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数控铣床控制系统的设计与研究论文.doc

数控铣床控制系统的设计与研究【Protel电路图9张】【优秀】

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关键词：: 数控铣床控制系统设计研究数控铣床控制系统的 protel 电路图数控铣床

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数控铣床控制系统的设计与研究

35页 17000字数+说明书+外文翻译+答辩PPT+任务书+开题报告+电路图【详情如下】

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1 引言 1

1.1 数控机床的概述 1

1.2 数控技术的发展与现状 3

1.3 FANUC公司介绍 5

1.4 BEIJING-FANUC O 系统介绍 6

1.5 本课题的主要任务与解决方法 9

2 数控铣床控制系统的总体方案设计 10

2.1 数控铣床的结构 10

2.2 数控铣床控制系统的总体设计 10

3 控制系统驱动单元设计 12

3.1 电机功率计算 12

3.2 电机类型的选择 14

3.3 伺服单元的选择 15

3.4 伺服单元的接线图 15

4 控制系统电路设计 16

4.1 主电路设计 16

4.2 控制电路设计 18

4.3 其他电路的设计 20

5 控制面板设计 22

5.1 外部功能区 23

5.2 CNC控制功能区 23

5.3 机床状态指示区 25

6 PMC程序设计 26

6.1 控制要求 26

6.2 变量名的标注 26

6.3 PMC输入原理图 27

7 其他标件选型设计 28

7.1 接触器的选型 28

7.2 断路器的选型 28

7.3 其他标件的选择 30

结束语 31

致谢 32

参考文献 33

1 引言

1.1 数控机床的概述

1.1.1 数控机床的产生

随着社会生产与科学技术的迅猛发展，机械生产日趋精密且结构愈加复杂。这不仅增加了对机床加工精度要求，对机床加工的灵活性要求也变的更高。仿型机床基本解决了小批量、复杂零件的自动化加工问题。但是靠模的制造、安装和调整要花费许多劳力，而且为小批量生产甚至单件制造靠模也很不经济。另外，仿型机床生产出的零件误差受靠模制造误差的影响，不能满足一些高精度零件的加工要求。随着微电子技术、自动信息处理技术、数据处理以及电子计算机技术的发展，给自动化技术带来了新的理念，推动了机械制造自动化的发展[1]。于是，第一台数控机床是为航空工业制造复杂零件的需要而产生。

1.1.2 数控机床的组成

数控机床由四个方面组成：

(1)控制介质

(2)数控装置

(3)伺服系统

(4)机床本体

1.1.3 数控机床的特点

数控机床有以下特点：

(1)提高加工精度，产品质量稳定

(2)提高生产效率

(3)提高了加工零件的适应性、灵活性

(4)减轻工人劳动强度

(5)提高生产管理水平

1.1.4 数控机床的发展方向

目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展：

(1)高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮TIMKEN轴承、液体动静压进口轴承或陶瓷滚动NSK轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。

(2)多功能化。配有自动换刀机构(刀库容量可达100把以上)的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。

(3)智能化。现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。

(4)数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD／CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD／CAPP／CAM集成的全自动编程方式，它与CAD／CAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。

