机床整体控制方案设计论文.doc

1 绪论数控系统作为现代化制造业的核心技术，是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多项技术于一体，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术1。 1.1 课题背景装备制造业是为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性产业，承担着为国民经济各部门提供工作母机、带动相关产业发展的重任，可以说它是工业的心脏和国民经济的生命线，是支撑国家综合国力的重要基石。数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石是保证高技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。但我国装备制造业还存在自主创新能力弱、对外依存度高、产业结构不合理、国际竞争力不强等问题。2005年数控金切机床产量达到6万台，是2000年1.4万台的4.3倍，数控机床品种已达到了 1500多种但从总体来看，我国机床工业与世界先进水平相比，差距仍然十分明显。1.2 数控机床制造业现状与发展我国数控技术与装置的发展在上个世纪亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。但数控系统、主轴驱动单元、进给驱动单元等大多需由国外厂商提供。 国外对向我国出口多轴联动数控系统、高精度驱动方面有着诸多限制。因此基于现有数控系统对机床伺服轴的扩展显得尤为重要1。我国数控加工设备大多处于单机运行方式，采用手工或微机辅助分段输入、分段加工的方法，设备利用率普遍较低。制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化和制造绿色化是现代制造业发展的趋势。而制造全球化、制造敏捷化和制造虚拟化均离不开制造网络化的支撑环境，因此可以说制造网络化是现代制造业发展的主要趋势之一。在制造网络化的今天，技术发展的速度加快，产品更新换代越来越快。现在落后一年可能相当于以前落后许多年，因此我国制造业与发达国家相比，实际差距有可能拉大；另一方面我国也面临很好的机遇，由于 Internet 等技术出现的时间不长，我国与发达国家在网络化制造技术方面的差距还不大。如果能大力发展网络化制造技术，积极适应经济全球化和制造全球化的需要，就可能抓住机遇振兴我国制造业。目前，中国机床面临新的发展机遇，主要表现在:1世界制造业开始向中国转移，中国己经成为吸引外资最多的国家。2国内机床市场需求持续高速增长。3经济全球化为中国机床工业发展提供了国际合作、资源重组的机遇。4中国机床工业经过多年发展，特别是近几年快速发展，已经积累了一定的产业和技术基础，因此我们应该努力的开发属于自己的机床品牌与系统1。1.3 TK6916系列数控镗铣床简介及主要工作TK6916系列系列卧式数控镗铣床由北京第二机床厂于 1976 年出产，控制系统采用DJS-130 小型计算机作为主控制控制器，主要用于加工各种箱体零件。机床共四轴，即 X、Y、Z 和 W 轴，其中 Z 轴和 W 轴运动方向重合。TK6916系列数控镗铣床采用立柱移动，主轴箱侧挂的落地式布局，主轴电机经两档变速箱及齿轮减速带动主轴旋转，完成强力切削要求。该产品具有镗孔、钻孔、铣削、切槽、车削螺纹等多种加工功能，配备高精度回转工作台，直角铣头等功能附件，可对工件实现五面加工。如图1-1所示。图1-1 TK6916系列数控镗铣床本论文的主要工作有：1机床整体控制方案设计2液压系统的设计3机床伺服系统设计4机床电气系统设计2 TK6916系列数控镗铣床机床整体控制方案设计 2.1 CNC数控机床的结构数控机床采用数控技术以CNC装置为控制核心的机床，利用数字信号控制机床运动以及其加工过程，数控机床能够实现机械加工的高精度、高速度和高度的自动化，是一种典型的机电一体化产品，也是制造业中最为重要的先进装备。数控机床由机床本体和电气系统两大部分组成。机床本体包括了机械本体、液压、气动、润滑、辅助装置等；电气系统主要是由数控装置、伺服驱动装置、操作面板、测量反馈装置、机床电器柜等部分组成9。（1） 数控装置是数控系统的核心，主要由总线、CPU、操作面板、伺服单元、可编程控制器、数据输入/输出接口等组成。基于历史发展原因以及现实复杂等因素影响造成数控系统种类很繁多，在设计思想上各有不同，组成结构上都有各自的特点。近年来出现的新一代机床控制器还包括通讯单元，它可完成 CNC、PLC 的内部数据通讯和外部网络的连接，它们之间的关系如图 2-1 所示。图 2-1 CNC 数控机床结构图（2）伺服驱动装置是数控装置与机床主机之间的联接环节，经过放大处理后驱动机床的执行机构，实现机床运动。