动惯量低、定位精度高、无累积角误差、控制方法简单的优点。例如在计算机数控机床、包装产业机械、计算机外围设备、复印机以及传真机中都不可或缺地使用了步进电机。选用步进电机的前提首先是得确保所用步进电机的输出功率大于负载所需的功率，然后要计算机械系统的负载转矩，同时要电机的矩频特性在满足机械负载要求即在实际作业过程中各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内的情况下还要有一定的余量，以此保证其可靠运作。同时应使步距角和机械系统相匹配以得到机床所要求的脉冲当量。若想得到更小的脉冲当量可通过改变丝杆的导程或通过对步进电机进行细分驱动来实现。细分只能改变其分辨率但不能改变其精度，因为精度是由电机的固有特性所决定。在选择功率步进电机的时候应当首先估算负载惯量和机床要求的启动频率，以使其惯性频率特性在与步进电机相匹配的情况下还另有一定的余量，从而使之在最高速时的连续工作频率满足机床快速进给的要要。412步进电动机性能指标（1）步距角，若步距角在步进电动机通电方式和传动比已经初步确定的情况下，则应该满足（I为传动比，为负载要求的最小位移增量）。MNMIN（2）最大静转矩，其余负载转矩的关系为，为保证步进AXTSMAX503TSTL电动机能正常工作，还必须满足。ST矩）（步进电动机的启动转（3）空载启动频率，由于在负载情况下，步进电动机不失步启动所允许的最OSTF高频率是随负载的增加而显著下降的，因此，在选择电动机时应该选择合适的。（4）精度，可以用步距误差或累积误差来衡量步进电动机的精度。累积误差它是指某一时刻转子从任意位置开始，经过若干步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足式中,LI为传动比，负载轴上允许的角度误差。IL42步进电动机的选择步进电动机是一种驱动装置，它将接收的电脉冲信号转换成机械角位移，进而对外做功。每对步进电动机它施加一个单位电脉冲信号，它的转子就旋转转过一个固定的角度，被称之为一步，每一步转过的角度即为步距角。目前常见的步进电动机它的步距角有以下036°/072°,075°/15°,09°/18°等，斜线前面表示工作半个步距角度，斜线后面表示工作全步距角度。步进电动机最显著的优点是具有较好的定位精度，它无漂移和累积定位误差还能跟踪一定频率范围的脉冲列。本次是以数控立式钻床为对象，其型号为ZK5132，要求步进电动机的步距角控制精度为036°。该数控立式钻床是采用110BYG550X系列及130BYG5501混合式驱动步进电动机。参数释义110/130机座号，电机外径BYG混合步进电机代号5代表五相电机50转子齿数X/1规格号43步进电动机的工作原理步进电动机内部结构主要是由定子和转子组成，定子上附有绕组，根据定子上绕组的数量可对电动机进行分类，可分为两相、三相和五相步进电动机。本毕业设计中由前面推算选择所确定的步进电机为五相十拍，各绕组按驱动器设定的通电顺序通以直流电使其电动机按要求的方向转动。电机转子和定子上环形均布着齿，绕组中的电流每变化一次则转子和定子的相对位置就变化一个角度。其机构如图41所示图41五相电动机结构例如进行整步驱动时首先将A所在相进行励磁，让该磁极磁化成S极，该S极将与带有N极磁性的转子1上的小齿互相吸引同时与带有S极磁性的转子2上的小齿相排斥，在转动到新的磁平衡位置后停止。这时候没有进行励磁的B相磁极的小齿与转子2上的带有S极磁性的小齿互偏离072°。以上便是先进行A相励磁时候的定子和转子小齿的位置关系。当驱动器控制由A相励磁进行到B相励磁时候，B相磁极被磁化成为N极，进而与拥有S极磁性的转子2产生异性相吸同时与拥有N极磁性的转子1同性相排斥。即是说，进行整步驱动时候从A相励磁转换至B相励磁时会让转子转动072°。因此可以知道，驱动器控制的励磁相位顺序从A相B相C相D相E相A相依次进行通电励磁，使步进电动机每次以072°整步工作。同理得若希望电动机反向转动时，只需将励磁顺序倒转过来成依照A相E相D相C相B相A相的顺序通电励磁就可以了。因此根据公式，（式中转子齿数；步进电动机相数；控制方ZMK360ZMK式系数，为供电拍数与相数之比，K拍数/相数），该110BYG550X系列及130BYG5501步进电机采用整步驱动时，步进的步距角为；7205360Z当采用半步细分驱动时，步进的步距角为。