毕业设计-C6132数控化改造电气部分设计.doc

46 毕业设计（论文）C6132数控化改造电气部分设计学院: 兰州交通大学博文学院班级：机制一班姓名：高瑞娟学号：20080387指导老师：陈德道 摘 要基于改善工人劳动条件，提高产品的加工精度，最大限度的降低设备故障率，对c6132普通车床数控化改造的重要内容电气部分作了改造设计，该设计是对c6132普通数控车床正常工作的基本条件，是不可或缺的重要内容。改造完成后，通过试车调试和产品交付使用，产品的加工质量和生产效率得到了较大提高，完全满足了生产及批量生产的要求。车床加工满足了设计的所有功能，设备运行稳定、可靠，提高了车床的生产效率及加工精度，达到了预期的目的。 关键词：电气设计；数控改造；数控车床；提高生产效率； C6132 cnc lathe electrical design Abstract : based on improve workers , working conditions , improve product precision minimize equipment failure rate. The paper numerical control c6132 important transformation of the electrical part of the design that is cnc lathes c6132 common basic conditions for normal work, is essential to the content. Transformation is complete debug and test the product through delivery , product quality and processing efficiency has been greatly enhanced to fully meet the requirements of production and mass production , lathe processing to meet all the features of the design , equipment , stable, reliable, and improve a lathe production efficiency and precision products to achieve the intended propose .Key words : electrical design ; numerical transformation ; cnc lathe ; improve product efficiency ; 目 录第一章绪论.51.1 数控技术与数控机床.51.2 机床数控化改造的兴起及意义.51.2.1 国外机床改造业的兴起1.2.2 我国机床数控化改造的意义1.3 本文所研究的主要内容.6第二章车床电气改造方案设计.72.1 设计任务.72.2 主传动系统的改造.72.2.1 主轴无级变速的实现2.3 刀架部分的改造.112.4 数控系统的类型及选择.122.4.1 数控系统的分类2.4.2 数控系统的选择2.5 计算机系统的选择.14l 第三章进给电机计算和控制.153.1 横向电机的计算和选型.153.2 纵向电机的计算和选型.163.3步进电机的控制.203.3.1步进电机的工作原理.303.1.2 步进电机的接口和驱动电路第四章连接.25 4.1.254.2.264.3.264.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.4.284.5.294.6.30.32第五章 电气的原理图5.1电源部分原理图.345.2继电器部分原理图.345.3开关量部分原理图.365.4 .375.5.38设计心得.40致谢.41参考文献.42第一章 绪论 1.1 数控技术与数控机床 数控技术，简称数控(Numerical CorltrolNC)，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控(Computer Numerical ControlCNC)。 采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高及小批量零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛。 1.2 机床数控化改造的兴起及意义 1.2.1 国外机床改造业的兴起 在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造业作为新的经济增长行业，生气盎然，正处在黄金时期。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造成了一个“永恒的课题。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，这已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国,机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、DeVliegBuUavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机械公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 1.2.2 我国机床数控化改造的意义 我国目前机床总量约400万台，其中数控机床总数只有20万台，即我国机床数控化率仅为5左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达到20以上。我国机床役龄10年以上的占60以上；役龄10年以下的机床中，自动半自动机床不到20，FMCFMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等现象，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。 