（机械工程专业论文）xha714数控机床电气系统设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：虫叟! 垒乡 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 一 摘要 摘要 数控技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术，是制造业自动化的关 键技术。为适应用户对数控系统的选择，在分析原有数控系统性能指标的基 础上，论文采用三菱e z m o t i o n6 8 数控系统和s v j 2 系列伺服系统完成了北京 第一机床厂的x h a 7 1 4 数控加工中心机床的电气控制系统的设计和调试，这 将对x h a 7 1 4 机床的应用和推广具有重要意义。 在充分分析和研究x h a 7 1 4 加工中心的机械结构、性能特点和加工适用范 围的基础上，选取三菱的e z m o t i o ne 6 8 数控系统作为加工中心的控制系统， 并通过计算转速、惯量、转矩等确定了各坐标轴的伺服驱动器和伺服电机以 及主轴伺服系统和主轴电机。通过激光干涉仪和实验法对丝杆螺距补偿和伺 服参数进行了优化。 在x h a 7 1 4 机床电气控制原理的设计上，将电气回路分为动力回路和控 制回路两部分。动力回路包括了伺服、主轴、润滑泵、刀库电机等，其中对 于伺服控制部分，分别从电气安全角度和控制安全角度考虑，设计了各自的 保护措施。控制回路包含了系统上电回路，输入输出信号的处理回路等，其 中在输出回路上，对于指示灯和继电器两种负载，分别设计添加了适当的元 器件以达到对线路的保护作用。 完成了x h a 7 1 4 数控机床的控制程序设计，程序采用模块化的设计思路， 将程序分为系统、刀臂、刀库和辅助功能四个控制部分。 关键词数控机床；电气控制；p l c ；参数优化 a b s t r a c t c n ct e c h n o l o g yi s aa u t o m a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yu s e do fd i g i t i z e d i n f o r m a t i o n ，恤k e yt e c h n o l o g yi nm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n t om e e tt h e u s e r t h ec h o i c eo ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h eo r i g i n a l p e r f o m l a n c ec n cs y s t e m ，t h ep a p e rc o m p l e t ex h a 7 14m a c h i n i n gt o o le l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e md e s i g na n dd e b u gb ym i t s u b i s h ie z m o t i o n6 8c n cs y s t e ma n d s e r v os y s t e mf o rb e i j i n gn o 1m a c h i n et o o lp l a n t ，w h i c hi sg r e a ts i g n i f i c a n c et o x h a 714m a c h i n i n gc e n t e r sa p p l i c a t i o na n dp r o m o t i o n a f t e r f u l l ya n a l y z i n g a n d r e s e a r c h i n g o nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ， p e r f o m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o c e s s i n gr a n g eo fx h a 7 14 ，o nt h eb a s i so ft h e s c o p eo fa p p l i c a t i o n ，s e l e c tt h em i t s u b i s h ie z m o t i o ne 6 8c n c c o n t r o ls y s t e mf o r m a c h i n i n gc e n t e r s ，a n db yc a l c u l a t i n gt h es p e e d ，i n e r t i a ，t o r q u et h e s e r v od r i v e ， s e r v om o t o ro ff e e da x i sa n ds p i n d l ea r ed e t e r m i n e d s c r e wp i t c hc o m p e n s a t i o n a n ds e r v o p a r a m e t e r s w e r e o p t i m i z e