(5)可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减

内容简介：: 本科毕业设计说明书（论文）第 I 页共 I 页目录 1 引言 1 数控机床的概述 1 数控技术的发展与现状 3 5 系统介绍 6 本课题的主要任务与解决方法 9 2 数控铣床控制系统的总体方案设计 10 数控铣床的结构 10 数控铣床控制系统的总体设计 10 3 控制系统驱动单元设计 12 电机功率计算 12 电机类型的选择 14 伺服单元的选择 15 伺服单元的接线图 15 4 控制系统电路设计 16 主电路设计 16 控制电路设计 18 其他电路的设计 20 5 控制面板设计 22 外部功能区 23 23 机床状态指示区 25 6 26 控制要求 26 变量名的标注 26 27 7 其他标件选型设计 28 接触器的选型 28 断路器的选型 28 其他标件的选择 30 结束语 31 致谢 32 本科毕业设计说明书（论文）第共参考文献 33 本科毕业设计说明书（论文）第 1 页共 33 页 1 引言数控机床的概述数控机床的产生随着社会生产与科学技术的迅猛发展，机械生产日趋精密且结构愈加复杂。这不仅增加了对机床加工精度要求，对机床加工的灵活性要求也变的更高。仿型机床基本解决了小批量、复杂零件的自动化加工问题。但是靠模的制造、安装和调整要花费许多劳力，而且为小批量生产甚至单件制造靠模也很不经济。另外，仿型机床生产出的零件误差受靠模制造误差的影响，不能满足一些高精度零件的加工要求。随着微电子技术、自动信息处理技术、数据处理以及电子计算机技术的发展，给自动化技术带来了新的理念，推动了机械制造自动化的发展 1。于是，第一台数控机床是为航空工业制造复杂零件的需要而产生。数控机床的组成数控机床由四个方面组成： (1)控制介质 (2)数控装置 (3)伺服系统 (4)机床本体数控机床的特点数控机床有以下特点： (1)提高加工精度，产品质量稳定 (2)提高生产效率 (3)提高了加工零件的适应性、灵活性 (4)减轻工人劳动强度 (5)提高生产管理水平数控机床的发展方向目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展： (1)高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加本科毕业设计说明书（论文）第 2 页共 33 页工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮承、液体动静压进口轴承或陶瓷滚动承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。 (2)多功能化。配有自动换刀机构 (刀库容量可达 100 把以上 )的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的 “前台加工，后台编辑 ”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。 (3)智能化。现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。 (4)数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成件加工程序，以实现集成。随着术的发展，当前又出现了成的全自动编程方式，它与统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的据库获得。 (5)可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。数控系统将本科毕业设计说明书（论文）第 3 页共 33 页采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用 “冗余 ”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。 (6)控制系统小型化。数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。数控技术的发展与现状自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，从1952 年至今已发展了六代。 1952 年研制成功了第一台数控机床，其数控系统全部采用电子管元件，称之为第一代数控系统。 1959 年在数控系统中广泛采用晶体管分离元件和印刷电路板，这使数控系统步入第二代。 1965 年出现了小规模集成电路，使得数控系统可靠性更高，数控系统发展到了第三代。以上三代都采用专用控制计算机的硬接线数控系统，称之为硬件系统，统称为普通数控（统。随着计算机技术的发展，小型计算机的出现，比起专用控计算机，在经济上是合算的，在功能与可靠性上也提高了很多，于是， 1970 年在美国芝加哥机床展览会上首次出现了采用小型计算机替代专用控制计算机的数控机床，即计算机数控（统。标志了第 4 代系统的出现。后来到 1974 年出现的微处理器技术为特征的数控系统称为第五代。 1990开始出现第六代采用工业开放式统，该系统优点主要有： (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 (如接网卡、声卡、打印机、摄影机等 )； (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。本科毕业设计说明书（论文）第 4 页共 33 页在近 20 多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从 20 世纪 90 年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于机的数控系统，即统，它被划入为所谓的第六代数控系统 2 4。当今世界的各种数控系统大致可分为以下 4 种类型： (1)传统专用型数控系统。这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠，目前还占领着制造业的大部分市场。但由于其采用一种完全封闭的体系结构，往往存在以下缺点： (a)用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家，系统维护费用较高； (b)系统功能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较长； (c)大量市售廉价通用软硬件在专用数控系统上无法使用，功能比较单一 5。因此，随着开放式体系结构数控系统的不断发展，这种传统专用型数控系统的市场正在受到挑战，市场份额已经在逐渐减小。 (2)入构的开放式数控系统。