目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而且替换下来的旧机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造之路。从美国、日本等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如日本的大企业中有26的机床经过数控改造，中小型企业则是74，在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提供机床数控化改造服务。因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小型企业更是如此。 利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控机床，投资少、见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。 另外对普通机床进行数控化改造有许多积极的意义: 1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。 2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化,效率可比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 4）可实现多工序的集中,提高了相关的加工精度,同时减少了零件在机床间的频繁运转。 5）可缩短新产品试制周期和生产周期,对市场需求做出快速反应。机床数控化还是推行FMC、FMS以及CIMS等企业信息化改造的基础。 6）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床的加工状态。还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。 一、机床进行数控化改造的必要性1. 微观看改造的必要性微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。* 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。* 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。* 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。* 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。* 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。2. 宏观看改造的必要性宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比一、机床进行数控化改造的必要性二、如何进行机床数控化改造1. 国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。2. 数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。3. 数控化改造的优缺点1. 减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。2. 机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。3. 熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。4. 可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。5. 可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。4. 数控系统的选择数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。1. 步进电机拖动的开环系统该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。2. 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。3. 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。5. 数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。1.3 本文所研究的主要内容 1）根据数控化改造后车床所具备的功能，制订了车床电气部分改造方案，并绘制了改造后车床电器原理图；2）设计数控车床电气原理框图； 3）设计了车床数控系统的硬件电路图，横向步进电机的计算和选型也作了详细阐述； 3）设计电气原件的组装图；第二章 车床电气改造方案设计 2.1 设计任务 在现有C6132车床的结构基础上，对机床横向进给系统进行数控改造，主传动系统保留。横向脉冲当量：0.005mm/step、定位精度：0.01mm、快移：3000mm/min 。设计参数如下： 加工最大直径: 在床面上 320 在床鞍上 160 加工最大长度: 750 溜板及刀架重力: 纵向 800N 横向 500N 刀架快速速度: 纵向 3m/min 横向 1.5m/Min 脉冲当量 纵向 0.01 横向 0.005 主电机功率: 3KW 起动加速时间: 30ms 定位精度: 0.015脉冲当量: 纵向:0.01 横向:0.005 有自动升降速性能 2.2 主传动系统的改造 主轴无级变速的实现 C6132车床的主轴变速为手动、有级变速。考虑到数控车床在自动加工的过程中负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式，同时保留原有的主传动系统和变速操纵机构，这样既保留了车床的原有功能，又减少了改造量；其二是用双速或者是四速电动机替代原有车床的主电动机。