d t h r o u g h l a s e ri n t e r f e r o m e t e ra n d e x p e r i m e n t a lm e a n s t h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dt od i v i d ei n t ot w op a r t s ：p o w e r c i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t p o w e rc i r c u i ti n c l u d et h ef e e ds e r v op a r t ，s p i n d l ed r i v e ， l u b r i c a t i o np u m p ，e t c ，i ns e r v op a r t ，t h ep r o t e c t i v em e a s u r ei sa d o p t e df o re l e c t r i c a l s a f e t ya n dc o n t r o l l i n gs a f e t y c o n t r o lc i r c u i ti n c l u d e st h en c s y s t e m ，i om o d u l e s ， f o ro u t p u tc i r c l et h ea p p r o p r i a t ec o m p o n e n t sa r ed e s i g n e dt oa c h i e v et h ep r o t e c t i v e e f f e c to nt h el i n ee t c t h ec o n t r o lp r o g r a md e s i g n i n go fx h a 7 14i sc o m p l e t e dw i t hm o d u l a rd e s i g n i d e a ，t h ew h o l ec o n t r o l l i n gc o n t e n ti sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ：s y s t e mc o n t r o lp a r t ， a t ec o n t r o lp a r t ，t o o lm a g a z i n ec o n t r o lp a r t ，a u x i l i a r yc o n t r o lp a r t k e yw o r d sc n cm a c h i n i n gt o o l ；e l e c t r i cc o n t r o l ；p l c ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n u 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 国内外数控机床发展现状 1 2 我国数控机床与国外相比存在的差距 1 3x h a 7 1 4 数控机床研发的意义 1 4 课题的研究内容和技术难点 1 5 本章小结 第2 章x h a 7 1 4 数控机床的电气系统配置设计6 2 1x h a 7 1 4 数控机床介绍6 2 2x h a 7 1 4 的数控系统配置选型6 2 3 进给伺服系统及主轴伺服系统的配置选型8 2 3 1x h a 7 1 4 进给伺服系统的选择8 2 3 2x h a 7 1 4 主轴伺服系统的选型1 6 2 4 本章小结1 9 第3 章x h a 7 1 4 数控机床的电气控制原理设计2 0 3 1x h a 7 1 4 动力回路的设计2 0 3 2x h a 7 1 4 控制回路的设计2 3 3 - 3 本章小结2 4 第4 章x h a 7 1 4 数控机床的控制软件设计2 5 4 1x h a 7 1 4 数控机床的p l c 程序2 5 4 2 本章小结3 0 第5 章x h a 7 1 4 数控机床的优化3 2 5 1x h a 7 1 4 的螺距误差补偿3 2 5 2 伺服参数的优化3 5 5 3 本章小结3 6 结论3 7 参考文献4 0 附录1x h a 7 1 4 数控机床的电气原理图4 3 附录2x h a 7 1 4 数控机床系统控制部分的p l c 程序5 1 致谢6 0 第1 章绪论 第1 章绪论 随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更 为迅速，中、小批量的生产越来越多。在机械、军工、航空工业，中、小批 零件的生产几乎占产品数量的7 5 - - 8 0 ，而且零件外形越来越复杂，精度要 求也越来越高。传统的机床己不能满足要求，柔性加工的重要性更加突出， 数控技术相关装备的需求日益增大。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装 备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的 机电一体化产品，即所谓的数字化装备【l 】，其技术范围覆盖很多领域： ( 1 ) 机械制造技术； ( 2 ) 信息处理、加工、传输技术； ( 3 ) 自动控制技术； ( 4 ) 伺服驱动技术； ( 5 ) 传感器技术； ( 6 ) 软件技术等。 