包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机。还包括回转工作台和刀库伺服装置和伺服电动机。（3）测量反馈装置常用方式为脉冲编码器、光栅尺、感应同步器等，将执行元件的速度、位移实时检测出来，经过相应的电路将所测得信号反馈给伺服驱动单元和数控装置，形成半闭环或闭环系统，补偿并执行机构的运动误差，以达到提高运动精度的目的。（4）机床主体由床身、底座、工作台、主轴箱等部件组成。（5）其他辅助装置包括自动换刀装置、工作台机构、润滑冷却系统、等。2.2 机床的机械结构设计作为一台新机床的总体设计，需要对机床传动系统的结构进行统一的设计规划;对机床需要满足的主要辅助功能提供切实可行的实施方案。TK6916系列数控镗铣床结构设计主要进行三向进给传动结构、主轴传动结构，回转工作台、刀库等扩展功能机构的设计。2.2.1 机械结构的组成TK6916系列数控镗铣机械部分结构3,如图 2-2 所示。（1）机床基础件：如床身，立柱，底座等；（2）主传动系统：主轴箱等；（3）进给系统： 滑枕等；（4）尾座；（5）实现工件回转、定位的装置和附件；（6）特殊功能装置、如刀具破损监控、精度检测和监控装置等；（7）辅助装置，如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护装置等；（8） 各种反馈信号装置及元件。图2-2 TK6916系列数控镗铣机械结构2.2.2 三向进给传动结构设计TK6916系列数控镗铣床的进给传动采用三个坐标分离传动。本机床采用进给电机与滚珠丝杠直联驱动的方式4。 1. X、Z向进给传动结构机床的X、Z向同为水平运动方向，可以采用相同的传动结构。结构示意图如图2-3所示。图2-3 X 、Y进给传动示意图图中零件明细如表2-1所示。表2-1 X、Y向进给传动结构示意零件明细表 序号名 称分 类规 格备 注1进给电机X向BMH140法国施耐德Z向BMH1402联轴器3丝杠轴承DFF(4个一组)50100804滚珠丝杠副X向GQ4512Z向GQ45125丝杠轴承DFD（3个一组）50100602. Y向进给传动结构 机床的Y向为垂直进给方向，设计的驱动结构如图2-4所示。图2-4进给传动示意图图中零件明细如下表 表2-2 X、Y向进给传动结构示意零件明细表序号名 称分 类规 格备 注1进给电机Y向BMH140法国施耐德2联轴器3丝杠轴承DFF(3个一组)45100604滚珠丝杠副Y向GQ63125丝杠轴承DFD（4个一组）4090802.2.3 主轴传动结构设计TK6916系列数控镗铣床需要实现的一个基本功能是自动换刀。刀具通过尾部的工具圆锥在主轴前端内圆锥孔上定位，刀具尾部安装拉钉，主轴尾部需要具备拉刀结构，拉刀力通常通过蝶簧组变形实现2。 这样，我们拟定的主传动结构如图2-5所示，图中零部件明细如表2-3所示。图2-5主传动结构示意图表2-3 主传动明细表序号名 称型 号规格备注1主轴电机BMH140法国施耐德2ZF变速箱2K1213齿形带轮8YU4编码器5齿形皮带8YU6主轴组件BT50/6000rpm7打刀缸(1)ZF变速箱(结构图2-5中件2)我们己经初步选用了ZF一2K121变速箱，它的额定传递功率为19kw，额定转速1500r/mln，额定输入扭矩120NM。选择了1:1和1:4两档变速的机型，最大输出扭矩可达560NM。ZF变速箱能够直接套在电机输出轴和定位凸台上。(2)齿形皮带及带轮(结构图2-5中件5、3)同步齿形皮带是一种广泛应用在机械制造行业的传动结构，兼备带传动、链传动和齿轮传动的优点。 (3)编码器(结构图2-5中件4) 为满足加工中心机床换刀的需要，主轴轴线旋转的角度值需要准确定位，为此从结构上增加一个编码器，进行角度的准确检测和控制。主轴组件(结构图2-5中件6) 机床主轴由其支撑套筒、拉刀机构、从动带轮等构成一个独立的组件，套筒的外圆上可以很方便地加工出螺旋沟槽，在安装到主轴箱体内后，与主轴箱体内壁间构成一个螺旋管道，通以冷却的循环油，就可以对主轴旋转发热进行强制冷却。如图2-6所示。图2-6主轴组件示意图2.2.4扩展功能机构的结构设计作为卧式机床，TK6916系列除了提供三向进给与主轴传动的基本功能结构外，还提供工作台的回转功能、可连续自动更换刀具进行加工的功能等5。(1)回转工作台 机床增加工作台的旋转坐标，扩大机床的加工范围,如图2-7所示。图2-7 TK6916系列数控镗铣床回转工作台(2)刀库TK6916系列数控机床拟采用容量为60把的链式刀库，机械手臂换刀。如图2-8所示。图2-8 TK6916系列数控镗铣床链式刀2.3 机床电气整体控制方案的选择本系统需要控制各个执行元件协调运动才能完成加工任务。控制系统核心控制器需要提供合适的控制信号，使各执行元件协调运动，完成整个动作8。针对上述要求，提出以下三种控制方案。(1)方案一采用单片机系统。(2)方案二采用工业计算机控制系统。