数控车床电气控制系统设计.doc

iii数控车床电气控制系统设计摘 要数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，近年来，plc在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着plc技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。关键词：数控机床，电气控制系统，控制软件总体结构设计，机电一体化，机电传动，电子技术，传感器技术，数控加工，cad/cam技术，电力电子技术，机械设计原理，电气控制系统，plccnc lathe electrical control system designabstractnumerical control technology which related to the level of national strategy position and the status of national comprehensive national strength level is the basis of automation in mechanical processing and the core of cnc machine tools technology. in recent years, plc has increasingly wide application in industrial automatic control field, which appearing on the aspects of integrated advantage is incomparable to other industrial products in the control of its performance, group machine cycle and the cost of hardware. with the development of plc technology, it has a more and more application in position control, process control, data processing and other aspects. in order to improve the machining accuracy in the machine tools of actual design and production process, the choice of positioning control device is particularly important. the control system which the hardware and software design for industrial and mining enterprises related to cnc machine tools design reference have performance advantages in program design of clear thinking, hardware circuit simple and practical, high reliability, strong anti interference capability and suitable price performance ratio.key words:cnc machine tools，the electrical control system, control software and the overall structural design, mechatronics, electromechanical drive, electronic technology, sensor technology, cnc machining, cad / cam technology. power electronics, mechanical design principle, electrical control system, plc目 录摘 要iabstractii1 绪论11.1 当前数控车床的发展现状11.2 数控机床电气系统要求21.3 本文设计内容32 西门子802c数控车床系统52.1 西门子802c的系统52.2 人机界面62.3 步进进给系统72.4 主轴驱动系统72.5 刀架控制系统72.6 电柜设计及电源选用82.6.1 在设计电柜时应注意以下事项：82.6.2 24vdc电源选用82.7 数控系统各部分的连接及接口92.7.1 系统的接线92.7.2 接口布置92.7.3 接口连接92.7.4 802c与simddrive base line驱动器的连接123 进给伺服驱动电气控制系统设计153.1 数控机床对进给伺服系统的要求153.2 进给伺服驱动机构选择163.3 进给控制驱动系统设计184 主轴电气控制系统设计204.1 数控机床对主轴驱动系统的要求204.2 数控车床主轴电气系统设计214.3 变频器的选用214.3.1 设备的选型方法214.3.2 变频器控制原理图设计224.4 基于变频器的主轴控制方案235 刀架电气控制系统设计255.1 自动回转刀架的结构及其工作原理255.1.1 刀架的几种典型结构255.1.2 四工位刀架的组成265.2 四工位刀架控制电路的组成276 