数控铣床伺服系统设计

毕 业 设 计（论 文）题 目：数控铣床伺服系统设计（英文）： The design of servo system for CNC milling machine院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 数控铣床伺服系统设计 摘 要随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发展。本文对数控铣床伺服系统进行设计，主要包括系统选型，信号连接，检测与控制，电气控制等。其中检测与控制主要是传感器的选用，电器控制主要是开关，灯的选用，还有内置PLC的编程以及仿真。本设计的出图包括主电路图，控制电路图，PLC控制图，信号连接图等。设计思路是总体设计，进给电机选择，检测系统设计，主电路设计，PLC设计，电磁兼容保护。关键字：数控铣床伺服系统；电气控制；PLC设计The design of servo system for CNC milling machineAbstractWith the development of science and technology, the improvement of manufacturing technology, as well as social on product quality and diverse variety of requirement more and more intense, the requirement of modern CNC machine tools to become a precision, high performance, composite, integrated function and low cost automatic processing equipment. At the same time, in order to satisfy the manufacturing industry to a higher level of development, as the flexible manufacturing unit, flexible manufacturing system, and computer integrated manufacturing system provides the basic equipment, also called CNC machine tool to develop to higher level.In this paper, the servo system in CNC milling machine design, including the system selection, signal connection, detection and control, electric control. The detection and control is the choice of sensor, electric control is the main switch, lamp selection, have built-in PLC programming and simulation. The design of drawing consists of main circuit, control circuit, PLC control chart, and signal connection diagram. Design thinking is the overall design, the feed motor selection, test system design, the main circuit design, PLC design, and EMC protection.Keywords: Servo system in CNC milling machine; Electrical control; the design of PLC 目录1.概述11.1数控机床的发展现状11.2国内数控机床的研究现状21.3本设计的目的和内容31.4本课题研究的意义41.5本章小节42. 数控铣床伺服系统介绍和选型52.1系统类型52.2国内外数控系统的比较与差距62.3 系统选型72.4 本章小节83数控铣床控制系统总体方案设计93.1.数控铣床的结构93.2.数控铣床控制系统的总体设计93.3 电机功率计算113.4 电机类型的选择123.5 编码器的选择133.6 伺服单元选择133.7 变频器的选择133.8伺服单元的接线图143.9本章小结144电路设计154.1 主电路设计154. 