1 1 国内外数控机床发展现状 世界制造业在2 0 世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为 夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。9 0 年代的全世界数控 机床制造业都经过重大改组【| 7 1 。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动， 从9 0 年代初开始己出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。 如德国机床行业从2 0 0 0 年至今己接受3 个月以后的订货合同，生产任务饱满。 我国数控机床制造业在8 0 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂 从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不 佳，所以在9 0 年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经 历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到5 0 ，库存超过4 个月。从 1 9 9 5 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备 的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起 到了很大的促进作用，尤其是在1 9 9 9 年以后，国家向国防工业及关键民用工 业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2 0 0 8 年8 月份 的上海数控机床展览会和2 0 0 9 年4 月北京国际机床展览会上，也可以看到多 品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题： ( 1 ) 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销； 北京t 、【匕大学t 程硕上学位论义 ( 2 ) 高技术水平、全功能产品主要靠进口； ( 3 ) 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； ( 4 ) 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； ( 5 ) 自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、 合资生产或进口件组装。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和 国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家( 近3 0 0 万台) ，但我 们的机床数控化率仅达到1 9 左右，这与西方工业国家一般能达到2 0 的差 距太大。日本不到8 0 万台的机床却有近1 0 倍于我国的制造能力。数控化率 低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国2 1 世纪制造业必须首先 解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床3 0 0 0 - - 一4 0 0 0 台，日本1 年 产5 万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口7 0 0 0 - - - , 9 0 0 0 台数控机床， 即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家计 委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针，在“九五期 间，机床协会曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达8 1 0 万台，需 投入8 0 - - 1 0 0 亿资金，但得到的经济效益将是投入的5 - - 一1 0 倍以上。因此， 这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。“十 一五 刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6 8 亿元，用于 对1 2 1 8 万台机床的数控化改造。 