由以上的分析251360ZK得出五相步进电动机的步距角为036°或者072°，跟上面所选的110BYG550X系列及130BYG5501型号的步进电动机参数相吻合。44主轴步进电机的控制步进电动机是如何运行的及其运行特性是由与之配套使用的驱动器决定的。因为电机的标称步距角不一定就是它在实际工作时的真正步距角，因为真正的步距角是与驱动器的设定有关的。通过上面的计算设计确定步进电动机的型号为110BYG550X系列及130BYG5501型号，五相十拍工作方式。驱动器由脉冲发生器、环形分配器、功率放大器等组成，如图42所示，驱动器它是将变频信号源送进来的脉冲及方向信号按既定的通电励磁方式自动循环供给给电动机的各相绕组，以驱动电动机转子旋转。控制计算机I/O接口板步进电动机驱动器步进电动机图42步进电动机控制图图43为110BYG550X系列及130BYG5501型号的接线图，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。图43引脚接线图主轴的运动是得通过步进电动机带动的，而步进电动机是依靠相应配套使用的步进电机驱动器控制使其工作转动。如图44所示为五相十拍混合式步进电机，若实现步进电动机按控制运转的话，就需要了解接线端子排、四位拨动开关的使用方法。图44步进电动机驱动器的外形及SW拨动开关图中拨动开关SW是一个四位开关，通过该开关可以设置电动机的控制方式。第一位脉冲控制模式的选择拨向OFF端为单脉冲的控制方式，拨向ON端为双脉冲的控制方式。在单脉冲控制方式下需要CP、CP端子接入正、反转运行脉冲信号，而DIR、DIR端子是输入正、反转运行方向信号。双脉冲控制方式下，CW、CW端子是输入正向运行脉冲信号，而CCW、CCW端子是输入反转运行脉冲信号。第二位运行方向的选择（仅处于单脉冲工作方式时有效）OFF位置是为标准设定，ON位置则是单方向运转，与OFF状态的转向相反，其设定后不受正、反转方向信号的影响。第三位整/半步运行模式选择拨向OFF位置时电动机是以半步细分的方式运行，拨向ON的位置时电动机是以整步的方式运行。第四位自动试机运行拨向OFF位置时驱动器接受外部脉冲控制运行，拨向ON位置时自动试机运行，此时电动机以50R/MIN半步控制的速度自动运行，或者以100R/MIN（整步控制）的速度自动运行，自动试机运行时候不需要外部脉冲输入。在图示步进电机驱动器的正面板上还有两个LED指示灯，它们表示的意义为RPW该步进电机驱动器的工作电源指示灯，灯亮时表明驱动器通电。CP在驱动器通电情况下，该指示灯当电动机运行时发生闪烁，其闪烁的频率就等于电气循环原点信号的频率。接线端子的意义如下表41所示表41接线端子的意义端子名称名称意义A、A、B、B、C、C、D、D、E、E电动机接线端子接到步进电动机A、A、B、B、C、C、D、D、E、EAC电源进线交流电源80V（1±15）500HZG接地接地45步进电动机的位置控制步进电动机的位置控制系统可以是开环的结构，也可以是闭环的结构。但步进电动机位置控制系统一般出于经济成本的考虑会选择采用开环的系统结构。步进电动机位置指令一般是一串连续的脉冲。步进电动机绕组是按照一定通电顺序方式轮流工作的，故需控制每一脉冲使其按计划分配到电动机的每相绕组进行通电励磁。而这种分配的控制既可以用硬件的方式来实现也可以用软件的程序来实现。能以硬件逻辑电路方式实现脉冲分配的硬件称为环行分配器。在计算机数字控制系统中也能通过采用软件的方式实现和硬件一样的效果，我们把这种脉冲分配方式称作软件环行分配。经过环行分配器输出的进给脉冲是弱电信号，功率很小，不能驱动步进电机绕组，以产生足够的电磁转矩带动负载运动。所以，经过环行分配器输出的进给脉冲需要进行功率放大，达到一定的电流和电压。因此，一个完整的步进电动机位置控制系统构成如图45所示。图45步进电机的位置控制系统若想对步进电动机进行准确的位置控制，就首先要根据机械之间的传动关系，计算出丝杆的位移量与步进电动机转角之间的关系，进而得到丝杆的直线位移量和步进电动机的转角之间的换算关系。从而根据转过步距角的大小计算换算为步进电动机所应转过的步数，之后将该步数赋值给一设定的变量，当电动机每转过一步，计算机控制程序自动完成变量减一计算同时立刻判别是否为零，如不为零就继续运动进给加工；若已经为零就停止进给加工让电动机停止运行。