1.1 电动机主电路154.1.2 电源电路164.2 控制电路设计174.2.1 交流接触器控制电路174.2.2 电磁阀控制电路184.2.3 继电器控制电路194.3 本章小结195信号连接205.1 主板互连接图205.2 伺服互联图215.3 数控装置接口225.3.1 数控装置的基本组成225.3.2 数控装置接口简介235.4 电源模块接口245.5 伺服模块接口265.6 主轴模块接口275.7 数控系统综合连接295.8 本章小结306PMC编程316.1 PLC控制器I/O分配表316.2 数控铣床的PLC控制过程326.3 控制梯形图346.4 调试及仿真386.5 本章小结397 电磁兼容保护设计407.1 数控系统电磁兼容性主要内容407.1.1电压中断和电压暂降407.1.2 快速瞬变电脉冲群抗扰性407.1.3浪涌抗扰性407.1.4静电放电抗扰性407.2 接地技术417.2.1安全接地417.2.2 工作接地427.2.3 屏蔽接地427.3 电网干扰抑制437.3.1采用电源滤波器抑制电源线传输电磁干扰437.3.2采用吸收型滤波器抑制电源线中的快速瞬变脉冲串干扰447.3.3采用隔离变压器供电，有效抑制电源中的脉冲串、雷击浪涌干扰447.4 防止被干扰447.5 防止产生干扰457.6 综合设计467.7 本章小结488总结与展望49参考文献50致 谢51附录 图纸52附录 程序53数控铣床伺服系统设计1.概述1.1数控机床的发展现状数控铣床作为初加工设备，主要用于材料切割下料。而在机械加工过程中，板材切割常用方式有手工切割、半自动切割机切割及数控切割机切割。手工切割灵活方便，但手工切割质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后续加工工作量大，同时劳动条件恶劣，生产效率低。半自动切割机中仿形切割机，切割工件的质量较好，由于其使用切割模具，不适合于单件、小批量和大工件切割。其它类型半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一些较规则形状的零件切割。数控切割相对手动和半自动切割方式来说，可有效地提高板材切割地效率、切割质量，减轻操作者地劳动强度。随着电机理论、永磁材料、电力电子技术、控制理论和计算机技术的发展，交流伺服系统的研究和应用，自20世纪70年代末以来，取得了举世瞩目的进展，已具备有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应等良好的技术性能，“交流伺服取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实，并不断有新的研究成果和新产品出现。近十年来，国内外日益完善的交流伺服系统不断涌现，性能指标不断提高，应用范围不断扩大。纵观目前国内市场现状，国外知名品牌的交流伺服系统仍占据了国内绝大多数中、高端应用领域，而国内成熟产品主要应用在中、低端设备领域中，如简易数控机床、服装加工机械、包装机械等等，究其原因是国外知名品牌的产品具有较明显的技术优势。例如，代表目前交流伺服系统世界先进水平的三菱公司MR系列交流伺服单元具有以下技术优势：(1)采用内含数字信号处理器的高性能CPU，其运算速度极快，电动机速度的频率响应达到550Hz以上，非常适合于高速定位的场合。(2)采用17位（131072P/rev）的高分辨率编码器和先进的控制策略，大大降低电动机的速度波动率，其技术指标达到负载力矩波动从0100%变化时，电机速度波动率0.01%，从而可以满足精密数控机床等设备的需求。(3)智能化的控制确保电动机在各种工况如加、减速转矩较小或摩擦力较大时均能自动调整到最佳运行状态，并能实时检测系统带负载的机械振动频率，进而消弱系统机械振动。(4)先进的上位机支撑软件，通过上位机与伺服系统的串行通讯接口，能自动对伺服电机加振，并能分析出机械系统的频率，从而对包括机械系统在内的伺服单元调整到最佳工作状态。(5)完善的系列化产品，便于各类用户选择。高端产品离不开日益发展的高新技术的支撑。1.2国内数控机床的研究现状我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元(7624台)，2003年达27.1亿美元(23320台)，相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。 我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。 （1） 不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键 国产数控机床缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌，但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对机床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距，同样难以得到大多数用户的认可。 （2） 制造水平与管理手段依然落后 一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高，加工手段基本以普通机床与低效刀具为主，装配调试完全靠手工，加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式，工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机床制造商能做到每周装调出产品，而国内的生产周期过长且很难控制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术改造和管理水平的提升。 （3） 服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素 由于数控机床产业发展迅速，一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，甚至对服务缺乏真正的理解，只注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解，不会使用或使用不好数控机床，更不能指导用户使用好机床；有的对先进高效刀具缺乏基本了解，不能提供较好的工艺解决方案，用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手，帮助用户进行设备选型，推荐先进工艺与工辅具，配备专业的培训人员和良好的培训环境，帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品，这样才能逐步得到用户的认同，提高国产数控机床的市场占有率。 （4） 加大数控专业人才的培养力度 从我国数控机床的发展形式来看需要三种层次的数控技术人才：第一种是熟悉数控机床的操作及加工工艺、懂得简单的机床维护、能够进行手工或自动编程的车间技术操作人员；第二种是熟悉数控机床机械结构及数控系统软硬件知识的中级人才，要掌握复杂模具的设计和制造知识，能够熟练应用UG、PRO/E等CAD/CAM软件，同时有扎实的专业理论知识、较高的英语水平并积累了大量的实践经验；第三种是精通数控机床结构设计以及数控系统电气设计、能够进行数控机床产品开发及技术创新的数控技术高级人才。我国应根据需要有目标的加大人才培养力度，为我国的数控机床产业提供强大的技术人才支撑。 1.3本设计的目的和内容伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。此次数控铣床伺服系统设计的选题能全面反映培养目标，与本专业密切相关，进一步巩固和加深所学的理论知识，能结合社会生产实际或科研实践，现实意义突出，具有一定的先进性，与市场的结合性好。通过本次数控铣床伺服系统设计，应使我在系统设计、绘图能力、查阅科技文献资料、使用各种标准、手册的基础上得到培养和锻炼。在综合训练过程中锻炼工程应用能力，启发创新能力，善于应用新技术、新工艺、新材料。1.4本课题研究的意义此次数控铣床伺服系统设计的选题能全面反映培养目标，与本专业密切相关，进一步巩固和加深所学的理论知识，能结合社会生产实际或科研实践，现实意义突出，具有一定的先进性，与市场的结合性好。通过本次数控铣床伺服系统设计，应使我在系统设计、绘图能力、查阅科技文献资料、使用各种标准、手册的基础上得到培养和锻炼。在综合训练过程中锻炼工程应用能力，启发创新能力，善于应用新技术、新工艺、新材料。1.5本章小节本章主要介绍了国内外数控机床的发展及差距以及课题研究的目的和意义。2. 数控铣床伺服系统介绍和选型2.1系统类型（1）华中数控系统基于嵌入式PC，具有5轴4联动控制功能，具有脉冲输出接口、模拟量输出接口；数字量输入输出点数可达40/32个；系统最小分辨率1m，最大移动速度：16m/min；系统具有直线、圆弧、螺旋线、正弦线插补，自动加减速控制；支持小线段连续加工功能，适用于复杂模具加工；系统支持反向间隙补偿，多达5000点的双向螺距误差补偿功能； 8MB Flash程序断电存储，8MBRAM加工缓冲区，可选配硬盘支持2GB数控程序存储；可采用RS232接口传输数控代码，可选配以太网接口；系统具有刀具半径补偿、刀尖半径补偿和刀具长度补偿等。