由于多速电机的功率是随着转速的变化而变化的，所以要选择功率较大一些的电动机，随之电动机的尺寸也变大了，机床改造相对较麻烦，另外在这种改造方式下，主传动系统也要拆除并进行重新设计，这样可以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是加大了改造成本。 考虑到改造的成本，我决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。 交流异步电动机的转速与电源频率，电动机磁极对数nfp以及转差率之间的关系式为：对于C6132，电动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频率fn即可改变电动机的转速。另外，变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转及停止。 变频器的控制方式主要有Uf恒定控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择Uf恒定控制方式是能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的Uf，在负载较轻的情况下，电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。 目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在05Hz时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服Uf控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。 数控车床连续运转时所需的变频器容量(kVA)计算式如下：式中 PM负载所要求的电动机的轴输出功率； 电动机的效率(通常约O85)； cos电动机的功率因素(通常约O75) MU电动机的电压，380V； MI电动机工频电源时的电流，为154A； k电流波形的修正系数(PWM方式时取105-110)； PCN变频器的额定容量，kVA； ICN变频器的额定电流，A；由以上公式可得： 选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。综合以上分析计算，确定选用三菱FR-A540系列变频器，具体型号为FR-A540-75K-CH。2.3 刀架部分的改造 拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架。根据车床的型号及主轴中心高度，选用常州市宏达机床数控设备厂生产的LD4-C6132型电动刀架，该刀架内带120W三相交流异步电动机用于驱动正转选刀。内置的4只霍尔元件检测刀位位置，电动机反转完成刀具定位锁紧。安装时，拆除车床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，使刀架转动到45左右时，装上螺钉，然后固定刀架即可。电机安装好如图2-11所示。 图 2-11 电动刀架安装实物图 LD4-C6132型电动刀架技术参数见表2-1。电动刀架的安装较为方便，安装时 须注意以下两点： 1)电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行； 2)电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。2.4 数控系统的类型及选择2.4.1 数控系统的分类目前,数控系统的品种规格繁多,功能各异,分类方法不一,通常可按下面两种方法进行分类。1.按加工路线分类1）点位控制系统其特点是，只要求控制机床移动部件从一点移动到另一点的准确位置，至于点与点之间的移动轨迹（路径和方向）并不严格要求。各坐标轴之间的运动是不相关的，并且在移动过程中不进行切削。2）直线切削控制系统其特点是，除了控制移动部件从一点到另一点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹），但其路线只是与机床坐标轴平行的直线。也就是说，同时控制的坐标轴只有一个，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。3）连续切削控制系统也称为轮廓控制系统，其特点是能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续相关控制。在这类控制方式中，要求数控装置具有插补运算的功能，即根据程序输入的基本数据，通过数控系统内的插补运算器的数学处理，把直线或曲线的形状描述出来，并一边运算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与所要求的轮廓相符合。2.按伺服系统的类型分类1）开环控制系统采用开环控制系统的机床，没有检测反馈装置。指令信号单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制系统。其驱动电动机采用步进电机。这种机床采用开环进给伺服系统，数控装置根据所给的进给速度和进给位移，输出一定的频率和数量的进给指令脉冲，经驱动电路放大后，每一个进给脉冲控制步进电机旋转一个步距角，再经减速齿轮、丝杠螺母副转换成工作台的一个当量直线位移。2）闭环控制系统数控装置将位移指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时进行比较，根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到进给伺服系统的速度指令。闭环控制系统的特点是定位精度高，但由于这类系统采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，所以电动机的控制线路比较复杂。另外检测元件昂贵，调试和维修比较困难，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密数控机床。