参数设置296.1 plc参数设置296.2 机床参数设置297 plc控制功能的设计317.1 plc的基本结构及工作原理317.2 plc与cnc机床的联接方式327.3 cnc加工代码在plc上的实现方法337.3.1 t功能代码的实现方法337.3.2 m功能代码实现方法337.4 plc程序的模块化设计337.4.1 模块的划分337.5 plc输入输出地址分配348 结论36致 谢37参 考 文 献38附 录3947数控车床电气控制系统设计1 绪论1.1 当前数控车床的发展现状当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精度、高效率、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。任何事物都有其特点与发展条件，人们掌握后才能加速其发展。数控机床是由主机、各种元部件(功能部件)和数控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能确保数控机床工作的精度、效率和自动化，否则，难以在生产实际中使用。数控车床利用数字化的信息对车床运动及加工过程进行控制，是一种可编程的通用加工设备，能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，所以特别适合加工形状复杂的轴类和盘套类零件。与通用机床和专用机床相比，数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，是一种柔性的、高性能的自动化车床，代表了现代控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品，因此被广泛应用于机械制造业。数控车床是以数字化的信息实现车床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，车床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具设计有机地结合在一起，具有典型性和实用性的特点。将预先编排的加工信息代码记录在计算机中，经过处理，转换为控制指令，发送给数控车床，完成零件的自动加工过程。数控车床与普通车床相比，其主要有以下的优点：(1)适应性强适合加工批量的复杂工件，针对不同的加工零件，编制相应的加工程序，实现零件自动加工。(2)加工精度高进给系统中采用的滚珠丝杆、滚动导轨等先进技术，具有间隙小、运动精度高、50种以上的进给速度的特点，适合加工表面粗糙度较高的机械零件。(3)生产效率高数控车床是自动化程度较高的车床，整个加工过程无需认为参与，节省了工装时间，减轻劳动强度，改善劳动条件，具有良好的经济效益，有利于现代化生产管理。1.2 数控机床电气系统要求数控机床电气系统包括交流主电路、机床辅助功能控制电路和电子控制电路，一般将前者称为强电，后两者称为弱电。强电是24v以上供电，以电气元件、电力电子功率器件为主组成的电路;弱电是24v以下供电，以半导体器件、集成电路为主组成的控制系统电路。数控机床的主要故障是电气系统的故障，电气系统故障又以机床本体上的低压电器故障为主。数控机床对电气系统的基本要求：(1)高可靠性数控机床是长时间连续运转的设备，本身要具有高可靠性。因此，在电气系统的设计和部件的选用上普遍应用了可靠性技术、容错技术及冗余技术。所有部件选用的是最成熟的，而且符合有关国际标准并取得授权认证的新型产品。(2)紧跟新技术的发展在保证可靠性的基础上，电气系统还要具有先进性，如新型组合功能电气元件的使用、新型电子电器及电力电子功率器件的使用等。(3)稳定性要在电气系统中采取一系列技术措施，使其造应较广泛的环境条件，如要能适应交流供电系统电压的波动，对电网系统内的噪声干扰有一定的抑制作用，同时还应符合电磁兼容的国家标准要求，系统内部既不相互干扰，还能抵抗外部干扰，也不向外部辐射破坏性干扰等。(4)安全性电气系统的连锁要有效;电气装置的绝缘要保证完好，防护要齐全，接地要牢靠，以使操作人员的安全有保证；电气部件的防护外壳要具有防尘、防水、防油污的功能；电柜的封闭性要好，能防止外部的液体溅人电柜内部，防止切屑、导电尘埃的进入；电柜内的所有元件在正常供电电压下工作时不应出现被击穿的现象，并且应有预防雷电袭击的功能；经常移动的电缆要有护套或拖链防护，防止缆线磨断或短路而造成系统故障；要有抑制内部部件异常温升的措施，特别是在夏季，要有强迫风冷或制冷器冷却；要有防触电、防碰伤设施。(5)方便的可维护性易损部件要便于更换或替换。保护元器件的保护动作要灵敏，但也不能有误动作。一旦故障排除后，功能要能恢复。(6)良好的控制特性所有被控制的电动机起动要平稳、响应快速、特性硬、无冲击、无震动、无振荡、无异常数控机床电气检修噪声、无异常温升。(7)运行状态明显的信息显示电气系统要用指示灯做操作显示，电气元件要有状态指示、故障指示，有明显的安全操作标识。(8)操作的宜人性电气系统要体现人性化设计，如操作部位应与人体平均高度、距离相适应，体现操作方便、舒适、便于观察的特点，尤其是要能随时摸得到急停按钮，保证紧急情况下的快速操作动作;机床电器颜色不仅要符合标准，还要美观、明显。1.3 本文设计内容目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，采用伺服电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。本设计主要实现以下内容：(1)机床控制系统开发技术方案的制定技术。