（2）广州数控 系统具有4轴3联动控制功能，可扩展至7轴4联动控制；支持直线、圆弧、样条曲线插补；最快进给速度可达60m/min；系统具有256点输入输出点；，支持梯形图编程；具有99组刀具长度补偿和刀具半径补偿；直线坐标轴具有反向间隙及螺距误差补偿；系统支持刚性攻丝；系统采用4级密码控制系统操作权限；采用电子盘，用户程序容量可达32MB；系统可通过RS232接口实现与PC机通信，用于传输程序、参数和梯形图。支持U盘存储。（3）Fanuc高档数控系统 该系统最多支持3个通道，20个轴控制功能；系统具有直线插补、圆弧插补、指数插补、圆柱插补、极坐标插补、螺旋线插补、光顺插补、虚拟轴插补、圆锥/螺旋插补、渐开线插补等插补功能；系统具有刀具长度、刀具半径及磨损量、间隙、螺距误差、直线度、倾斜度等各项补偿功能；系统在分辨率为1m时最大进给速度可达240m/min；分辨率为0.1m时最大进给速度可达100m/min；在分辨率为0.01m时最大进给速度可达10m/min；PMC的指令处理速度可达33s/1000步，PMC用户程序存储容量可达2MB；PMC输入输出点数最多2048/2048点。（4）西门子数控系统西门子数控系统功能极为丰富，例如5个数字驱动轴，其中任意4个都可以作为联动轴进行插补运算，另一个作为定位轴使用，同时，还提供一个相应的数字式主轴（模拟主轴即将推出）作为一个变型使用, 在带C 轴功能时，可以采用3个数字轴，一个数字主轴，一个数字辅助主轴和一个数字定位轴的配置。新一代的西门子驱动技术平台SINAMICS S120伺服系统通过已经集成在元件级的DRIVE-CLiQ来对错误进行识别和诊断，从操作面板就可以进行操作，使用的标准闪存卡（CF）可以非常方便的备份全部调试数据文件和子程序，通过闪存卡（CF）可以对加工程序进行快速处理，通过连接端子使用两个电子手轮，216 个数字输入和144 个数字输出（0.25A），RCS802 - 远程诊断和远程控制（NC 和 PLC），RCSEvent（通过电子邮件进行远程诊断），USB口。2.2国内外数控系统的比较与差距国内外数控系统总体来说差距还是有。最近几年，普及型、中、高档数控系统的国产市场完全被外国公司垄断，国外一些知名厂家采用技术封锁和低价倾销的双重策略，利用其先进的技术和产品以及灵活多样的促销手段抢占中国市场，扼杀中国的数控民族工业。但随着时间的迁移，国内用户已逐渐领略到使用国外系统的弊端：不能及时维修及高昂的维修费用；不便于系统的更新；难于进行二次开发；由于国外厂家技术封锁，国外系统难于作二次开发，而许多用户要求系统的开放性，以便根据实际情况扩展功能；在低端市场，价格较国内的昂贵，性价比低。但是随着国内一些公司不断地科研创新，在高端市场也取得了跨越式的进展。这里以华中数控系统为例，介绍我国数控系统的快速发展以及与国外数控系统的比较。 由于华中数控系统采用了以工业PC机为硬件平台，DOS、 Windows及其丰富的支持软件为软件平台的技术路线，使主控制系统具有质量好，性能价格比高，新产品开发周期短，系统维护方便，系统更新换代和升降快，系统配套能力强，系统开放性好，便于用户二次开发和集成等许多优点。华中数控系统在其操作界面，操作习惯和编程语言上按国际通用的数控系统设计。国外系统所运行的G代码数控程序，基本不需修改，可在华中数控系统上使用。但是，华中数控系统采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能，便于用户学习和使用。系统提供类似高级语言的宏程序功能。具有三维仿真校验和加工过程图形动态跟踪功能，图形显示形象直观。操作、使用方便容易。与SIMENSE和FANUC的普及型数控系统相比较，华中数控系统在功能上毫不逊色，在价格上更为低廉，在维护和更新换代方面更为方便，但在外观和可靠性方面略差。 纵观国际上数控技术的发展的趋势，PC数控(即华中数控系统采用了以工业PC机为硬件平台)的技术路线是目前的主要潮流。SIMENSE和FANUC也不得不开始转向PC数控。国外PC-NC主要在原NC上增扩PC，用于图形、通讯和大容量存储，如FANUC 160、西门子840、和美国AB9360 等；另一种在PC上扩充带DSP处理器的控制卡，如FANUC open 4、美国DeltaTau 的PMAC等。相比之下，华中数控系统比较彻底地贯彻了PC-NC的技术路线，以PC+软件完成全部的NC功能，因而以国外低档数控系统的价格，实现了国外高档系统的功能，具有优良的性能/价格比。因此，由国家组织的专家鉴定会认为，华中数控系统是具有我国特色的高性能数控系统，是一项重大的科研成果，具有国际先进水平。此外，华中数控系统的SDI算法在PC上实现了复杂曲面直接插补。而国外目前还只有三轴的类似研究，且需高速硬件支持。如苏黎世大学使用小型机和高速浮点阵列；日本铃木裕使用PC+15个Transputer 处理器；三菱公司认为需要2000个6802068881 。而华中I型已经实现了SDI算法，并成功地运用于3轴、4轴、5轴联动加工。