数控技术经过5 0 年的2 个阶段和6 代的发展： 第l 阶段：硬件数控( n c ) 第1 代：1 9 5 2 年的电子管 第2 代：1 9 5 9 年晶体管分离元件 第3 代：1 9 6 5 年的小规模集成电路 第2 阶段：软件数控( c n c ) 第4 代：1 9 7 0 年的小型计算机 第5 代：1 9 7 4 年的微处理器 第6 代：1 9 9 0 年基于个人p c 机( p c b a s e d ) 3 1 1 4 1 1 2 5 】 第6 代的系统优点主要有： ( 1 ) 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到5 万小时以 上： ( 2 )基于p c 平台，技术进步快，升级换代容易； ( 3 )提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩 展到很宽的领域( 如c a d 、c a m 、c a p p ，连接网卡、声卡、打印机、摄影 机等) ： 第l 苹绪论 ( 4 )对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。 目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本f u n a c 公司，1 年生产 5 万套以上系统，占世界市场约4 0 左右，其次是德国的西门子公司约占1 5 以上，再次是日本三菱、德国海德汉，西班牙发格，意大利菲地亚等。 国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天、北京凯恩帝、北京 凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家 规模都较小，年产都不过几千套。 近年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步： ( 1 ) 高速化 由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速3 0 0 0 - - 一 4 0 0 0r m i n 提高到8 0 0 0 - - - 1 0 0 0 0 r m i n ，铣床和加工中心主轴转速由4 0 0 0 - - 8 0 0 0 r m i n 提高到1 2 0 0 0 r m i n 、2 4 0 0 0 r m i n 、甚至4 0 0 0 0 r m i n 以上快速移动速 度由过去的1 0 - - 一2 0 m m i n 提高到4 8 m m i n 、6 0 m m i n 、1 2 0 m m i n 。在提高速度 的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0 5 g ( 重力 加速度) 提高到1 5 - 一2 g ，最高可达15 g ，直线电机在机床上开始使用，主轴 上大量采用内装式主轴电机。 ( 2 ) 高精度化 数控机床的定位精度己由一般的o 0 1 0 0 2 m m 提高到o 0 0 8 m m 左右，亚 微米级机床达到o 0 0 0 5 m m 左右，纳米级机床达到0 0 0 0 5 m m - 0 o l u m ，最小 分辨率为l n m 的数控系统和机床已有产品。 数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都 可以达到l u m 的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行 自动拐角处理等。 ( 3 ) 复合加工、新结构机床大量出现 如5 轴5 面体复合加工机床，5 轴5 联动加工各类异形零件。也派生出各 新颖的机床结构，包括6 轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械 结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 ( 4 ) 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷钻头 由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效 率。加工钢件切削速度能达1 0 0 0 m m m i n ，加工铝件能达5 0 0 0 m m m i n 。 ( 5 ) 数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不 仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化 利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、 虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然 成为2 1 世纪制造业发展的一个主要潮流【1 6 】【1 8 】。 北京t 业大学t 程硕仁学位论文 1 2 我国数控机床与国外相比存在的差距 我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应 用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，且外方在 许多高新产品的核心技术上具有掌控地位，我们对国外技术的依存度较高， 对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形 成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精度、高速、高效、复 合功能、多轴联动等特点的高性能实用数控机床基本上还得依赖进口。