(3)方案三采用以PLC为控制器的系统。2方案分析(l)方案一为典型的单片机控制系统。单片机具有成本低、结构简单、扩展方便等优点，与PLC相比，单片机更擅长于数据采集和数据处理，通用性和适应性较强。单片机实现自动控制，还需要在输入输出接口上做大量工作，需要在外围做很多软件和硬件方面的工作。考虑到程序设计较为复杂，一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件。因此，本次系统设计不考虑多单片机系统。(2)方案二为工业计算机控制系统。工业控制计算机是利用了个人计算机的PCI总线和PC/104总线、采用功能板卡扩展控制I/O点来实现控制的一种方便的控制设备，具有性能可靠、软件丰富和价格低廉等优点。由于本系统设计需要考虑现场设备与主机的连接数量较大，接口的扩展较多，编程相对比较复杂，这样对于开发周期会增加；一旦工控机系统出现故障，很难诊断出故障元件，会增加维修周期，而且非专业人员不能维修。因此，本次系统设计不考虑工业计算机控制系统。(3)方案三为PLC控制系统。可编程程序控制器(简称PLC)以其可靠性高、抗干扰强和开发周期短而广泛应用于工业生产与控制的各个领域中，特别是擅长于开关量和顺序控制。考虑到本系统的控制主要是顺序控制，以及工作环境恶劣；以后系统增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，编程相对比较简单，开发周期较短，安装简单、调试方便和维护工作量小；采用触摸式操作终端，人机界面详尽的操作指南，降低了对操作人员的要求，一般工人也能很快掌握。因此，本次系统设计采用PLC控制系统。综上所述，本系统采用PLC为控制器。控制系统总体结构如图2-9所示。图2-9控制系统结构图控制系统以PLC为核心，包括传感器检测系统、输入控制按钮电路、触摸屏、电磁阀控制气缸电路、电机、系统运行提示及报警电路。2.4 机床电气控制方案通过对该机床机械结构的分析5，对电气部分的设计完成后主要达到如下目的：能对五个伺服轴，X、Y1、Z1、Y2、Z2。一个工作台的转位控制Y1、Z1 用于镗铣伺服主轴，可以进行镗、铣削、钻、铰孔和攻丝等Y2、Z2 用于垂直的高速铣削电主轴，可进行铣削、钻、铰孔和攻丝等工作台可以九十度分度采用的数控系统能实现多轴组的控制有位置环和速度环的双环控制通过对以上控制的需要的分析，选用半闭环系统，位置检测位置加入旋转变压器，实现机床的位置反馈，由此可以进行机床电气整体控制方案如图 2-11所示。图2-11 数控镗铣床电气整体连接3 液压系统的设计3.1系统的组成及功能1、能源装置:把机械能转换成油液液压能的装置6。2、执行元件:把油液的液压能转换成机械能的元件。3、控制调节元件:对系统中油液压力，流量等进行控制或调节的元件。4、辅助元件:上述三部分以外的其他元件，包括油箱、过滤器，油管等。5、工作介质:在传动及控制所用的工作介质为液压油或其他合成液体。液压系统的主工作流程图如图3-1所示。图3-1液压系统工作流程图液压传动是以液体压力传动量的传动方式，具有单位重量输出功率大，结构紧凑，惯性小、运动平稳、能方便的将旋转运动转化为直线运动等优点。在整个系统中液压系统要实现的功能有：1. 带动四个变速拨叉，实现主轴 16 级变速2. 工作台运动（含工作台升降、转动、锁紧，工作台定位销的插上等）3. 主轴准停4. 主轴箱在导轨面的锁紧5. Y 轴丝杠抱闸的松开6. 主轴套筒松开夹紧3.2 控制系统液压的设计液压系统原理图如附录所示。在图中，液压油经粗滤油器后打入液压泵，经精滤油器后在 Y25-B 溢流阀的控制下达到压力50kgf/cm2后，在 1DF 的控制下进入液压执行系统。其中 1DF在压力继电器 1YJ 未发出电信号时，油液能够通入液压系统，但当压力继电器1YJ 在检测到油液压力45Kgf/cm2时机床不得工作，此时 1YJ 发出电信号，1DF得电，油液不能进入系统，因此它对整个液压系统起了保护作用。（说明：本系统中的电磁阀均为失电状态）当油液进入系统后，分为三路：1. 保持液压在 50kgf/cm2 ，去控制工作台锁紧，主轴箱锁紧，工作台抬起，主轴松刀四个动作。它们各自的控制过程是：（1）工作台锁紧：油液进入系统后，由电磁阀 3DF 控制工作台锁紧。（2）主轴箱锁紧：在 2YJ,3YJ 任一个受压时说明主轴箱在立柱导轨上的锁紧机构或 Y轴丝杠的抱匝有未松开者，此二者互锁使主轴箱不能升降。（3）工作台抬起：工作台分度前，需要把工作台上顶 2mm，这是通过二位三通电磁阀 5DF 得电，液压油驱动主油缸上顶工作台。（4）主轴松刀：当 6DF 得电时，主轴夹刀机构松开，当刀具松开完成时 K20闭合，发出电信号，主轴松刀完成；2. 50kgf/cm2的液压油经 J25-B 减压阀 1 后，液压油压力减为 10kgf/cm2后去控制工作台定位销插上与 4 号调速拨叉。