所以，由机械部组织的专家鉴定会认为该技术“属国际首创”，“具有当前国际先进水平”。 在中国，在“六.五”、“七.五”和“八.五”计划的支持下，我国先后研制成功华中I型、中华I型、蓝天I型、航天I型四个基本型数控系统。国内各系统均实现了高档多轴多过程控制。综上所述，我国的数控系统与国外有一定的差距，但是正不断减少。一些国内的数控厂商，如广州数控、凯恩帝、华中数控，正在积极发展自己的核心技术，希望早日进入数控系统的领先行业。但是数控系统的发展，同时也需要其他行业的配合发展，如电机、操作系统、传感器。作为国内制造业中最重要的一块，我们要共同努力，积极发展数控系统，为制造业尽自己的一份力量。2.3 系统选型FANUC系统是日本富士通公司的产品，通常其中文译名为发那科。FANUC系统进入中国市场有非常悠久的历史，有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有FANUC 0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在这些型号中，使用最为广泛的是FANUC0系列。系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。FANUC系统设计了比较健全的自我保护电路。PMC信号和PMC功能指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。系统提供串行RS232C接口，以太网接口，能够完成PC和机床之间的数据传输。FANUC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。本设计采用FANUC 0i MC系统，原因如下：（1） 系统具有很高的可靠性。系统在设计中大量采用模块化设计。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。FANUC 0i系统更进一步提高了集成度，在集成0系统的基础上，还集成了FROM和SRAM模块、PMC模块、存储器和伺服模块，从而将体积变得更小，可靠性更高；采用的机器人焊板，减少了认为参与，实现了全自动的制造，避免了由于人为不慎所造成的失误；具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力；有较完善的保护措施。和其它数控系统相比，FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。（2 ）功能全，适用范围广。FANUC系统在设计中始终以满足用户要求为其设计核心、具有较全的功能，适用于各种机底和生产机械。FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求；提供大量的PMC信号和PMC功能指令。这些丰富的信号和编程指令便于编制机床的PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性；具有很强的DNC功能，系统提供串行RS232C传输接口，使PC和机床之间的数据传输能够可靠完成，从而实现高速度的DNC操作；提供丰富的维修报警和诊断功能。FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类，每一条维修信息和诊断状态相当于医生的处方一样，便于用户对故障进行维修。2.4 本章小节本章主要介绍了几种数控系统，如华中数控、广州数控、西门子数控、FANUC数控，以及系统的选型。本设计选择FANUC数控。3数控铣床控制系统总体方案设计3.1.数控铣床的结构数控铣床结构如图3.1所示，X、Y、Z轴伺服电机通过联轴器直接连接丝杆螺母副，带动工作台移动，主轴伺服电机通过带轮传动带动主轴旋转。图3.1 数控铣床结构3.2.数控铣床控制系统的总体设计如图3.2，控制器是其中最核心的部分，所有的译码，运算以及脉冲的发出、接收等动作都是依靠它来进行的。本设计中直接采用日本FANUC 0i-MC系列控制器，这部分直接选型购买即可；图3.2中上方与控制器相连的是LCD/MDI键盘，LCD屏幕是人机交流的界面，通过它人们可以了解机床的工作状态、工作情况等等，这可以被认为是机床的输出的一部分，而与之相对的输入部分的功能则是由MDI键盘来实现的，人们可以通过它来进行程序的输入，程序的修改，参数的输入与修改等等操作；控制器的右左边部分是由X、Y、Z以及主轴伺服单元，X、Y、Z和主轴伺服电机构成。这部分是关系机床加工精度能否保证最关键的部分，也是机床最主要的执行部分。控制器通过编写的程序进行译码、运算，然后向伺服单元发出脉冲，这时的信号的强度是很微弱的，图3.2 控制系统总体图不能直接驱动电机，通过伺服单元将信号的强度放大，然后去驱动电机进行工作。