与国 外产品相比，我国的差距主要是机床的高速高效化和精密化上。对高速加工 技术，国外已进行了多年的研究，对高速加工的机理、机床结构、机床刚度 和精度的影响等都有了系统的研究，并开发生产了各种高速铣削中心、高速 加工中心，广泛应用于航空器铝合金零件和模具加工上。 国外滚珠丝杠副驱动的高速加工中心快速进给速度大多在4 0 m m i n 以上， 最高已达到9 0 m m i n ，直线电机驱动的加工中心最高达到1 2 0 m m i n ；而国内加 工中心快速进给大多在3 0 m m i n 左右，个别达到6 0 m m i n ，直线电机驱动的 加工中心也仅试制出样品。国外高速加工中心主轴转速一般都在 1 2 0 0 0 - - 2 5 0 0 0 r m i n ，最高已达到7 0 0 0 0 r m i n ，在结构上都采用适应于高速加工 要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。 据统计，我国大型高性能超精机床每年生产不足千台，仅占国产机床总 量和总价值的1 5 2 5 ，不到德国或日本的1 2 0 。国外卧式加工中心都装有 机床精度及温度补偿系统，加工精度比较稳定，而国内尚在研发中；国# l - ) j i l 工中心定位精度基本上按德国标准v d l 3 4 4 1 验收，行程1 0 0 0 m m 以下，定位 精度可控制在0 0 0 6 珈o l m m 以内，而国内定位精度相对较低。 1 3x h a 7 1 4 数控机床研发的意义 北京第一机床厂是一家专业生产数控铣床和加工中心的大型企业，是我国 数控铣床行业的领军企业，也是我国最早研制开发数控机床的企业，它的发展 代表着我国数控铣床的生产和发展水平。该厂的产品类型含盖从经济型的小型 铣床到大型复合加工中心各个应用层次。 日本三菱电机株式会社的数控系统目前已与f a n u c 、s i e m e n s 一并成为 我国进口高档数控系统的三大主要品牌，已经广泛应用于各类数控机床，包括 车床、铣床、加工中心、专用机床等，占据了国内数控机床配备数控系统很大 比例，成为不可或缺的一部分。 我国的珠三角与长三角两大经济区内积聚了为数众多的民营、私营中小 第1 章绪论 型加工制造业企业，数控机床在这里广泛应用，由于特定的经济发展原因， 配备三菱系统的数控机床倍受这些企业主的青睐，所以配有三菱系统的机床 在这里也占有相当大的市场份额。 鉴于这一原因，北京第一机床厂决定将本厂于1 9 9 8 年开发研制的 x h a 7 1 4 立式数控机床由原来的单一配备西门子系统增加配备三菱系统。 x h a 7 1 4 的机械设计紧凑精致，加工范围适中，非常适合用来进行轻工业产 品的模具加工和中小型零件的加工，所以北京一机床想借此大力开拓这款机 型在两个区域的市场，预期会得到很好的市场效果。 正是在这种背景下，承担了x h a 7 1 4 新机型的电气设计及调试的任务， 以此设计作为论文的课题，论文也是作为对x h a 7 1 4 加工中心电气设计工作 以及从事数控机床电气设计工作十余年之心得的总结。 1 4 课题的研究内容和技术难点 本课题所研究内容主要有如下几个方面： 1 x h a 7 1 4 机床的数控系统和伺服、主轴系统的配置选型。 2 x h a 7 1 4 机床的电气控制原理设计。 3 x h a 7 1 4 机床的控制软件设计。 4 x h a 7 1 4 机床的系统优化调整。 5 数控机床技术的发展趋势的探讨。 其中，电气原理的设计和控制软件设计( p l c 程序编写) 是本课题的关 键任务也是难点所在，只有合理的电气原理和完善的p l c 程序才能使机床的 功能增强和效率提高，从而使机床的整体性能更加卓越。 1 5 本章小结 数控机床在我国的基础工业中发挥着越来越重要的作用，数控机床的更 新换代及改造升级的需求量也越来越大，数控机床的电控系统在很大程度上 决定了一台机床性能好坏，所以机床电气设计就成了机床设计和改造的一个 重要组成部分。 北京 二业大学丁程硕上学位论文 第2 章x h a 7 14 数控机床的电气系统配置设计 2 1 x h a 7 1 4 数控机床介绍 该产品具有承载大，扭矩大等特点，x ，y ，z 三向进给配备滚珠丝杠， 高速主轴，机械机构设计紧凑合理，机械精度高，其性能指标如表2 1 所示。 表2 - 1x h a 7 1 4 的主要性能指标 t a b l e2 - 1x h a 7 1 4i n s p e c t i o n 项目单位 x h a 7 1 4 工作台工作面积：宽：c 长 m m4 0 0 * l1 0 0 承载重量 蚝 5 0 0 x 向( 工作台左右) m m1 2 0 0 行程y 向( 工作台前后) m m1 0 0 0 z 向( 主轴箱上下) m m1 0 0 0 最高转速 m m m i n1 0 0 0 0 主轴锥孔i s o7 ：2 4 n o 5 0 刀柄型号 j t 4 0 最大切削进给速度 m m m i n x ，y ：2 4 0 0 0z ：1 6 0 0 0 进给 最大快速进给速度m m m i nx ，y ：3 0 0 0 0z ：2 0 0 0 0 刀库可配备最大2 4 把刀容量的转盘式刀库 排屑配有可刮板式排屑机 辅助功能 润滑集中润滑系统， 冷却主轴冷却喷头 2 2x h a 7 14 的数控系统配置选型 根据以上的机床结构及性能特点，同时考虑到产品价格定位的因素，最 终确定为该机床选取三菱的e z m o t i o ne 6 8 数控系统( 简称e 6 8 系统) 。 