(2)数控系统选型在进行数控系统选型时，一般应遵从性价比高、综合成本低，这两个主要的原则，在这两个原则的指导下对众多的数控系统进行比较，选择最合适的数控系统。(a)性价比高的原则一般在选择数控系统时，应考虑数控系统的先进性，不要选那些已经或将要被淘汰的产品，这样用不了多长时间又要进行更新，而要尽量选择先进的、能代表当前主流技术的产品。先进的产品代表更加强大的功能，但并不是越先进的越好，随着性能的提高，其价格必然越贵，但是在实际应用中，众多强大的功能是否必要，要视使用情况而定。不要一味追求高性能而增加投入，应该在选择性能优良产品的同时，考虑价格因素，对产品的性能价格比进行比较，在同样能满足技术要求的情况下，选择价格低的产品。(b)综合成本低的原则所谓综合成本，是指除产品本身的价值外，其配套的配件采购、维修成本，因故障停机导致的时间成本，以及寿命周期等等。在进行数控系统选型时，要充分考虑以上因素，选择故障率低、配件价格低、售后服务及时、寿命周期长的产品。综合上述原因并为了配合s7200的使用本次改造选用了sinumerik 802c系统。sinumerik 802c将所有cnc、hmi和通讯任务集成于一个单一的部件。免维护的硬件集成了profibus接口用于连接伺服驱动和i/o模块，并具有速装结构的超薄操作面板。sinumerik 802c可控制最多4个数字进给轴和1个主轴。802c配备simodrive 611ue和带编码器的1fk7伺服电机作为进给驱动系统。simodrive 611ue具有模块化设计和profibus接口。因而，各轴驱动的功率模块独立配置。另外，主轴也可以通过模拟接口控制，这种通用的方案也适用于简易型机床。simatic s7-200的指令集可直接适用于机床。在sinumerik上不仅可以进行工件编程，而且还可以使用非西门子的g代码。本系统控制电路采用了高速微处理器，超大规模定制型集成电路芯片，多层印刷电路板，从而极大地提高了系统的可靠性；在控制面板上，将cnc操作面板与机床操作面板集成为一体，极大地简化了联机。具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。 (3)外围电路的设计方法；数控机床主轴驱动方式；数控车床转塔控制方法。(4)可编程控制器在数控机床中的应用；实现数控机床典型逻辑动作的plc编程技术；系统开发过程中plc调试技术。(5)系统初始化参数设置技术；系统开发调试验收技术。2 西门子802c数控车床系统西门子802c数控车床系统由西门子802c数控系统、步进进给系统、主轴驱动系统、刀架等组成。2.1 西门子802c的系统sinumerik802数控系统是西门子公司开发的数控系统，用于数控车床、数控铣床、加工中心、数控磨床等。该系统分为802s、802c、802d三种类型，其中sinumerl802s采用步进电动机驱动系统，同时具备一个10v模拟接口用于连接主轴驱动；sinumerl802c采用模拟伺服驱动系统，采用标准的10v模拟接口，可直接带动模拟驱动；sinumerl802c采用数字进给驱动电动机和数字主轴电动机，最多可控制4个数字进给轴和一个主轴。siemens 802s配op020独立操作面板与mcp机床操作面板，显示器为7in或5.7in单色液晶显示。集成内置式plc最大可以控制64点输入与64点输出，plc的i/o模块与ecu间通过总线连接；系统体积小，结构紧凑，性能价格比高。数控系统与外部模块的连接，见图2-1。图2-1 系统结构图2.2 人机界面数控系统的人机界面由显示器、操作面板、机床控制面板组成，见图2-2。图2-2 系统操作面板编程和机床控制动作的按键以及8英寸lcd显示器，同时还提供12个带有led的用户自定义键。工作方式选择(6种)，进给速度修调，主轴速度修调，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作。 2.3 步进进给系统步进进给系统采用的是（stepdrive c），是单轴型控制器，控制五相步进电机。步进电机的步距角为0.36度。驱动接口采用25芯d型插座。每个驱动器接受三个信号，一个为脉冲信号，一个为方向信号，一个为使能信号。发出的脉冲控制电机运行，每个上升沿使电机向前走一步，脉冲数决定电机转角，脉冲频率决定电机的转速。2.4 主轴驱动系统主轴驱动系统采用的是siemens 611u，是目前siemens常用的交流数字式伺服驱动系统，其基本结构与611a相似，采用模块化安装方式，主轴与各伺服驱动单元共用电源。用于进给驱动的伺服驱动模块有单轴与双轴两种结构型式，带有profibus dp总线接口。驱动器内部带有feprom(non-volatile data memory，非易失可擦写存储器)，用于存储系统软件与用户数据，驱动器的调整、动态优化可以在w1ndows环境下，通过simocomu软件自动进行，安装、调整十分方便。驱动器由整流电抗器(或伺服变压器)、电源模块(ne module)、功率模块(power module)、611控制模块等组成：电源模块自成单元，功率模块、611控制模块、profibus dp总线接口模块组成轴驱动单元。各驱动器单元间共用611直流母线与控制总线，并通过profibus dp总线，与siemens 802c/810d/840s系统相连接，组成数控机床的伺服驱动系统。2.5 刀架控制系统刀架是经济型的四方位简易刀架，它的机械结构简单，调试和使用方便，结构如图2-3所示。