通过丝杆螺母副将电机的转动，转为工作台的往返的直线动作。X轴、Y轴、Z轴伺服电机上都装有编码器，编码器可以根据进给情况，向控制器发出信号、决定控制器是否继续发出脉冲，发多少脉冲，这就构成了伺服反馈系统，由于编码器是装在电机上的，所以是半闭环反馈系统，机床的精度很大程度是由反馈系统的精度决定的，电机的旋转精度也是影响机床精度的重要因素之一。主轴伺服电机上装有变频器，通过变频器来精确控制转速的大小。控制器主轴也是通过上述过程来控制的，与上面的区别就是只控制转动比如急停，变速等，不要转换为直线运动；控制器下面连接的是I/O单元，这就是控制器与机床其它部分连接的通道，只有通过它，控制器才能与其它部分连接起来，比如通过I/O接口可以使连接两方的传送速度保持一致，通过它可以锁存数据等作用；I/O单元的下面就三大部分就是要和控制部分相连的部分，有机床操作面板、控制及动作检测元件（开关、按钮等）、机床控制电路。机床操作面板就是通过控制器来实现机床跟部分的运动，比如主轴转动，冷却液的开与停，比如循环启动按钮就是启动机床时所用的。机床控制电路是实现机床逻辑动作所必须的。与机床控制电路相连的是电源和执行部件部分，电源是提供电的，执行部分就是具体的动作的部分，控制电路就是用来实现执行部分逻辑动作。3.3 电机功率计算电机的容量（功率）选的合适与否，与电机的工作和经济性都有影响。容量小于工作要求，就不能保证工作机的正常工作，或使电机长期过载而过早损坏；容量过大则电机价格高，能力又不能充分利用，由于经常不满载运行，效率和功率因数都较低，增加电机消耗，造成很大的浪费。电机的容量主要是根据电动机运行时的发热条件来决定。电机的发热与其运行状态有关。运行状态有三类，即长期连续运行、短时运行和重复短时运行。变载下长期运行的电机、短时运行的电机（工作时间短、停歇时间长）和重复短时运行的电机（工作时间和停歇时间都不长）的容量要按等效功率法计算并校验过载能力和启动转矩。本课题为变化很小的载荷下长期连续运行的机械，只要所选电机的额定功率ped等于或稍大于所需的电机功率pw，即ped=pd，电机在工作时就不会过热，通常可以不必检验发热和启动力矩。本设计电机所需功率为 （3.1）式中：-电机工作功率， 工作机所需要工作功率，； 由电机到工作机主动端工作台的总功率。工作机所需工作功率，应由机械工作阻力和运动参数（线速度或转速、角速度）计算求得。在本设计中，可按以下公式计算 （3.2）或 （3.3） 或 (3.4)其中：工作机的工作阻力，； 机床丝杆的线速度，； 工作机的阻力矩，； 工作台的转速，； 机床丝杆或主轴的角速度，.传动装置的总效率应为组成传动装置的各部分运动副效率之乘积，即其中：分别为每一传动副（齿轮、蜗杆，带或链）、每对轴承、每个联轴器的效率。本设计中XYZ轴电机功率选择用公式（3.1）、（3.2）得： 其中：工作阻力为； 为进给速度 ； 为一对联轴器效率，查表取其效率为0.98； 为轴承效率，查表取其为0.98； 丝杆螺母传动效率，查表取其为0.92求得= ，取X、Y、Z电机功率为。主轴功率计算取公式（3.1）、（3.4） 其中：阻力矩为；主轴转速为;为1，没有其它的传动副，所以求得：=，取3.4 电机类型的选择以上已得到各电机的功率，可得到各电机的选型：X、Y轴：FANUC的A06B-0243-B101 12i伺服电机Z轴：由于配重问题，选FANUC的A06B-0243-B101 12Bi伺服电机主轴：iI6/12000 A06B-1246-B103伺服电机3.5 编码器的选择根据X、Y、Z轴伺服电机的功率，查资料，选择A64 分辨率为 65536(216)绝对式编码器。绝对型光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。3.6 伺服单元选择根据电机容量，电机功率，伺服单元选择型号如下：X、Y、Z轴： A06B-6114-H105 SVM1-80I单轴 A06B-6114-H209-SCM2-80/80I双轴主轴： A06B-6111-H101#H550 SPM11I伺服单元伺服单元就是指伺服驱动器，是根据系统指令驱动电机运转并回收电机编码器数据的单元3.7 变频器的选择根据主轴电机功率，选择三菱FR-E7OO系列。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用E700系列可实现高驱动性能的经济型产品，可应用于起重、电梯、包装、机械、抽压机等行业。具有多种磁通矢量控制方式：在0。5Hz情况下，使用先进磁通矢量控制模式可以使转矩提高到200%（3.7kw以下）。短时超载增加到200%时允许持续时间为3S，误报警将更少发生，经过改进的限转矩及限电流功能可以为机械提供必要的保护。