e 6 8 数控系统是日本三菱电机株式会社于2 0 0 6 年针对中国市场采用最新 技术研制开发出的一款经济型高性能的数控系统。该系统内藏强大的6 4b “ c p u ，可以结合新型高增益伺服系统实现出色的速度和精度控制，凭借世界 最高的硬件水平，使其性能超群，确保其高速高效以缩短加工时间。该系统 的性能规格参看表2 2 。 第2 章y d - i a 7 1 4 数控机床的电气系统配置设计 表2 - 2e z m o t i o ne 6 8 系统的功能规格 t a b l e 2 - - 2e z m o t i o ne 6 8s p e c i f i c a t i o n 最大控制轴数 5 最大n c 轴数 4 最大p l c 轴数 2 最大主轴数 2 最大联动轴数 4 最小控制单位 l t i m 内置p l c 能力4 0 0 0s t e p p l c 指令执行速度 2u m s t e p 显示器8 4 彩色l c d 适配电机容量 o 5 3 5k w 最大i o 点数 3 8 4 2 5 6 在考核系统规格和性能指标时，不但纵向和三菱的其他型号系统做了比 较，同时也横向与f a m i c 、s i e m e n s 的产品做了对比，e 6 8 和f a m i c 的 o i m a t e 、s i e m e n s 的8 0 2 d 两款产品基本是在同一档次，但性价比上，e 6 8 更 占一些优势：e 6 8 比8 0 2 d 的功能上略逊一筹，但其价格比8 0 2 d 便宜大约1 0 左右；o i m a t e 虽然比e 6 8 便宜一些，但系统功能上却明显少了很多，尤其是 扩展第四轴这一重要功能，o i m a t e 则属于非标准配置，如需增加第四轴，则 要另外购买一个扩展模块才能追加上第四轴，而e 6 8 的四轴功能则是系统的 标准配置，在系统上无需另购其他部件，只需讲第四轴驱动器通过总线连接 到第三轴驱动器上既可以实现。所以从整体的性价比上来看，三菱e 6 8 系统 是一个不错的选择。 在设计之前已经对所选用数控系统的工作方式有一定的了解，这样也更 有利于对机床电气部分进行设计，从而充分发挥数控系统的功能，达到理想 的设计结果。 三菱e z m o t i o n n ce 6 8c n c 工作方式如图2 - 1 所示。 从图中可以看出，e 6 8 系统由四部分组成：n c 控制器、显示装置、键盘、 i o 单元。n c 控制器是系统的核心部分，它包含一个6 4 位c p u 及内嵌p l c ， 承担了运算、操作显示、与外设通讯、数据存储、逻辑控制等重要任务。其 中内嵌p l c 是n c 系统与外部协调工作的一个重要逻辑控制部分，其通过内 部总线接收n c 的指令或向其传送信息。p l c 将接收的n c 指令通过i 0 对机 床进行控制。机床操作面板接收的机床操作指令通过i o 将控制指令传送至 p l c ，p l c 处理后将指令传送至n c 进行处理。p l c 根据其内部又用户所编 北京t 业大学t 程硕上学位论文 辑的梯形图对机床进行逻辑控制。因此正是通过p l c ，使n c 、伺服系统及机 床等各部分形成一个有机的整体。 e z m o l ；o n6 8 甍 控秉托 n c 控隶曝 叵 围匝卜d 困 卜叫困 p l c 卜爿目 r s 2 5 2 4 2 2 谖备 图2 1 三菱e z m o t i o n n ce 6 8c n c 工作方式框图 f i g 2 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe z m o t i o n - n ce 6 8c n c 2 3 进给伺服系统及主轴伺服系统的配置选型 2 3 1x h a 7 14 进给伺服系统的选择 对于x h a 7 1 4 数控机床来讲要达到高速、精密的切削的要求，就要选用全 数字式交流伺服驱动器和交流伺服电机。根据机床的机械性质和产品价位等 因素决定选择采用三菱s v 5 2 系列伺服驱动器与三菱h c 系列伺服电机组成半 闭环控制方式构成该机床的进给伺服系统。半闭环位置控制系统足以满足机 床其性能需要，而其经济成本又比全闭环位置控制系统大大降低。 伺服电机的选择是根据负载条件来选取的。加在电机轴上的负载主要有 两种：负载转矩和负载惯量。考虑到电机的额定转矩要大于两倍的负载转矩； 额定惯量要大于负载转矩的：5 ；另外还要判断电机带上负载后的加减速时间 是否符合要求。 通过前期调研，已经确定下来的机械和电气指标如表2 3 ，通过这些指标 的要求来计算和选择电机。 第2 章x h a 7 1 4 数控机床的电气系统配置设计 表2 - 3 各轴的机械规格 f i g 2 3t h es p e c i f i c a t i o no fa x i s 规格项目单位x 轴 y 轴 z 轴 轴种类直线直线直线 移动方向水平水平垂直 工作支撑形式滚动滚动滚动 工作台移动摩擦系数 552 滚珠丝杠半径 m m4 04 04 0 滚珠丝杠长度 m m1 2 0 01 0 0 01 0 0 0 滚珠丝杠螺距 m m1 01 01 0 减速比 ll2 3 初级齿轮惯量 k g c m 2 1 6 次级齿轮惯量k g c m 2 8 1 联轴节惯量 k g c m 2 22 工作台重量 埏 5 0 05 0 0 4 0 0 工件重量 埏 1 0 01 0 01 0 快速移动速度 m m m i n3 0 0 0 03 0 0 0 02 0 0 0 0 目标加减速时间 m s1 2 01 2 01 0 0 下面以z 轴为例说明电机选择的的计算步骤。