（1）工作台定位销插上：二位四通电磁阀 11DF 控制工作台定位销的动作。（2）4 号调速拨叉：在本次改造中保留下来的唯一调速拨叉是由三位四通电磁阀 15DF 来控制的。3. 50kgf/cm2的液压油经 J25-B 减压阀 2 后，液压油压力减为 30kgf/cm2后控制主轴套筒锁紧，工作台转动，Y轴抱闸松开，主轴准停等动作。（1）主轴套筒锁紧：二位四通电磁阀 2DF 控制主轴套筒的锁紧与松开，2DF正常情况下处于失电，主轴套筒锁紧。（2）工作台转动：它的控制是通过三位四通电磁阀 8DF、二位二通电磁阀12DF、电磁阀 13DF 以及四个单向阀，两处单向节流阀和液压马达共同实现的。(3)Y 轴抱闸松开：二位三通电磁阀 9DF 控制 Y 轴抱匝的松紧。(4)主轴准停：其相应的控制电磁阀为二位四通的 10DF,检测元件为 K5,K6.以上是油液进入液压执行系统后的各个控制动作。在液压原理图中的二位二通的电磁阀 16DF，它的得电发生在，第一是油泵启动后的十秒钟排气过程中以排除 2 号泵及管道丛中的空气；第二是每当回转工作台转位时（即液压马达转动时），以使工作台有较快的速度工作，从而缩短非切削的时间。液压系统执行动作的控制是靠 PLC 来完成的。3.3 液压系统控制执行顺序对液压油路的控制通过控制液压电磁阀的开启或停止来实现。电磁阀动作顺序如表3-1所示。 表3-1 电磁阀动作顺序动作名称信号来源电磁铁工作状态备注1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA“+”通电“”断电后液压缸夹紧启动按钮+前液压缸松开压力传感器+进料缸进给压力传感器+前液压缸夹紧光栅传感器+后液压缸松开压力传感器+进料缸后退压力传感器+工作台旋转控制单元（plc）+工作台锁死挡块压下行程阀+液压元件工作状态如表3-2所示。表3-2液压元件工作状态动作名称液压元件工作状态换向阀1换向阀2换向阀3换向阀4换向阀5换向阀6调速阀后液压缸夹紧左左右左左关闭前液压缸松开右左右进料缸进给左右前液压缸松开右左后液压缸夹紧右左左进料缸后退右工作台旋转中左右左打开工作台锁死右4 TK6916系列数控镗铣床伺服系统的设计数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。它是计算机、数控装置和机床的联系环节。伺服驱动系统作为一种实现刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床精度和速度等技术指标。4.1 伺服系统的工作原理对于TK6916系列数控镗铣床来说,进给系统是主要的组成部分，选用的好坏直接影响整个机床的精度和质量。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用全数字式交流伺服电机作为执行电动机。交流伺服系统主要由功率逆变，PWM，位置控制，速度控制，电流控制，电动机及位置检测元件等部件组成。系统组成如图 4-1所示。图4-1 系统组成伺服系统中有电流环，速度环，位置环，其中分别对应有电流调节器，速度调节器，位置调节器；通过对应的调节器控制可以实现系统的稳态精度，动态特征等控制目标。电流环和速度环均为内环。电流环的作用是提高系统的快速性，抑制电流环内部干扰限制最大电流，保障系统的安全运行。电流环中的电流调节器输出控制电压与外加调制电压叠加送入脉冲形成，分配和驱动环节，从而控制 IGBT 通断时间，调节 PWM 对电机输出的平均功率，通过电流传感器检测电枢回路，形成电流反馈环节15。速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度的波动。根据系统对各个控制环的要求，对速度环和电流环均可采用 PID 控制一提高系统的快速跟踪能力。速度环中速度调节器的输出作为电流调节器的给定量应限制在一定的幅值内。速度环采用比例调节器控制方式时，若比例系数过大，电机的响应特性可能会变成震荡，而且仅采用比例控制时，也不能完全补偿外加负载所引起的扰动。因此，通常采用比例积分控制方式以改善输出响应，并在稳态实现无差控制。在某些情况下，还会加上微分控制作用，以提高系统的快速性。但是微分作用会加宽系统频带，使系统抗干扰能力降低。位置环作为系统外环，其作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能。半闭环结构以伺服电机轴的角位移为反馈量。位置环的位置检测元件（编码器）将运动机构实时的位移或角变化以脉冲形式传输到控制设备中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息。位置环的给定可以使操作人员在现场及时输入期望的位置数据，也可以是由按照编好的运动轨迹程序给出位置信息。