3.8伺服单元的接线图图3.3 伺服单元接线图伺服单元的连线如图3.3所示，该图包括了非熔丝断路器、噪声滤波器、磁力接触器、电抗器、制动电阻、上位控制器、伺服电机、制动器电源及接地线的连接情况各个部件的连接部位如图3.3所示。3.9本章小结本章主要介绍了数控铣床伺服系统的总体结构，以及电机功率的计算及选型，变频器、编码器、伺服单元的选型和伺服单元的连接。4电路设计4.1 主电路设计主电路设计通常包括电动机电路、控制电源电路等。4. 1.1 电动机主电路如图4.1所示，为数控铣床的主电路图。图中两台电动机，即刀具冷却电动机和冲屑电动机，均为普通三相异步电动机，分别通过接触器KM1、KM2控制其单方向运行。途中1、2区为电源区，通过TC1伺服变压器，输出200V AC两路电源。U13、V13、W13作为图5.2/B1区各伺服模块的二相电源和D1区的主电机风扇的三相电源。U14、V14、W14作为图5.2/D1区的三相伺服动力电源，由KM0进行进行控制和保护。图中E1E4为浪涌吸收器。总空气开关QF0带脱扣线圈（具有远程控制功能），由图4.3/A2区的门开关（SQ1）进行电器柜开门断电的保护控制。图4.1 电动机主电路图4.1.2 电源电路如图4.2所示，为数控铣床的电源电路图。图中二相380V AC电源R、S，通过变压器TC2输出四种电源电压。交流220V电压控制润滑电动机M6和电器柜空调电动机M7。交流110V通过空气开关QF5输出到图4.3/A区，作为机床控制回路的交流电源；另外，通过整流器VC1、VC2输出24V DC电压，分别作为系统I/O接口电源、直流继电器电源和NC、CRT的电源。交流27V经整流器VC3、VC4输出24V DC电压，分别作为电磁阀YV3、YV4（见图4.3/A区）和Z轴制动器YC（见图5.2/D3区）的电源。交流24V为照明灯电源。 图4.2 电源电路图4.2 控制电路设计控制电路包括交流接触器控制电路、电磁阀（此处为气阀）控制电路、中间继电器控制电路等。4.2.1 交流接触器控制电路图4.3 交流接触器控制电路如图4.3所示，为数控铣床交流接触器部分控制电路图。总电源空气开关的脱扣线圈受门开关SQ1的常闭点控制。电器柜门打开时，SQ1处于松开状态，其常闭触点接通，使QF0脱扣线圈通电，空气开关跳闸，机床电源断。主接触器KM0线圈受伺服主交流接触器点MCC控制。200V AC伺服电源通电后，MCC触点接通（即伺服准备好），则KM0线圈通电，接通三相交流伺服动力电源（图4.1/D2区的U14、V14、W14）。KM1和KM2分别由直流继电器KA12和KA13控制，而KA12和KA13的线圈与PMC的输出接口连接，由PMC程序控制。4.2.2 电磁阀控制电路图4.4 电磁阀控制电路如图4.4所示，为电磁阀控制电路图。此电路主要控制刀具松开气阀YV3和主轴吹气气阀YV4，其电源（3L+，3L-）为24V DC电压。继电器KA10、KA11由PMC控制。与YV3、YV4线圈并联的二极管D3、D4为续流二极管4.2.3 继电器控制电路图4.5 继电器控制电路中间继电器多数由PMC控制，而系统上电继电器KA0和急停继电器KA1却不经过PMC，而是手动直接控制。如图4.5所示，为两者的控制电路，其电源也是24V DC。系统上电由SB1起动，SB2停止。正常工作时，急停急停继电器KA1线圈断开，控制电源模块的ESP急停信号断开（见图5.3/A1区），使伺服单元停止工作。超程解除继电器KA7（由面板输入，通过PMC控制输出）接通时，急停继电器KA1线圈接通，可使伺服单元恢复工作。4.3 本章小结本章包括主电路和控制电路的设计。5信号连接5.1 主板互连接图图5.1 主板互连接图如图5.1所示，为主板互连接图。图中B1区的W47电缆连接到图5.2/C2区主轴伺服放大器的JA7B端口；C1区中的W48电缆连接到图5.2/B3区主轴伺服放大器COP1端口的OB端。图中还有一些外部设备的连接，如CRT/MDI、穿孔板、手摇脉冲发生器等。C1区的DC-IN(CP1)接口连接外部24V DC电源（1L+、1L-），再通过DC-OUT(CP2)接口，向各I/O外设提供给电源。5.2 伺服互联图图5.2 伺服互联图如图5.2所示，为伺服互联图。它包括电源模块、主轴模块、伺服模块之间的连接形式以及伺服放大器与电机之间的连接形式。图中三相200V AC电源U13、V13、W13来自图4.1/E1区，为电源模块及主电机风扇电机提供 ；而三相200V AC电源U14、V14、W14来自图4.1/E2区，为伺服放大器提供动力电源。5.3 数控装置接口图5.3 数控装置接口5.3.1 数控装置的基本组成FANUC 0i 数控装置由主板模块和I/O接口模块两部分构成。主板模块主要包括CPU、内存、PMC控制、I/O LINK控制、伺服控制、主轴控制、内存卡I/F及LED显示等。