3）半闭环控制系统这种机床是将位置检测装置安装在驱动电机端部，或安装在传动丝杠端部，间接测量部件的实际位置或位移，然后反馈到控制装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，直到差值消除为止。2.4.2 数控系统的选择本设计中由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环系统，虽然开环控制系统中，没有速度反馈和位移反馈电路，不带检测装置，指令信号单向发送，但开环伺服系统结构简单、成本低，容易掌握，调试和维修都比较简单。如果采用螺距误差补偿和径向间隙补偿等措施，定位精度可提高到0.01mm，可以满足设计要求。2.5 计算机系统的选择微型机数控系统由CPU、ROM、RAM扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。由于MCS-51单片微型机具有各种寻址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很强的位寻址和运算功能，特别适合于控制应用场合，使用MCS-51来构成各种控制系统，可大大简化硬件结构，降低成本。1）单片机的选择MCS-51系列中的8031单片机片内无ROM，适于需外接ROM、能在现场进行修改和更新程序存储器的应用场合，价格低，使用灵活，从实用性与经济性考虑，采用8031作为控制系统的单片机。2）存储器扩展 8031的片内没有程序存储器，必须外接扩展电路，具有扩展2片2764共16K的程序扩展电路。 数据存储器的扩展8031内部有128个字节RAM存储器。它可以作为寄存器，堆栈，软件标志和数据缓冲器，CPU对其内部RAM有丰富的操作指令。因此，这个RAM是十分珍惜的资源。我们应合理地充分地应用片内RAM存储器，但片内RAM存储器往往是不够的。外接RAM扩展电路可扩大存储器容量。本设计扩展一个6264（8K）的外部RAM。 接口电路，伺服电机驱动电路等接口电路主要用于控制纵向和横向步进电机，刀架电机等。键盘有32个键。此外，还有伺服电机驱动电路，光电耦合器电路，报警电路，8031时钟电路，复位电路等。由此可得车床伺服系统控制方案，如图2-13所示。第三章 进给步进电机计算和控制一.横向电机计算1）等效转动惯量计算 由于横向步进电机经两对齿轮降速后传到丝杆，此传动系统折算到电机轴上总的转动惯量可由下式计算 式中为转动惯量，i为传动比，m取50kg,丝杠导程为0.005m；计算圆柱体转动惯量的公式为 J=为材料密度，d为传动件的等效直径，l为轴向长度；按照上式可依次计算出各传动件的转动惯量，其中丝杠的等效直径取f 20mm经计算： ，则将各传动部件及工作台质量折算到电机轴上的总的转动惯量2) 惯量匹配验算 参考同类型机床，初选反应式步进电机110BF003型反应式步进电动机，查机械设计手册第5卷表34.3-11得到其最大静转矩Ts=4.87N.m,则=0.82mas所以按给定要求110BF003步进电机可以正常启动，可作为初选电机，但还必须进一步考核步进电机的启动矩频特性和运行矩频特性。 3）电机最大空载启动频率和最大运行工作频率的确定 从机械设计手册（新版）第5卷表34.3-11查出110BF003型步进电机允许最大空载启动频率为1500Hz，运行频率为7000Hz.再查出110BF003步进电机的启动矩频特性和运行矩频特性曲线。可看出，当步进电机起动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制，将起动频率降到1230Hz.，起动力矩可增高到M=196N.m左右，即可满足要求。当快速运动和切削进给时，110BF003型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。4） 系统刚度计算 丝杠螺母机构的刚度主要由丝杠本身的拉压刚度、丝杠螺母间的接触刚度以及轴承和轴承座组成的支承刚度三部分组成。由于丝杠本身的扭转刚度与拉压刚度相比要小得多，故可将其忽略不计。 丝杠本身的最大、最小拉压刚度 轴承和轴承座组成的支承刚度丝杠的扭转刚度5）动态分析丝杠工作台纵振的最低频率 折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为如果忽略电动机轴与减速器的扭转变形，则系统最低扭振固有频率为 此设计中，300rad/s,300rad/s说明系统动态特性良好，满足要求。6）系统误差分析 死区误差 查机电一体化设计式5-59可得D max0.005mm所以满足单脉冲进给的要求。由系统刚度变化引起的定位误差影响系统定位误差的因素很多，但是主要是由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化锁引起的定位误差。查机电一体化设计基础式5-60可得到由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差为 对于开环控制的伺服系统，将其控制在定位误差的1/31/5范围内，由于系统要求的定位精度为mm，即允许的定位误差为0.02mm，d0.004mm,因而系统刚度满足定位精度要。综合上述7条分析，所选步进电动机100BF003以及CDM2005-5-P3丝杠螺母副符合设计要求。 