4.2伺服系统控制方案的选择在数控机床中，伺服控制系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，当前的伺服控制系统主要有三种类型: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器放大后，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.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，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做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。3.交/直流伺服电机拖动，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，对环境室温要求严格。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，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。同样闭环精度半比闭环系统的精度也高，综合考虑以上三种控制模式，结合用户的实际要求，对 X、Y 轴和 Z、W 轴采用不同的控制模式。X、Y 轴的控制精度直接关系到零件加工的精度，我们采用第三种控制方案。伺服电机采用施耐德公司生产的 BMH型交流伺服电机伺服电机及其配套的Lexium 32驱动器，选择光栅尺是新型的海德汉玻璃反射式光栅尺，其特点及电机技术指标如下：光栅尺具有性能稳定、可靠性好、精度高、测量范围大、使用方便、价格适中等特点。在此系统中，主机读入光栅尺返回的各轴实际位移量，将此位移量与理想值相比较，得到误差信号并用此误差控制运动控制卡，使理想值与实际值趋于一致，从而消除运行误差。如图4-2所示：图4-2 交流闭环伺服系统W、Z 轴的运动主要用于加工孔的深度，对精度的要求不高。我们采用第二种控制方案即交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统，它的检测装置采用高分辨率的脉冲编码器。4.3 进给轴及主轴的控制方式设计TK6916系列数控镗铣床的数控轴有 X、Y、Z 及W轴。1.X、Y 轴采用闭环控制，如图 4-3所示。采用计量光栅尺为测量装置，直接测量工作台的直线位移。由工作台直接带动光栅尺移动的同时，与装在机床床身上的定尺配合，测量出工作台的实际位移值。图 4-3 闭环控制原理结构图光栅检测系统的精度主要取决于光栅尺本体的制造精度,也就是计量光栅任意两点间的误差。选择的光栅尺是新型的海德汉玻璃反射式光栅尺(X 轴为 4m,Y 轴为 3.2m)。采用激光光刻技术，光栅尺本身的制造精度为 5um/1m，光栅常数为 50，也就是每毫米50 线，栅格为 0.02。2.Z 轴采用半闭环控制控制，如图4-4所示。图4-4 半闭环控制结构原理图半闭环内不包括机械传动环节，它的检测装置采用高分辨率的脉冲编码器，编码器的频率响应值为 100KHz，输出的脉冲数为 2500ppr。安装在丝杠的端头，脉冲编码器每旋转一定角度，都严格地对应着工作台移动的一定距离。测量了丝杠的角位移，也就间接地测量了工作台的直线位移。3.主轴采用半闭环控制，检测装置为脉冲编码器，输出的脉冲数为 1024ppr。主轴为旋转轴，输出速度范围 51120rpm 时处于恒功率调速。主轴有定向控制要求，定向精度为0.001，由主轴脉冲编码器的零信号的精度保证9。图4-5 Lexium 32交流伺服驱动装置4.4 伺服控制系统驱动模块的设计4.4.1 Lexium 32系列交流伺服驱动伺服系统控制器，选用了Lexium 32系列。是一种交流数字变频调速伺服控制器。采用模块式结构分单轴驱动模块和双轴驱动模块。选用了Lexium 32系列。如图4-5所示。伺服系统数控机床专用模块。监控各控制模块的运行。控制模块则根据 NCU 的指令驱动各轴电机以某一速度运行或停止。选用了Lexium 32系列，伺服控制系统具有如下特点11：1.给定值的2通道模拟输入端(+/-10V）和脉冲接口；2.通过集成 HMI (装有调试软件的 PC)进行调试；3.Jog 、电子齿轮、内部位置模式、速度控制和力拒控制运行模式；4.通过CANopen通讯控制。伺服驱动器各部分名称如图4-6所示。图4-6 伺服驱动器各部分名称4.4.2 Lexium 32伺服驱动器/伺服电机的组合Lexium 32 运动控制电源电压380.480V 三相伺服驱动器/伺服电机的组合BMH伺服电机如图4-7所示。BMH伺服电机是具有中等惯量的电机。它能更好地匹配大负载应用，并且可采用一种更具鲁棒性的方式对运动进行调整。 本产品在1200至6000 rpm-1的额度速度范围内可以覆盖。1.2Nm至84 Nm的连续停止转矩范围。 BSH伺服电机如图4-8所示。