z 轴结构如图2 - 2 。 次 8 减速比= 2 1 3 图2 - 2 z 轴的构成 f i g 2 2t h ef r a m eo fza x i s 9 艳 北京t 业大学- e 程硕士学位论文 1 对电机额定转速的选择 电机额定转速的选择可根据公式( 2 1 ) 确定： ：旦( 2 1 ) b i 式中n 一电机额定转速( r m i n ) v - 一最大进给速度( m m m i n ) b 丝杠螺距( 舢n ) i 础动比 代人实际数值，求得： ：旦：兰q q q q ：3 0 0 0 b f1 0 x 2 3 所以电机的额定转速至少要3 0 0 0 r m i n 。 考虑到机床的控制精度，电机系列应为h c 系列电机，根据以上计算结果， 电机最高转速需要在3 0 0 0 r m i n 以上，而且需要带电机制动，因此选定的电 机被限定在h c 系列里的3 0 0 0 转电机，即h c n 3 b 的规格，其中的b 代表具有 抱闸。 2 根据惯量对电机进行判断选择 换算到电机轴上的负载惯量分为旋转负载惯量和直线移动负载分别进行 计算。并且将旋转负载分为初级和次级负载计算。 ( 1 ) 初级旋转负载惯量j r l ，即初级齿轮惯量 j r l = 1 6 ( k g c m 2 ) ( 2 ) 次级旋转负载惯量j p o ，即滚珠丝杠惯量j b 和次级齿轮惯量j c 之和。 滚珠丝杆一般以铁质圆柱的形式来计算，其计算惯量的公式如式( 2 2 ) 。 j b = 筹( d 1 4 - d 2 4 ) = i w ( d 1 4 - d 2 4 ) ( 2 _ 2 ) j z6 式中j b 负载惯量( k g c m 2 ) p 圆柱材料的密度( k g c m 3 ) l 圆柱长度( c m ) d 1 圆柱外径( c m ) d 2 圆柱内径( c m ) w 圆柱重量( k g ) 代入数值： j r ：= j n + j c = 警d 4 + 8 1 = 盟学4 4 + s - - 2 7 7 ( k g c m 2 ) 第2 章x h a 7 1 4 数控机床的电气系统配置设计 ( 3 ) 总旋转负载惯量j r 求出初级负载惯量和次级负载惯量的和。要将次级负载惯量换算成电机 轴( 初级侧) ，需要乘以减速比的乘方。 厶= 厶l + ( 导) 2 以2 = 1 6 + i 4 2 7 7 = 1 3 9 ( k g c m 2 ) ( 4 ) 直线移动负载惯量j t 计算标准工件和刀具等贴在一起的惯量。根据减速比换算成电机轴，包 括在电机每次旋转的移动量中。直线移动负载惯量的计算参照公式( 2 3 ) 。 厶川嘉静2 川篆) 2 ( 2 _ 3 ) 式中j t _ 一负载惯量( k g c m 2 ) w 一直线运动物体的重量( k g ) n 一电机转速( r m i n ) v 直线运动物体的速度( m m m i n ) s 电机每次旋转的物体的移动量( m m ) 代入数值： 扣叭篆) 2 ( 4 0 0 + 1 0 ) ( 罴) 2 - 4 6 ( k g c m 2 ) ( 5 ) 总负载惯量j l 为总旋转负载惯量和直线移动负载惯量之和。 j l = j r + j t = 1 3 9 + 4 6 = 1 8 5 ( k g c m 2 ) 从负载惯量的成分可以看出，虽然直线移动的重量很大，但惯量一般是 由旋转负载产生的。即使工件重量在工作台轴上发生很大变化，其负载惯量 也没有多大变化。 ( 6 ) 根据负载惯量比选定合适的电机 对于h c 5 3 b h c l 5 3 b 的所有电机，负载惯量应为电机惯量的5 倍以内。通 过电机惯量和前边计算的负载惯量可以判断出电机是否满足要求，如表2 4 。 表2 4 电机的惯量选择 t a b l e2 - 4m o t o rs e l e c t i o nb yi n e r t i a 电机惯量负载惯量 电机型号负载惯量倍数 判定 ( k g c m 2 )( k g c m 2 ) h c 5 3 b8 61 8 52 1 5 满足 h c l 0 3 b1 5 718 51 1 8 满足 h c l 5 3 b2 2 01 8 50 8 4满足 3 根据转矩对电机进行判断选择 北京t 业大学工程硕上学位论文 ( 1 ) 求非平衡转矩t u 不平衡转矩的计算如式( 2 4 ) 乃= 高筹c 争掣 c 2 4 ) 式中w 1 负载重量( 埏) w 2 配重的重量( k g ) ”驱动系统效率 旷一重力加速度= 9 8 ( m s 2 ) v 直线运动物体的速度( m m m i n ) n 一电机转速( r m i n ) s 电机旋转1 周的物体移动量( m m ) i i 摩擦系数 此处的驱动系统效率为1 ，代入数值求的： 正，：亟兰掣：丝生婴型：4 3 ( n m ) ，= 一= 一= 4 l 、l t n l 。 2 1 0 刀7 7 2 x 1 0 万l 3 、7 ( 2 ) 求摩擦转矩t f 根据移动物体的重量和摩擦系数计算摩擦转矩。