其功能为：有四个刀位，能装夹四把不同的功能刀具，方刀架回转90时，刀具变换一个位置，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。 图2-3 四工位转位刀架2.6 电柜设计及电源选用2.6.1 在设计电柜时应注意以下事项：(1)电柜应有冷却或通风装置，在使用风扇时必须在进气窗口安装防尘过滤网；(2)电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上；(3)电柜的防护等级为ip54；(4)接地应遵守国标gbt52261-2002iec60204-1：2000“机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件；(5)电柜中布线时，交流电源线(如85vac，220vac，380vac以及变频器到主轴电机的电缆)必须与24vdc电缆和信号线电缆分开走线；(6)系统直流稳压电源24vdc之前需接入隔离变压器(控制变压器380vac一220vac，jbk3400va)。步进驱动85vac必须采用独立的隔离变压器(驱动变压器380vac 85vac，jbk3系列)。两个变压器的初级不可以接入到380vac的同一相。(7)现场没有良好接地的情况下，控制变压器必须为浮地设计，但此时任何与cnc控制器连接的外设(如pc等)，其220vac电源必须连接到控制变压器。2.6.2 24vdc电源选用cnc控制器采用24v直流供电，系统可在24v一15至j+20之间正常工作。直流电源的质量是系统稳定运行的关键，所以在选择电源时，其输出波形应如图4所示。24v直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性(按照iec204-1，条款64，pelv)。因此我们选用西门子配套的24v直流稳压电源。数字输入和输出所需的24vdc用独立的24v直流电源，而不能与cnc控制器共用同一个24vdc稳压电源。所有输入信号必须为电平信号，即“0”电平一3v5voc和“1”电平11v30vdc。悬空和高阻信号均为“0”电平。2.7 数控系统各部分的连接及接口2.7.1 系统的接线sinumerik 802c base line控制器与伺服驱动电机的连接。连接电缆必须使用屏蔽电缆。在系统一侧，电缆内屏蔽层必须与插头中的金属壳相连，为了使模拟量的指令值信号免受低频信号的干扰，驱动一侧的屏蔽不能接地。2.7.2 接口布置(1)cnc部分(a)x1电源接口（dc24v）：3芯螺钉端子块，用于连接24v负载电源。(b)x2 rs232接口（v24）：9芯d型插座。(c)x3到x5测量系统接口（encoder）：3个15芯d型插头，用于连接增量型编码器（rs422）。(d)x6主轴接口（encoder）：15芯d型插座，用于连接一个主轴式增量编码器。(e)x7驱动接口（axis）：50芯d型插座，用于连接具有包括主轴在内最好4个模拟驱动的功率模块。(f)x10手轮接口（mpg）:10芯插头，用于连接手轮。(g)x20数字输入（di）：10芯插头，用于连接nc-ready继电器。(2)di/o部分(a)x100到x105：10芯插头，用于连接数字输入。(b)x200到x201: 10芯插头，用于连接数字输出。(3)调试开关s3。(4)保险丝f1,外部设计可以是用户方便的更换。2.7.3 接口连接(1)进给驱动的连接(x7),采用50芯d型插座（针）插座x7引脚如表2-1所示。表2-1 插座x7引脚x7引脚信号类型引脚信号类型引脚信号类型1a01ao18n.c.34agnd1ao2agnd2ao19n.c.35ao2ao3a03ao20n.c.36agnd3ao4agnd4ao21n.c.37ao4ao5n.c.22mvo38n.c.6n.c.23mvo39n.c.7n.c.24mvo40n.c.8n.c.25mvo41n.c.9n.c.26n.c.42n.c.10n.c.27n.c.43n.c.11n.c.28n.c.44n.c.12n.c.29n.c.45n.c.13n.c.30n.c.46n.c.14se1.1k31n.c.47se1.2k15se2.1k32n.c.48se2.2k16se3.1k33n.c.49se3.2k17se4.1k50se4.2k(2)测量系统的连接（x3x6），采用15芯d型插座，插座x3x6引脚如表2-2所示。表2-2 x3x6引脚x3x6引脚信号型号引脚信号型号1n.c.9mvo2n.c.10zi3n.c.11z_ni4p5_msvo12b_ni5n.c.13bi6p5_msvo14a_ni7mvo15ai8n.c.信号名称a,a_na相信号b,b_nb相信号z,z_n零脉冲信号p5_ms电源+5.2vm电源接地信号电平rs422信号类型vo电压输出（电源）i5v输入（5v信号）(3)数字输出端的连接（x200x201）,采用10芯接线端子，插座x200x201引脚如表2-3所示。表2-3 插座x200x201引脚x200引脚信号类型1ip24vi2do0/cwo3do1/ccwo4do2o5do3o6do4o7do5o8do6o9do7o10mvix201引脚信号类型12p24vi2do8o3do9o4do10o5do11o6do12o7do13o8do14o9do15o10mvi信号说明do0.do15数字输出0.15，最大电流500mado0/cw数字输出0/单级主轴，顺时针方向，最大电流500mado1/ccw数字输出1/单级主轴，逆时针方向，最大电流500ma1p24，m数字输出0.7供电2p24，m数字输出8.15供电信号类型vi电压输入(4)cnc电源，cnc所需的24vdc负载电源接到接线端子x1上。