二、纵向电动机的计算与选型1）纵向转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量J1=( )2W=()800=0.468N.cm2丝杠转动惯量:J丝=7.810-4D4L1=7.810-44.854=43.16N.cm2 齿轮转动惯量:JL1=7.810-44.842=0.828N.cm2JL2=7.810-48.842=9.36 N.cm2电动机转动转动惯量很小可以忽略 因此,总的转动惯量 JL1=(J丝+JL2)+JL1+J1=(43.16+9.36)+0.828+0.468=20.128N.cm所需转动力矩计算: 快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+Mf+Mt 式中 Mamax快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 Mf-折算到电动机轴的摩擦力矩 Mt-丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt Mat电机轴上的加速度力矩 快速进给时所需的力矩 M=Mf+M0 式中Mamax-空载 Mamax=JT=30ms 当n=nt时Ma=Mat V=100 D=88 nt= (1000V/3.14D)fi/L0=(10001000.31.67)/83.1488=22.65r/minMat=10-2=1.583Kgf.cm=15.83N.cm Mf= =W=800=0.8 f=0.16MF=296.8N.cmM0=当0=0.9时预加载荷P0=1/3Fx 则M0=3.458kgf.cm=34.58N.cmMT=54.6kgf.cm所以快速空载时所需力矩 M起=Mamax+Mf+M0=234.7+296.7+34.58=565.98N.cm 切削时所需力矩 M快=Mat+Mf+M0+Mt=15.83+296.7+34.58+54.6=401.7N.cm 快速移动时F需力矩 M切=Mf+M0=296.7+34.58=331.28N.cm 从上面计算可得:M起 M快,M切三种情况下,以快速空载起动所需力矩最大 ,以此项作为初选步进电机的依据 从国产BF反应式步进电机技术数据表查出 当步进电机为五相十序时 =0.951 =Mmax =595.14N.cm 电机的选择 由机床设计手册查得 110BF003型最大静转矩为800N.M,大于所需静转矩 计算步进电机空载起动频率和切削时工作频率 fk=5000Hzfe=2000Hz由手册查得:110BF003型步进电机允许的最高空载起动频率为1500HZ,运行频率为7000HZ,步进电机启动时频率不能满足要求,此项指标可暂不考虑,可以采用软件开降速程序来解决。当快速切削进给时能满足要求 110BF003型步进电机的基本参数如下: 相数:3 步距角:0.75/1.5度 电压:80V 相电流:6A 最大静转矩:800N.cm 最高空载启动频率:1500Hz 运行频率:7000Hz 线圈电阻:0.37 分配方式:三相六拍 重量:6kg 外形尺寸: 110160轴径: 11纵向进给机构改造时拆除原机床的进给箱及丝杠,将步进电机减速齿轮箱安装在原机床的尾端滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置, 两端仍采用原固定方式,这样可以减少改装工作量并由于滚珠丝杠的磨擦系数小于原丝杠,从而使纵向进给机构整体刚度增大。4.6 步进电机的控制 4.6.1 步进电机的工作原理 步进电机是将电能转化为机械能的电磁元件。定子上安装了六个磁极，相对的两个磁极上放置着同一相励磁绕组，而转子上没有，只有四个凸极，a、b、c、d组成，当s1接通，s2，s3断开，A相建立磁场，转子力求以磁路最大来取向，转子齿与定子A相磁极对齐，即转子a、c齿的轴线与定子A相磁极轴线重合。当s1，s3断开，s2接通，转子b、d齿的轴线与定子B相磁极轴线重合。依次类推s1s2s3s1循环接通，转子以一定的步距角旋转，改变输入电流方向，实现反转即s1s3s2s1。 4.6.2 步进电机的控制 步进电机是由脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，以防止电源串路。W是步进电机的一相绕组，VD3是续流二极管。74LS373是8路三态输出触发器，一路输出信号控制一相绕组，可控制两台三相步进电机或两台四相步进电机。Q输出高电平，将其所控制的相绕组通电。74LS373的LE是锁存允许端，高电平有效。下面来分析一下该接口电路的工作过程。4.6.3 步进电机接口及驱动电路 步进电机控制框图如图4-16所示：1.脉冲分配器 又叫环形分配器，有硬件环形分配器和软件环形分配器两种。硬件环形分配器需要的I/O口接线数少，且执行速度快，但需要专用的芯片。软件环形分配器是用程序实现的。 1）硬件环形分配器 是由门电路及其逻辑电路组成，目前已经大量采用可靠性高，外形尺寸小，使用方便的集成脉冲分配器。按其电路结构不同分为TTL集成电路和CMOS集成电路。 2）软件环形分配器 软件环形分配器在电路上不需要环形分配专用芯片，而是在微处理中专门安排一个输出寄存器作为步进电动机的控制寄存器，步进电动机的每一相绕组都与这个寄存器中某一指定位相对应。寄存器中这一位为“1”，对应相应绕组的通电状态，这一位为“0”，对应着相应绕组的断电状态。微处理器按照程序中规定的顺序，循环的向寄存器中写入各控制字节，从而使步进电动机绕组按固定的规律，循环地通电或断电，步进电动机便按照设定的方向转动。 在电路上步进电动机的每一绕组需和一个I/O口相连（经光电隔离电路）故占用的I/O口数量较多。 本设计采用软件环形分配器。 2.光电隔离电路 在步进电动机驱动电路中，脉冲分配输出的信号经放大后，控制步进电动机的励磁绕组。由于步进电动机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大，如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。如图4-17：耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，图4-18为共集电极输出型。当输入信号加到输入端时，发光二极管导通激发发出红外光，受光三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电源，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端在电气上完全隔离。下图为光电隔离输出及输入电路，且为同向输出电路，控制信号经74LS05集电极开路门反相后驱动耦合器的输入发光二极管，当控制信号为低电平，74LS05不吸收电流，发出二极管不导通，从而输出的三极管截止。同相电路输入电平为零电平，反相电路输出电压为高电平（12V）。当控制信号为低电平时，反相输出电平接近零。 3.功率放大器 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。 