摩擦转矩的计算如式( 2 - - 5 ) 巧= 志，c 争丽f a s ( 2 5 ) 其中f = 疋+ ( 形g + r ) 式中 t 卜一摩擦转矩( n m ) f - 一直线运动机床的轴向力 驱动系统的效率 v 直线运动物体的速度( m m m i n ) n 一电机转速( r m i n ) s 电机每旋转的物体的移动量( m m ) f 。活动部分在轴向的力( n ) f 卜工作台在引导面的紧固力 w 一活动部分的总重量( k g ) g 重力加速度- - 9 8 ( m s e c 2 ) 第2 章x i - i a 7 1 4 数控机床的电气系统配置设计 i 卜一摩擦系数 代入数值求得： 耳：掣：型掣：业坐骂坐型：0 0 9 ( n m ) ，一= 一= 一= 一= m - 2 1 0 3 刀。卵2 1 0 刀刀 2 x 1 0 3 万x 1 3 7 ( 3 ) 求总负载转矩t l 总负载转矩为不平衡转矩和摩擦转矩之，如式( 2 6 ) 瓦= 巧+ 耳 ( 2 - 6 ) 式中t i 总负载转矩 t u 不平衡转矩 t r 一摩擦转矩 代入数值求得： 死= 乃+ 巧= 4 3 + 0 0 9 = 4 0 9 ( n m ) ( 4 ) 根据负载转矩选定合适的电机：电机转矩要大于2 倍负载转矩，依 此作出电机选择判断，如表2 5 。 表2 - 5 电机的转矩选择 t a b l e2 - 5m o t o rs e l e c t i o nb yt o r q u e 电机型号 最大扭矩f n - m ) 判定 h c 5 3 b7 8 2 不满足 h c l 0 3 b1 6 7 满足 h c l 5 3 b 2 8 4满足 4 根据短时间特性( 加减速时间常数) 对电机进行判断选择 线性加减速时间的计算公式如式( 2 7 ) 计算判断是否满足要求加减速 时间长度。 f 。： 堕血! 兰型 ( 2 4 9 5 5 ( 0 8 瓦倒一瓦) 一7 ) 式中n 一电机到达速度( r m i n ) j l 电机轴换算负载惯量( k g c m 2 ) j 犷一电机惯量( k g c m 2 ) t m a ) r 电机最大扭矩( n m ) 北京t 业大学t 程硕士学位论文 t i 电机轴换算负载( 摩擦，非平衡) 扭矩( n m ) 根据公式分别计算出各电机的加减速时间： h c 5 3 b 电机： f ： 丝血! 兰型 。9 5 5 ( o 8 乃脚一乃一巧) ：坚! 塑兰! q q q ：3 2 0 弘m ，s e c l = 一= 1 is e ! - 9 5 5 ( 0 8 8 8 2 4 3 0 0 9 ) h c l 0 3 b 电机： 卜 丝盘2 兰型 “9 5 5 ( 0 8 正脚一乃一乃) ：坚! ! 婴兰! q q q ：1 1 9 肌m 邶e c ) = 一= ，i r p ! i 9 5 5 ( 0 8 1 6 7 4 3 0 0 9 ) h c l 5 3 b 电初： f ： 丝丘! 兰型 。 9 5 5 ( 0 8 瓦刎一巧一巧) = 菇聂( 1 丽8 5 蕊+ 2 而2 0 二) x3 而0 0 0 = 6 9 4 1 4 1 9 55 82 84 430 ( 聊s e c ) = 一，l k f j 二- ( 0 一一0 9 ) 、7 根据以上的计算结果和电机的扭矩参数，做出判断如表2 - 6 。 表2 - 6 电机加减速时间的选择 t a b l e2 - 6m o t o rs e l e c t i o nb ya c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o nt i m e 最大扭矩电机惯量加减速时间 电机型号判定 州m )( k g c m 2 ) ( m s ) h c 5 3 b8 8 28 63 2 0 5 不满足 h c l 0 3 b1 6 71 5 71 1 9 9 满足 h c l 5 3 b2 8 42 2 06 9 4满足 5 根据连续特性对电机进行判断选择 一般是根据典型的连续运转模式，图2 3 和公式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 来进行判 断连续特性。 z 。l $ = 乙0 8 乇 1 4 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第2 章x h a 7 1 4 数控机床的电气系统配置设计 式中t r m 。连续有效转矩 t r - - - - - 电机额定转矩。 电机 速发 。 电机 转矩 o 一 t i 曰 l i 2 t 4 l - 一 t 3髓n 时闻 t 5 l l 惶 饬 铒岱蝤 t ：7 托 ，1r 蕾 图2 - 3 电机连续运转模式 f i g 2 - 3c o n t i n u o u so p e r a t i o np a t t e m 但由于这里z 轴是垂直轴，因此根据向上停止时的停止中扭矩进行判断。 非平衡轴停止中的扭矩最好是失速转矩( 通用电机为额定转矩) 的5 0 以下。 根据这一判断标准对电机进行判定如表2 7 。 表2 7 电机连续特性的选择 t a b l e2 - 7m o t o rs e l e c t i o nb yc o n t i n u o u sc h a r a c t e r i s t i c s 停止中扭矩 电机型号 失速扭矩f n m )负载率( ) 判定 t u + t f (