24v直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性。表2-4 负载电源电气参数参数最小值最大值单位条件电压平均值20.428.8v波动性3.6vss非周期性过压35v500ms持续时间50s恢复时间额定消耗电流1.5a启动电流4a表2-5 接线端子x1端子分配端子1pepe2m接地3p24dc24v2.7.4 802c与simddrive base line驱动器的连接(1)802c的进给驱动和主轴的连接接口x7，与simddrive base line驱动器速度给定值接口x321/322以差分形式连接到该接口的端子56和端子14上，端子定义如表2-6所示。表2-6 端子定义端子名称功能类型电压（v）导线截面积max.( mm)56x321/322速度设定点，差分输入输入端0101.514x321/322速度设定点，差分输入输入端0101.5(2)802c的测量系统连接接口x3x6，与simddrive base line驱动器位置反馈值接口x391/x392连接，x391/x392的引脚分配如表2-7所示。表2-7 x391/x392的引脚分配信号类型伺服一侧引脚数控一侧引脚m基准位211ars422a31a_invrs422a49brs422a610b_invrs422a73rrs422a124r_invrs422a1312readyhcmos！1ncer_iklhcmos！9ncer_tnlhcmos！10ncen_wsghcmos！11nc(3)802c的数字输入端接口x100x105的i 1.0、i 1.1端子,与se1se4接口连接。(4)802c的数字输出端接口x200x201的q 1.0,q 1.1端子，与simddrive base line驱动器的使能接口x331/x332的端子633和端子65.1连接，脉冲使能和控制器使能分别通过接口x331和x332接入接入，x331/x332的端子定义如表2-8所示。表2-8 x331/x332的端子定义端子名称功能类型电压（v）导线截面积max.( mm)633x331脉冲使能输入端+21-301.565.1x332控制器使能输入端+13-301.5 (5)simddrive base line驱动器的使能接口x331/x332的端子633和端子65.1，分别与使能端子排x141a的端子64和端子63连接，x141a的端子定义如表2-9所示。表2-9 x141a的端子定义端子名称功能类型电压（v）导线截面积max.( mm)63x141a脉冲使能输入端+13-301.564x141a控制使能输入端+13-301.5 (6)编码器与simddrive base line驱动器的编码器（旋转变压器）接口x311/x312连接，x311/x312的引脚分配如表2-10所示。表2-10 x311/x312的引脚分配信号伺服一侧引脚电机一侧引脚sin_plus31sin_minus42m5,8,24-cos_plus611cos_minus712res_pos910res_neg117temp_plus138temp_minus259(7)simddrive base line驱动器的电子电源地接口x131，必须使用一根截面积4mm的接地线连接到数控系统的接地点。3 进给伺服驱动电气控制系统设计伺服系统亦称随动系统,是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作,从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。数控机床的进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量,接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令,经过一定的信号转变及电压、功率放大、检测反馈,最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。3.1 数控机床对进给伺服系统的要求数控机床的进给伺服系统是数控装置和机床运动部件的联系环节,其性能很大程度上决定了数控机床的性能,研究与开发性能优良的进给伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。数控机床进给伺服系统的分类方法有多种。按控制类型可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按用电类型分为直流伺服系统和交流伺服系统；按反馈比较控制方式可分为脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统以及全数字伺服系统。伺服系统是cnc装置和机床的联系环节。cnc装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，它是以机械为运动的驱动设备,电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。它属于特殊电动机，也叫执行电机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服驱动系统的性能对数控机床的性能在很大程度上有决定性的作用，所以对伺服驱动系统的要求也比较高，主要有：（1）进给调速范围要宽。