46步进电动机的驱动电源由步进电动机的工作原理可知，对步进电动机的各相按照一定的顺序通/断电，可以获得一定的角位移。步进电动机的每一相分别占用一个数控系统I/O端口，数控系统I/O端口输出高或低电平就可以控制与之相联的步进电动机相的通电或者是断电。大部分步进电动机的控制都倾向采用硬件环形脉冲分配器，而环形脉冲分配器往往与功率放大电路集成在一起，构成步进电动机驱动电源。步进电动机的运行特性性能除了与其自身的特点、负载有关之外，还与该电动机配套使用的驱动器有着密不可分的关系。步进电动机的驱动器脉冲功率放大部分，其主要功能是对有软件或是硬件环形脉冲分配各相所获得的通电信号进行功率上的放大，让这些信号的幅值放大变得足够大，且功率足够强前后沿较好，成为理想的绕组励磁电流。常见主要有三种类型的驱动电源器一是高低压双电源型，二是恒流斩波型及三是调频调压型。本毕业设计中与步进电机配合使用的是高低压双电源型驱动电源器，该电源器的工作方式是先通过高压，用以确保电动机的绕组先有简单的冲击电流流过建立电流通道，之后再供以低压电，以此确保绕组中的稳态电流值大小等于额定值。该工作方式可以概括为高压建流低压定流。47步进电动机的正反转运动控制通过利用计算机的I/O接口控制板可以实现对步进电动机的控制。设以“1”（高电平）表示通电，以“0”（低电平）表示断电，使用I/O接口板的一个输出端口对步进电动机按照五相十拍进行控制。通电顺序为ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB（）时，电动机正转。步进电机五相十拍软件环形脉冲分配控制字表见下表42所示。表42步进电动机五相十拍软件环形脉冲分配控制字表控制节拍A4A3A2A1A0控制输出内容方向1234567891011000110011100110011100110011100110001100110001100110001103H07H06H0EH0CHFDHF9HFAHF2HF4H03H正转反转5机床的电气控制系统设计本次设计以ZK5132数控立式钻床为对象，由主电路和控制电路组成，介绍了低压电器元件、电气控制系统、数控系统及接口、步进电机与伺服驱动等内容。电气控制部分由电源开关、主轴正反转、冷却泵、控制变压器能耗制动电源、机床照明控制信号灯、能耗制动、零压保护启动、冷却开关、数控系统的停止启动与开门断电等。51主电路电气控制设计图001所示为ZK5132数控立钻的380V主回路控制，QF1为主回路的总电源空气开关，QF2和QF3分别为主轴电机和冷却泵电机的空气开关，QF4为2L1单相电源控制空气开关。KM2、KM3、KM4分别为控制主轴电机正转、主轴电机反转、冷却电机交流接触器。TC1为主控制变压器，将交流380V电压变为交流220V，供给伺服电源模块。FV为灭弧器装置，当相应的电路断开后，吸收伺服电源模块、主轴变频器、冷却电机的振荡电压电流能量，避免电路过流或过压损坏接触器触头。XT为线路板块。511主轴正转要实现主轴启动正转，有CNC自动启动和手动启动，两种方法。但前提是机床电源上电，所有的常开触点KA1吸合。当用CNC自动启动主轴正转时，图003中的JW1I/O给KA3继电器线圈光电信号，线圈作用使常开触点KA3在图001中C8位置闭合，然后图001中E9位置的KM2交流接触器线圈得电，所有位置的KM2触点动作，反转电路断开，正转电流回路完成自锁，正转电流回路得到保持，主轴正转启动。当用手动启动主轴正转时，手动按下图001中C8位置的开关SB5,然后图001中E9位置的KM2交流接触器线圈得电，所有位置的KM2触点动作，反转电路断开，正转电流回路完成自锁，正转电流回路得到保持，主轴正转启动。512主轴反转与正转同理，要实现主轴启动反转，也有CNC自动启动和手动启动这两种方法。但前提同样是是机床电源上电，所有的常开触点KA1吸合。当用CNC自动启动主轴反转时，图003中的JW1I/O给KA4继电器线圈光电信号，线圈作用使常开触点KA4在图001中C10位置闭合，然后图001中E10位置的KM3交流接触器线圈得电，所有位置的KM3触点动作，正转电路断开，反转电流回路完成自锁，反转电流回路得到保持，主轴反转启动。