图4-8 BSH伺服电机图4-6 BMH伺服电机图4-7 BMH伺服电机BSH伺服电机由于转子惯量较低，可以满足精确和高动态性能的要求。它们结构紧凑，可实现高功率密度。本产品在2500至6000rpm-1的额度速度范围内可以覆盖0.5 Nm至33.4 Nm的连续停止转矩范围。 在对机床进行技术改造时，考虑到由于该机床的工作性质，机床处于稳定切削状态，只有短时的启动和制动。结合机床的实际情况和电机的计算公式，选用施耐德公司生产的 BMH型伺服电机,专用于Lexium 32 运动控制变频系统下工作。伺服驱动器/伺服电机的组合电路如图4-9所示，它具有较高的动态性能、高可靠性及非常低的维护要求。图4-9 伺服驱动器/伺服电机的组合5 机床电气系统的设计机床电气部分的设计是机床设计部分的关键，一台机床的性能很大程度上取决于电气部分的设计，本章就数控镗铣床从数控系统的选型到具体参数的设置分别做了详细的介绍，从而实现机床的自动化。5.1 数控系统的选用CNC 系统由数控程序、输入/输出装置、计算机数控装置（CNC 装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。目前国内外用过的数控系统有很多种，而国外引进的居多，国外控制系统市场占有率较大的有日本 FANUC 系统、德国西门子系统，其次是法国施耐德公司的NUM系统、西班牙FAGOR系统、日本三菱系统等。5.1.1 FANUC 数控系统FANUC 数控系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本统一的操作界面。 FANUC 系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强，但是因出厂之后系统已经被厂家固化，可供用户开发的可能性不大，因此本机床数控系统不选择此系统。5.1.2 西门子数控系统SINUMERIK 不仅意味着一系列数控产品品牌，其力度在于生产一种适于各种控制领域不同控制需求的数控系统，其构成只需要很少的部件，它具有高度的模块化、开放性以及规范化的结构，适于操作、编程和监控。三十年来，西门子凭借在数控系统及驱动产品方面的专业思考与深厚积累，不断制造出机床产品的典范之作，为自动化应用提供了日趋完美的技术支持。SINUMERIK 数控系统的突出之处在于其不断扩展的特性，因此市场的使用率比较广泛，我们应该推出其他性能比较好的系统，以便增加市场的竞争力，完善整个市场的需求。5.1.3 法国 NUM 数控系统NUM公司是法国一家著名的国际性公司，专门从事CNC数控系统的开发和研究，欧洲第二大数控系统供货商。其产品覆盖诸多行业，如：汽车制造业、航空及航天业、发电设备行业、钟表业等。多年来，NUM 公司致力于各种专用领域的发展，开放出了多种专用应用软件。NUM作为世界上工业控制的领导者施耐德电气公司的一员，NUM致力于机床自动化和运动控制的开发和研究。30年来，NUM在高精度、高速加工方面，与客户密切合作，并以提供专业的技术支持和服务而著称，特别适合于 16轴的数控机床。紧凑且功能完善的32位数控系统，其具体的技术特点如下。1.硬件结构(1)主板上连接可插接的小模板； (2)采用了超大规模的集成电路技术 GSP 主板；(3)PLC 功能的内部集成；(4)NUM1020/1040 采用了+24VDC 为其电源输入；(6)光纤通讯技术的实现； (7)轴转接模块；(8)轻巧实用的紧凑型操作面板；(9)PLC的32输入和24输出模块；2.软件功能特点(1)该系统软件具有很强的开放性和友好的操作界面；(2)可提供帮助性的编程方式；(3)动态操作编程；(4)强大的网络功能； (5)强大的通讯功能(RS232/RS422/RS485)；(6)完善的丝杠螺距补偿；5.2 电气部分总的控制思路这部分是对机床电气原理图进行设计与研究，数控镗铣床可以对五个表面分别进行镗铣加工，针对机械部分的结构，设计出机床电气部分的电气原理图，如图 5-1所示。考虑到机床多轴组的功能的实现，数控系统功能的开放性，以及加工人机界面的相互切换，采用全数字式数控系统 NUM1050。外部的220V电源通过稳压电源经过 W1 电缆连接到 NC 的电源端；显示器经过NUM公司提供的W2电缆连接到系统的显示器接口，NUM1050数控系统自带一个模拟口，可以通过该模拟口接到变频器接口带动电主轴。该系统采用总线形式的连接，通过一根电缆的形式连接一个轴的驱动，其它驱动通过底端分别连接。输入输出部分连接到系统的输入输出口。 图5-1 机床电气部分的电气原理图5.2.1主轴的控制思路主轴变速分：有级调速、无级调速、分段无级调速三种。(1)有级调速：即有一定的固定档位，转速有固定的几个，如 100 转/分、 500 转/分等，没有两者之间的转速。一般用于普通机床。