在各种数控机床中，用于加工用刀量、被加工材料及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳的切削条件，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围；（2）位置精度高。数控机床在加工时免除了操作者的人为误差，它是按预定的程序自动进行加工的，不可能应付事先没有预料到的情况；（3）速度响应要快。即要求跟踪指令信号的响应要快，过度时间要快；（4）低速大转距。根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转距输出。进给伺服系统的高性能在很大程度上决定了数控机床的高效率、高精度。因此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求。（1）精度要高为了满足数控加工精度的要求,关键是保证数控机床的定位精度和位移精度。（2）稳定性好进给系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后,系统能够恢复到原来的稳定状态下运行,或者系统在输入的指令信号作用下,系统能够达到新的稳定状态的能力。（3）快速响应无超调快速响应性是衡量伺服系统动态性能的一项重要性能指标,它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削精度和低的加工表面粗糙度,要求有良好的快速响应特性。（4）调速范围宽调速范围是指机械装置要求电动机等提供的最高转速和最低转速之比。数控加工过程中,为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围和优异的调速特性。3.2 进给伺服驱动机构选择早期多采用电液伺服驱动方式，其伺服执行元件采用液压元件，前级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸。常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。电液伺服驱动机构在低转速下可以输出很大的力矩，并具有刚性好、反应快和速度平稳等优点。但电液伺服驱动机构需要油箱、油管等供油系统，存在体积大、噪声大和油污染等问题，从20世纪70年代起逐渐被电气伺服机构所代替，只在具有特殊要求的场合才被采用。电气伺服驱动机构全部采用电子器件和电机部件，操作和维护方便、可靠性高、噪声小、无污染，早期的电气伺服驱动机构，在低转速输出力矩和反应速度方面明显比不上电液伺服驱动机构，通过对电动机结构和电动机驱动线路的不断改进，这方面的性能已经大大改善。现在的数控系统几乎全部采用全电气伺服驱动机构。根据所配电动机不同，分为步进伺服驱动系统、直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统三大类。本设计采用步进伺服驱动系统配合步进电动机。步进电动机（step motor），是一种用电脉冲信号控制，可将电脉冲信号按正比关系转换为角位移的执行器。步进电动机的转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环控制结构。也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元件，构成了反馈补偿型的驱动控制结构。用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类，即反应式步进电动机和混合式步进电动机，反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。 同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也是不同的。采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式减少一半。实际使用中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电容易造成失步。此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。通常将它改成双三拍通电方式，即按abbccaab的通电顺序运行，这时每个通电状态均为两相绕组同时通电。在双三拍通电方式下步进电动机的转子位置与单、双六拍通电方式时两个绕组同时通电的情况相同。所以步进电动机按双三拍通电方式运行时，它的步距角和单三拍通电方式相同，也是30。合理选用步进电动机对开环伺服控制系统相当重要。通常希望步进电动机的输出转矩大，起动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此，在实际选用时必须综合考虑。首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。另外，负载转矩也将引起步进电动机的定位误差。通常应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。本设计选用混合式步进电机type 110 byg 550a-2。步进电动机工作方式：步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，它是采用脉冲控制方式工作的。只有按定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电动机有三相、四相、五相和六相等。