当用手动启动主轴反转时，手动按下图001中C10位置的开关SB6,然后图001中E10位置的KM3交流接触器线圈得电，所有位置的KM3触点动作，正转电路断开，反转电流回路完成自锁，反转电流回路得到保持，主轴反转启动。513主轴停转要实现主轴启动反转，也有CNC自动启动和手动启动这两种方法。手动停转主轴的方法是，按图001中B9位置的常闭按钮SB4，常闭按钮SB4触点断开时，主轴电路控制全部断开，主轴停转。514冷却泵冷却电机的作用是利用冷却液对加工的工件进行冷却降温，主要是靠冷却液的水冷作用，本次设计的机床选用通用的机床冷却泵，当常开开关KA5（在图001中C11位置）闭合时，E10位置的线圈得电令D4位置的常开触点KM4吸合，冷却泵开始运转工作带动冷却液流动。所选型号为永嘉县瓯北镇盛泽泵阀厂生产的AOB25型三相电泵，其具体参数如下表51所示表51AOB25型三相电泵参数技术参数电机型号额定功率额定电压最高扬程最大流量AOB2590W380V3M25L/MIN52电路电源分析冷却泵电机接入AC380V电源作为供电控制。润滑泵接入AC220V电源作为供电控制。CNC辅助电源和CNC电源接入AC220V电源作为供电控制。轴流风机接入AC220V电源作为供电控制。该线路上的短路保护依靠空气开关TC1（在图001中B4位置）为电源主控制变压器，初级为AC380V，次级为AC110V113VA、AC24V56VA、AC6V5VA、AC42V326VA。其中AC110V供给电气主控制电路电源；AC24V供给机床照明；AC6V供给机床控制信号灯；AC42V通过滤波整流变为DC38V提供主轴电机的能耗制动。QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、QF7、QF8空气开关为各电路的短路保护。TC2（在图002中C2位置）为控制变压器，交流AC220V提供给TC2控制变压器初级，经变压为AV80V后作为XYZ轴步进电机驱动器电源。QF9、QF10空气开关是该电路的短路保护。TC3（在图002中D10位置）和TC4（在图002中F9位置）分别为CNC辅助电源和CNC电源的交流隔离变压器，TC3的初级电压为AC220V，次级为AC8V、AC15V、AC15V，QF12、QF13、QF14空气开关为CNC辅助电源的短路保护。53控制电路设计531电机制动方式在数控机床中电机运行停止时，需要求有准停功能。电动机的制动状态一般主要有两种，即反接制动和能耗制动。反接制动是利用改变电动机电源的相序，使定子绕组产生的旋转磁场与转子惯性旋转方向相反，因而产生制动作用。能耗制动是在电动机脱离三相交流电源后，定子绕组加一直流电压，即通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用达到制动，当转子转速接接近为零时，切除直流电源。即是说，当想要主轴电动机停止转动时，控制变压器中的交流电经过整流桥的整流作用，交流电变成直流电，再流入电机，由于电磁作用吸合电机转子，迫使电机主轴停转。即当图001中C6位置的常开触点KM2或KM3闭合时，断电延时继电器（在图001中F6位置）得电，使图001中B6位置的延时断开的动合触点KT1闭合再延时一段时间后断开，延时断开期间使接触器线圈（在图001中E6位置）得电令D3位置的常开触点KM1吸合，能耗制动启动。532零压保护启动零压保护又称失压保护，这种设计是非常有必要的。其目的功能在于防止当机床在工作状态下意外断电时，停电时操作人员忘记切断电源，避免再次上电时对人或者机床造成伤害，起到对人和机床的保护作用。零压保护的电气控制线路如图001/7位置所示，当机床正常启动工作时，常开联动按钮SB3（在图001中D7位置）闭合，线圈（在图001中E7位置）得电，使常开触点KA1（在图001中D7、B8、D5和图002中G2位置）闭合，零压保护启动，机床机床控制信号灯也处于打开状态。当外界供电意外断电时，图001中D7、B8、D5和图002中G2位置的KA1自动断开，当再次外界再次给机床通电后，尽管操作人员可能忘关电源，但主电路中B8位置的KA1仍处于断开状态，故电机会保持停止状态不会运转。54数控系统中的启动与停止从机床电气控制原理图看，图00111为数控系统的启动与停