从步进电动机的启动矩频特性可以看出,随着运行频率的增高， 步进电机输出力 矩（即带动负载的能力）下降，这一现象产生的主要原因是:作为功率放大器负载的步进电机是电感负载。第四章连接 一、综合接线图 1）、图1所示为HNC-21数控装置与其它装置的连接的总体框图二、数控装置 数控装置背面接口图注：XS1: 电源接口 XS2: 外接PC键盘接口 XS4: 软驱接口 XS5: RS232接口 XS6：远程I/O板接口 XS8：手持电源接口 XS9: 主轴控制接口 XS10、XS11：输入开关量接口XS20 XS21: 输出开关量接口XS30-XS33: 模拟式脉冲式进给轴控制系统XS40-XS43: 串行式HSV-11型进给轴控制系统 HNC-21数控装置接口图第 五 章 电器原理图5.1 数控系统简介 机床：两坐卧式车床，带四刀位自动刀架。 控制柜结构：强点控制柜加操作站 主轴：普通异步电机， 机械手动换挡变速。输入输出开关量定义车窗数控系统输入输出开关量的定义XS8手持单元的接口：引脚号信号名标号 定义13+5V地 手摇脉冲发生器+5V电源地25+5V 手摇脉冲发生器+5V电源12HB 手摇脉冲发生器B相 24HA 手摇脉冲发生器A相11028Y3.4 未定义23029Y3.5未定义10030Y3.6 手持单元工作指示灯，低电平有效22031Y3.7 未定义9I32X4.0 手持单元坐标选择输入X轴，常开点，闭合有效21I33X4.1 手持单元坐标选择输入Y轴，常开点，闭合有效8I34X4.2 手持单元坐标选择输入Z轴，常开点，闭合有效20I35X4.3 手持单元坐标选择输入A轴，常开点，闭合有效7I36X4.4 手持单元增量倍率输入X1轴，常开点，闭合有效19I37X4.5 手持单元增量倍率输入X10轴，常开点，闭合有效6I38X4.6手持单元增量倍率输入X100轴，常开点，闭合有效18I39X4.7手持单元使能输入，常开点，闭合有效5空17ESTOP3手持单元急停按钮串接到急停回路的端子4ESTOP2手持单元急停按钮串接到急停回路的端子3，6+24V为手持单元的输入输出的开关量供电的DC+24V电源1，2，14，15+24V地为手持单元输入输出的开关量供电的DC+24V电源地XS10输入接口（I0-I19）：引脚号信号名标号 信号定义13I0X0.0 X轴正超程限位开关，常开点，闭合有效25I1X0.1 X轴负超程限位开关，常开点，闭合有效12I2X0.2 Z轴正超程限位开关，常开点，闭合有效24I3X0.3 Z轴负超程限位开关，常开点，闭合有效11I4X0.4C轴正超程限位开关，常开点，闭合有效 （未用）23I5X0.5C轴负超程限位开关，常开点，闭合有效 （未用）10I6X0.6 卡盘夹紧到位，常开点，闭合有效 （未用）221I7X0.7 卡盘松开到位，常开点，闭合有效 （未用）9I1.28X1.0X轴回参考点开关，常开点，闭合有效21I9X1.1Z轴回参考的开关，常开点，闭合有效8I10X1.2C轴回参考点开关，常开点，闭合有效 （未用）20I11X1.3 未定义7I12X1.4冷却系统报警，常闭点，断开有效 19I13X1.5 滑润系统报警，常闭点，断开有效 （未用）6I14X1.6 压力系统报警，常闭点，断开有效 （未用）18I15X1.7 未定义5I16X2.0 主轴一档到位，常开点，闭合有效 （未用）17I17X2.1 主轴二档到位，常开点，闭合有效 （未用）4I18X2.2 未定义16I19X2.3 未定义3空1，2，14，1524V地 外部直流24V电源地XS11输入接口（I20-I39）：引脚号信号名标号 信号定义13I20X2.4外部运行允许，常开点，闭合有效25I21X2.5伺服电源模块OK，常开点，闭合有效12I22X2.6伺服驱动器OK，常开点，闭合有效24I23X2.7电柜空气开关OK，常开点，闭合有效11I24X3.0 主轴报警，常闭点，断开有效23I25X3.1主轴速度到达，常开点，闭合有效 （未用）10I26X3.21号刀到位，常开点，闭合有效22I27X3.3 2号刀到位，常开点，闭合有效9I28X3.4 3号刀到位，常开点，闭合有效21I29X3.5 4号刀到位，常开点，闭合有效8I30X3.65号刀到位，常开点，闭合有效 （未用）20I31X3.76号刀到位，常开点，闭合有效 （未用）4-7 6-19I32-I39X4.0-X4.7与XS8并联，用于手持单元的坐标选择输入、增量倍率输入、使能按钮输入3空 见XS81，2，14，1524V地外部直流24V电源地XS20 00-015引脚好信号名标号 信号定义13000Y0.0 运行允许，低电平有效25001Y0.1 系统复位，低电平有效12002Y0.2 伺服允许，低电平有效24003Y0.3SV-CWL伺服减电流，低电平有效(未用)11004Y0.4升降轴抱闸，低电平有效 （未用）23005Y0.5 冷却开，低电平有效10006Y0.6 刀库正转，低电平有效22007Y0.7 刀库反转，低电平有效9008Y1.0主轴正转（主轴使能），低电平有效21009Y1.1主轴反转（主轴使能），低电平有效8010Y1.2 主轴制动，低电平有效20011Y1.3卡盘松，低电平有效（未用）7012Y1.4主轴一档，低电平有效 （未用）19013Y1.5 主轴二档，低电平有效 （未用）6014Y1.6 未定义18015Y1.7 未定义5空17ESTOP3急停回路驱动KA继电器，控制动力电源的输出端子4ESTOP1急停回路与超程回路的串联的输入端子16OTPS2超程限路开关的接入端子3OTPS1超程限路开关的接入端子1，2，14，1524V地 外部直流24V电源地在本设计中，照明灯的DC24V电源和HNC-21的AC24V的电源是各自独立的；系统中没有电磁阀，因此，只用了一个DC24V 100W开关电源，在开关电源进线侧用一个低通滤波器与伺服控制电源(AC220V)隔离开关。QF1-QF4为三相电源开关；QF5-QF10为单相空气开关；KM1-KM6为三相交流接触器；RC1-RC4为三相阻容吸收器；RC5-RC10为单相阻容吸收器；KA1-KA8为直流24V继电器；典型车床数控电器原理图-电源部分 继电