(2)无级调速：与有级转速不同，指电动机可以在一定的转速范围内的任意转速下运行，如可以是 100 转/分、500 转/分等，亦可在任意实现任意两个转速之间的速度，如 110 转/分、115 转/分等在一定的范围内任意的转速。(3)分段无级调速：有时为了达到强力的切削，在无级调速中添加一定的档位，实现所需要求。变速的目的：一种是不同的转速可以达到不同的加工精度，低速可以用于大功率的粗加工，高速可以用于精加工；无级变速主轴有四种：第1种，变频器普通交流电机，交流电机的缺点：由于电机轴承的承受能力的限制和一些动平衡的问题，转速不能太高；电机的低速性能不好。如图5-3所示是铣头主轴的变频器控制方式。第2种，变频器+变频电机。第3种，变频器控制电主轴，高速切削性能好。第4种，主轴驱动系统（有前几种相比，这种的低速性能好），分为直流电机驱动和交流电机驱动。主轴电机可以采用直流电机，也可以采用交流电机，与进给驱动不同的是，主轴电机的功率要求更大，对转速要求更高，但对调速性能的要求却远不如进给驱动那样高。如图 5-2 是镗头主轴的控制方式。主轴最高转速的设置：主轴转速的信号由直流 010V 模拟电压直接给定，如设置最高转速为 3000 转/分，即对应的模拟电压为+10V，则当转速为 1500 转/分时，对应模拟电压为 5V。图5-2 镗头主轴主驱动控制方式变频器：刀具由主轴电机驱动，让载有工件的工作台和主轴头进给，完成切削加工，所以随着加工材料和刀具的不同，需要宽调速范围，以获得最近切削速度，最高可以达到几十万转/分，通过变频器调速可以达到要求，如图5-3 是铣头主轴的变频器控制方式。图 5-3铣头主轴变频器的控制原理图最高频率参数的设置：如交流电机的额定转速为3000 转/分，国家交流电的频率是50HZ，变频器的最高频率为100HZ，则机床主轴的最高转速为转/分，此时最高模拟电压为 10V。转速、频率、转矩的关系： (5-1)n转速，f频率，p极对数。 (5-2)M电机转矩，P功率，n转速 5.2.2 伺服轴控制的思路如图 5-4 所示是各个伺服轴之间的连接，每个伺服上设置有拨码开关，先前是按照轴的物理地址来接线，五个伺服轴，分为两个轴组，X1,Y1为一个轴组X2，Y2为一个轴组，两个伺服轴组之间通过总线的形式连接，工作时两个轴组互不干涉，机床画面还可以在两个轴组之间来回切换。各个伺服轴的控制：机床通电将 X、Y、Z 三个方向的运动部件移至机床零点处；启动预先编制的加工程序，X、Y、Z 三个方向的运动部件将按各自所接受的指令运动，对工件进行加工。其驱动过程是：X 方向运动的伺服电机接收控制机发出的指令值后相应的旋转；并带动滚动丝杠一起旋转；滚动丝杠通过滑块驱动水平运动滑台做 X 方向的移动；同理伺服电机驱动滑枕做 Y2方向的运动；伺服电机驱动套筒做 Z2方向的运动；伺服电机驱动镗铣主轴箱做 Z1方向的运动；伺服电机驱动镗铣主轴做 Y1方向的运动；分度工作台依靠指令做相应的分度运度运动。通过分度工作台与 X、Y、Z 三个方面的联动，可以实现一次安装完成其五个面的工序加工，提高了加工精度和生产效率。加工完毕后，X、Y、Z 方向运动和 C 的转位回到参考点，镗铣刀停止转动，工件的加工过程结束，机床待命，等待接收下一个指令。图 5-4 各个伺服轴之间的连接5.3 镗铣床的双轴组控制双轴组的控制就是系统内部具有两个相对独立的通道，每个通道有相对独立的 PLC、NC 信息交换区、M 代码、T 代码及 PLC 变量和标志位。当系统工作在公共轴组时，两个轴组具有相同的工作方式。当系统工作在独立轴组时，两个轴组可以有不同的工作方式，可独立操作。系统可在公共轴组方式和独立轴组方式间切换。该机床把 Y1、Z1 放在轴组 1 中，实现镗床的加工运动，把 Y2、Z2 放在轴组 2 中，实现高速铣床的加工运动。机床的两个主轴分配到不同的轴组中。在不同的轴组中，两个主轴可以分别以自己的转速、方向同时或单独工作。而且在每个轴组中可以实现系统给定的联动轴数13。数控机床的功能复合化发展，其核心是在一台机床上完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。5.3.1镗铣加工中心机床的双主轴控制镗铣主轴和铣削电主轴一起构成了双主轴，由于第一主轴和第二主轴有时需同时动作，要求系统必须具备双轴组功能，须将两个主轴分配给不同的轴组。在任何轴组中，只能当一个主轴没有被其他轴组控制时，才能通过 M62 到 M65 功能之中的一个功能对该主轴进行选择（否则系统将报告出错）。M61 功能用于释放轴组中的当前主轴以便由另一个轴组控制。通过 M61 功能释放了的主轴，另一个轴组程序中的 M62 到 M65 功能中的一个功能可选中该主轴并对其进行控制。被指定给一个轴组的主轴可接受作用于该轴组的下列功能15：速度 G75主轴旋转方向或停止（M03、M04、M05）主轴速度范围（M40-M45）主轴分度（M19 EC）允许速度修调或禁止速度修调（M48 or M49）5.3.2加工中心机床加工程序的编制多轴组的加工程序是由对应于每个轴组的程序组合而成。