I/O模块主要包括电源、I/O接口、通信接口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器和高速串行总线等。5.3.2 数控装置接口简介如图5.3所示，数控装置的各指示灯及接口信号如下。（1） 指示灯“STATUS”（状态）LED指示灯。“ALARM”(报警)LED指示灯。（2） “BATTERY”电池。（3） “CP8”接口。电池接口。（4） “MEMORY CARD CNMC”插口。PMC编辑卡与数据备份存储卡的接口。（5） “RSW1”旋转开关。维修时用。（6） “JD1A”，即I/O LINK接口，为串行接口，用于NC与I/O各种单元的连接（如机床操作面板、I/O扩展单元等），可对各设备的I/O信号进行高速传送。（7） “JA7A”，即SPDL口（串行主轴或位置编码器接口）。系统使用数字（串行）主轴时，与伺服模块的“JA7B”接口连接。但是，使用模拟主轴时，此接口连接位置编码器的主轴反馈信号。（8） “JA8B”，即A-OUT模拟主轴接口。与模拟主轴伺服放大器连接，控制模拟主轴电动机。（9） “JS1A”，即SERVO1伺服模块接口。与伺服模块定义的第1轴接口连接。（10） “JS2A”，即SERVO2伺服模块接口。与伺服模块定义的第2轴接口连接。（11） “JS3A”，即SERVO3伺服模块接口。与伺服模块定义的第3轴接口连接。（12） “JS4A”，即SERVO4伺服模块接口。与伺服模块定义的第4轴接口连接。（13） “JF21”即SCALE1光栅尺1接口。与系统定义的第1轴的光栅尺连接。（14） “JF22”即SCALE2光栅尺2接口。与系统定义的第2轴的光栅尺连接。（15） “JF23”即SCALE3光栅尺3接口。与系统定义的第3轴的光栅尺连接。（16） “JF24”即SCALE4光栅尺4接口。与系统定义的第4轴的光栅尺连接。（17） “JF25”，即SC-ABS分离式脉冲编码器电池接口。该接口连接的电池用于ABS绝对型光栅尺位置数据的保存。（18） “JD5A”，即RS-232-1串行接口。主要用于与外部设备的连接，可以将加工程序、参数等数据从外部设备输入到系统中来或从系统中输出信号给外部设备。例如计算机信号的传送，即通过此端口。（19） “FUSE”即熔断器。（20） “PIL”，即电源指示灯。（21） “DI/DO-2”，即内装I/O卡接口2。（22） “DI/DO-1”， 即内装I/O卡接口1。（23） “CP1A”即DC IN电源输入接口。与外部+24V DC电源连接，为控制单元提供电源。（24） “CP1B”,即DC OUT电源输出接口。与显示单元相连，为显示单元提供电源。其显示单元接口是“CP5”(LCD时)或“CN2”（CRT时）。（25） “JA1”，即CRT显示器接口。（26） “JA2”，即MDI手动数据输入装置接口。与MDI单元连接，即键盘的连接。（27） “JD5B”,即RS-232-2串行接口。（28） “JD3B”，即MPG手摇脉冲发生器接口。（29） “DI/DO-4”,即内装I/O卡接口4。（30） “DI/DO-3”,即内装I/O卡接口3。（31） “MINI SLOT”,即FSSB高速串行总线接口。用于与个人计算机的通信接口。5.4 电源模块接口如图5.4所示，电源模块各指示灯及接口信号如下。（1）“TB1”，即直流电源输出端。与主轴模块和伺服模块的直流输入端相连，为其提供直流电源（24V DC）。（2）“STATUS”（状态）LED指示灯。用于表示电源模块所处的状态。出现异常时，显示相关的报警代码。（3）“CX1A、CX1B”.CX1A为200V AC输入接口；CX1B为200V AC输出接口，与主轴模块的CX1A接口连接。（4）“CX2A、CX2B”。CX2A为24V DC输入接口；CX2B为24V DC输出接口。该接口一般与主轴模块的CX2A连接，输出急停信号。（5）直流回路连接充电状态LED。在该指示灯完全熄灭后，方可对模块电缆进行各种操作，否则有触电危险。（6）“JX1B”，即模块连接接口。一般与主轴模块的JX1A连接，作通信用。（7）“CX3”即MCC接口。该接口连接主接触器的触点，用于控制输入电源模块的三相交流电源的通断。图5.4 电源模块接口（8）“CX4”即ESP信号接口。该接口用于连接机床的急停信号。（9）“S1、S2”，即再生相序选择开关。一般默认S1短路。（10）电源模块电流、电压检查接口。（11）三相交流电电源输入端。5.5 伺服模块接口图5.5 伺服模块接口如图5.5所示，伺服模块各指示灯及接口信号如下。（1） “P、N”，即直流电源输入端。与电源模块、主轴模块和其他伺服模块的直流输入端相连。（2） “BATTERY”电池。用于系统断电后，保存绝对型位置编码器的位置数据。（3） “STATUS”（状态）LED指示灯。用于表示伺服模块所处的状态。出现异常