工作方式有单m拍，双m拍、三m拍及2m拍等，m是电动机的相数。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为m；双m拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为m；三m拍是每拍有三相通电，循环拍数为m拍；2m拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电，通常为12相通电或23相通电，循环拍数为2m，步进电动机相数越多，工作方式也越多。若按相反的顺序通电，则电动机反转。 步进电机的驱动原理图如图3-1所示：图3-1 步进电机控制电路原理框图其中脉冲分配采用软件实现。利用查表或计算来进行脉冲的环形分配，简称软环分。可将状态代码01h、03h、02h、06h、04h、05h列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正、反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补次的时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。3.3 进给控制驱动系统设计本设计采用的步进驱动器和步进电机，是细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型任何两相或四机混合式步进电机。电流控制采用先进的双极性等角度恒力矩技术，每秒两万次的斩波频率。在驱动器的侧边装有一排拨码开关组，可以用来选择细分精度，以及设置动态工作电流和表态工作电流。type 110 byg 550a-2是混合式步进电机，步进电机步进角为0.36度/0.72度，静转矩6n*m，额定相电流1.3a。步进电机为x、z轴电机，用来控制x、z轴的正向进给和反向进给，ka10用来执行控制电机的正反转，接电机绕组a-和c-，b-和d-短接后，再a接驱动的a，c接驱动的a-，b接驱动的b，d接驱动的b-。步进电机的控制号由cnc的xs30端输入，电源信号由+v1和gnd端输入。步进驱动器其实是一个步进电机配合使用，来控制机床工作台x轴移动的一个系统。步进电动机是一种将电信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，也称脉冲马达。步进电动机是一种特殊的电动机，其跟随步进驱动系统给定的输入脉冲按节拍一步一步的转动。对步进电动机施加一个电脉冲信号时，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步转过的角度叫步距角。步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。图3-2 步进驱动单元框框图4 主轴电气控制系统设计主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。4.1 数控机床对主轴驱动系统的要求 机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20纪60-70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：（1）调速范围宽并实现无极调速 为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1100，恒功率调速范围也可达130，一般过载1.5倍时可持续工作达到30min。主轴调速范围:100至2800r/min。（2）具有4象限驱动能力 要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。（3）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。（4）良好的抗振性和热稳定性。 数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。4.2 数控车床主轴电气系统设计 主轴是车床构成中一个重要的部分，其功率消耗约占机床总功率7080，其性能直接影响到机床的加工效率、加工材料范围、加工质量等。数控系统需要控制主轴的转速、位置，通常系统的标准配置为数字主轴，具有控制精度高，动态响应好的特点。但在主轴功率不大，对控制精度和动态响应要求不是很高的情况下，数字主轴就显得成本太高。这时可以采用数控系统的模拟主轴功能。模拟主轴就是数控系统输出模拟电压信号，采用普通的交流变频器和交流变频电机来实现主轴控制，由于性价比高，在经济型数控机床中广泛应用。它与传统的齿轮变速箱相比，优点是传动链较短、回转精度及机械效率高、工作平稳噪音低、速度连续可调、制造成本低等。缺点是低速挡位扭距受到一定的限制，感觉动力不足。4.3 变频器的选用异步机变频调速已得到广泛的应用。变频器的花样种类繁多，变频器的供应商们为了推销自己的产品，都大力宣传自己的优点，其他产品的缺点，使人眼花缭乱。变频器的应用者在选用时经常提出许多如何合理应用及方案比较的问题，变频器的开发者在方案论证时也常提出产品定位及前景方面的问题。4.3.1 设备的选型方法(1)根据负载特性选择变频器。如负载为恒转矩负载可选择西门子mm420/mm440变频器，abb公司acs400系列变频器等；如负载为风机、泵类负载可选择西门子eco、mm430变频器，abb公司acs800系列变频器等。(2