每一程序都有一个共同的基本序号，其后跟一个指定轴组用的索引号。加工程序的子程序不需要索引。例如：%100.1（轴组 1 的程序序号） %100.2（轴组 2 的程序序号）N5.M03 S2000(镗铣主轴) N5.M03 S15000(铣削主轴)N10. N10.N. N.N30.G78 Q1 N30.G78 P1.1 (等待%20.1 中的 Q1)N. N.N. N.N60.G78 Q2 P1.2(等待第二轴组的 Q1) N60.G78 Q1N. N.N. N.N.M02 N.M02G78为轴组同步功能，该功能用于使同名程序的执行保持同步，语句结束时该功能被注销。句法为 NG78Q/Pj.s,其中 Q 为当前轴组中的标志符，Pj.s 为等待另一轴组中的标志符，P 项包含两个由小数点分割的数字，j为标志符序号，s 为轴组索引号。当程序%100.1 中出现标志1的时侯，%100.2N30 才会往下运行，而%100.2 中出现标志 1 时，%100.1 中 N60才会往下运行。5.3.3双轴组 PLC 程序的编制根据需要我们把编有%W17.B(轴显示)、%W100.5、%W200.5(功能回答信号) 等与双轴组有关的 PLC 变量在内的 PLC 应用程序，通过 NUMTOOL 软件传输到 NC 中去。为了能随时观察各轴组的工作状态，我们选用了密集型面板上的单独键（%I104.0 ,%I104.1）来切换两轴组的显示，同时随轴组选择开关的切换，两轴组的显示数据也来回切换，PLC 梯形图如图 5-5所示。图5-5 双轴组部分 PLC 梯形图%W17.B轴组选择。用于显示相应轴组数据。%Wg03.B独立轴组工作方式选择。(g-18 为轴组号，下同)%R16.B回零方式选择 %Wg02.B轴组 g 的进给倍率。变量%104.0 和%104.1分别为两个轴组显示和工作状态的切换按钮，%104.0可以切换到轴组 1 的显示和工作状态，%104.1可以切换到轴组2的显示和工作状态；在回零的模式下两个轴组以固定的进给速度回零，当选择轴组1的工作方式下，轴组 2 的进给速度为0，当选择轴组2的方式下，轴组1的进给速度为0，%122.W是倍率选择变量13。5.4 NUM 数控系统系统内置 PLC 控制的设计数控机床中除数控系统使机床各运动轴进行数字控制，实行插补运算和“补偿”等数据处理外，还有许多辅助控制，如主轴的启动、停止和转速的变换、刀库的刀具按程序要求实现换刀，冷却、排屑装置或工件的装夹等许多应答式的开关量控制。这些辅助控制均由可程序控制器来完成，我门称其为 PLC 控制。在高档 CNC 系统中普遍装有内置 PLC，内置 PLC 在 CNC 系统中除完成上述机床开关量的逻辑处理外，还要完成如下任务：与 CNC 进行通信，参与控制 CNC系统，M 代码的译码，内部运算，模拟量输入输出和处理等。内置 PLC 带有很强的计算功能和图形处理功能，提供内容丰富、功能广泛的函数调用，可以说它本身就是一台强大的工业计算机。由于有了内置 PLC，使得一种 PLC 适用于多台机床。NUM 系统内置 PLC 的用户模块由如下几个部分组成16%INT：初始化用户模块中的相关变量，系统配置的定义。%TH0%TH15: 16 个高优先级中断子程序模块，由定时器或外部中断条件触发，该模块不是周期执行的，在满足条件时立即执行。%TS0%TS5: 6 个正常扫描模块，每一个扫描周期（20 毫秒）TS0 模块执行一次，其余模块在不同周期依次执行。%SP0%SP255:256 个子程序模块，可被%TS、%TH、%TF 模块调用，其优先级视主模块优先级而定，使用子程序模块可增加程序的可读性。%TF0%TF15:16 个后台运行模块，一个扫描周期有剩余时间时才能够执行，优先级最低。NUM 内置 PLC 的编程器件：%M：断电存储型内存变量，其地址分布为%M0.B%M77FFB 共 30 字节；%V：普通型内存变量，其地址分布为%V0.B%V77FF.B 共 30 字节；%R: CNC 接口只读变量；%Rg：CNC 轴组 I/O 接口只读变量；%W:CNC I/O 接口可写变量；%Wg:CNC 轴组 I/O 接口可写变量；上述变量为 PLC 与 CNC 通信用，NUM 系统提供几百个字节、上千个字节。%I：机床 I/O 接口只读变量（输入）；%Q:机床 I/O 接口可写变量（输出）；%C:128 个计数器，其地址分布为%C0.L%C127.L；%T:128 个定时器，其地址分布为 Ton_00Ton_127；CNC 系统结构多年发生很大变化，由外置式 PLC 到内置式 PLC，由单 CPU模式到模块化多 CPU 并行模式、分布式总线结构、PC 开放式结构。但 PLC 在 CNC装置中的作用有增无减。机床加工是一个复杂的过程，同时机床种类繁多造成控制对象变化较大。提高控制系统柔性，使