如 8i, 类数控系统与传统专用型数控系统相比，结构上具备一些开放性，功能十分强大，但系统软硬件结构十分复杂，系统价格也十分昂贵，一般的中小型数控机床生产厂家没有经济能力去购买。 (3)入构的开放式数控系统。这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡与构成。运动控制卡通常选用高速为有很强的运动控制和制能力。如日本 4构造的 40 种数控系统的开放性能比较好，并且对功能进行改进也比较方便，系统的控制功能主要由运动控制卡来实现，机床硬件发生改变时，只需要修改相应部分的控制软件，并且系统性价比也比较高，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要 6 8。 (4)全软件型的开放式数控系统。这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数控功能 (包括插补、位置控制等 )全部都是由计算机软件来实现的。与前几种数控系统相比，全软件型开放式数控系统具有最高的性价比，因而最有生命力。其典本科毕业设计说明书（论文）第 5 页共 33 页型产品有美国司的国司的及司的统等 9。数控技术的发展趋势： (1)性能方面的发展趋势： (a)高速高精度高效 (b)柔性化 (c)工艺复合和轴化 (d)实时智能化 (2)功能发展方面： (a)用户界面图形化 (b)科学计算可视化 (c)插补和补偿方式多样化 (d)内置高性能 e)多媒体技术应用 (3)体系结构的发展： (a)集成化 (b)模块化 (c)网络化 (d)开放式闭环控制模式 10 司介绍早在 1956 年，日本技术专家预见到未来 3C(代即将到来，一方面集聚有关人才，另一方面即着手开展这方面的发展工作。当时富士通信制造株式会社 (即现在的富士通公司 )立即挑选出稻叶右卫门 (1946 年东京大学机械系毕业 )负责控制科研组的工作。 1972 年，数控富士通公司独立出来，成为富士通 1982 年 7 月改名为式会社，稻叶一生领导司，直至 1995 年退休。在稻叶领导下，控制研究组从 1957 年的几个人不断壮大。稻叶回忆， 1959 年研制成功电液脉冲马达，1960 年完成连续切削用开环数控的 1 号机床。但是， 1973 年世界石油危机背景下，电液脉冲马达的液压阀效率低，加上随动性能较差，织人力研究开发新的电液脉冲马达不成，稻叶当机立断，做出引进美国盖迪 (流伺服电机来代替的本科毕业设计说明书（论文）第 6 页共 33 页决定，三天内飞往美国签订了合同，全力投入制造， 2 个月完成。稻叶认为，石油危机给个发展的好机会，其关键在于远见卓识，当机立断，在引进此技术时不断消化创新。加强科研、坚持商品开发三原则。这三原则为： (1)提高商品的可靠性（； (2)比同类商品降低成本（； (3)用最少零件制出商品（文） 11 13。仅有公司本身发展壮大的完整战略战术，且有完整的占领世界市场的国际战略。前在欧美亚，已先后成立许多合作公司、服务中心、各种事务所。例如， 1986 年 12 月就在美国弗吉尼亚成立了动化股份公司，持50股份，占领了美国数控系统的市场。在韩国、中国、中国台湾、法国、意大利、瑞典、新加坡、香港、泰国及许多地方、城市建立了众多的公司网络，到处都有其正确的战略战术，发展世界广大市场急需的数控系统，在规格系列上是当今世界上最完整的，并基于其强大的科研实力和严密步骤，努力不断开发高端商品。透彻了解用户、世界市场需求，不断开发新商品，占领市场，也是功的重要经验。例如，开始出新的 “系列 16”在 1990 年 9 月美国芝加哥国国际机床展）上展出，一时造成沸腾。 “系列 16”新统的出现，在世界市场上掌握了主动权。又如：针对中国市场需求量大、中档、价廉物美的数控机床，需要量大面广之数控系统配套， 1985 年开发出 O 系列，后又不断改进，占领了中国的广大市场，并通过北京电有限公司，在中国大量推销，获取了巨大利润。北京发那科机电有限公司是由北京机床研究所与日本 992年共同组建的合资公司，专门从事机床数控装置的生产、销售与维修。注册资金 1130 万美元，美国北京实创开发总公司各参股 10%，中外双方股份各占 50%。北京机床研究所是中国机床工业最大的研究开发基地，国内第一台数控机床在该所诞生， 1980 年引进术，成立了国内第一家数控装置生产厂，为中国数控机床的发展奠定了基础，并在数控技术及其应用方面具有领先的优势。系统介绍系统的元硬件结构北京发那科机电有限公司由司购买印制板组装生产元。系统采用了许多富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片。本科毕业设计说明书（论文）第 7 页共 33 页系统的元为大板结构。基本配置有主印制电路板、存储器板、 I/O 板、伺服轴控制板、和数控电源板。各板插在主板上，与总线相连。 (1)主板主该板上。主于系统主控，原来用 80386，后来改用80486/外，显示器的制也在该板上。 (2)存储器板该板上有： (a)系统的控制软件 5 片）。 (b)伺服控制软件。 (c) 片 2 片用于存储机床的强电控制逻辑程序。 (d)于寄存中间运算数据，根据需要安装。 (e)于存储系统和机床参数，零件加工程序。根据用户要求配置，最大可为 128池相连，关机时保存信息。 (3)I/O 板该板是元与机床强电柜的接口。 (4)进给伺服控制板系统全部用数字式交流伺服控制。其控制板装在元内，插在主板上，即元与进给伺服为一体化设计。伺服板上有 2 个用于伺服的数字控制。每个制两个轴，一块板可控轴 4 个轴。该板接受主配的伺服控制指令，输出 6 个相位差 60 度的脉宽调制信号，加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。 (5)电源主要有 5V 直流电源，用于各板的供电， 24V 直流电，用于单元内继电器控制，除上述这些板外，还有图形控制板、、远程缓冲器板等等。显示功能系统的显示器可用可用准为 9 英寸黑白承高密度字符显示，也可配彩色显示器。系统有图形显示功能： (1)对编制的加工程序进行加工前的图形模拟，模拟刀尖的轨迹或加工件的三维实体形状； (2)在加工过程中显示刀尖的轨迹，使操作员能够监视切削过程，图形可局部放大，以便观察细节。显示图形必须用图形控制板，该板为专用微处理器， 80186。制专门用于机床的系统中的有 47条指令（基本指令有 12 条，功能指令有 35 条）。基本指令为二进制位的逻辑运算，功能指令主要有数据定义、数据变换、译码和代数运算。系统编制序逻辑程序。由于有功能指令，使得序编制非常容易、简捷。本科毕业设计说明书（论文）第 8 页共 33 页进给伺服驱动系统进给轴的驱动使用交流同步电机，目前为系列。根据其负载特性和快速性分为：（标准型）、 M（高加速特性）、 C（经济型）、 L（低惯量型），最大力矩为 400N m。电机轴上装有脉冲编码器，每转发出 65536个脉冲，用于位置反馈和速度反馈。这种位置反馈，是间接测量工作台的直线位移，所以被称为半闭环伺服系统。但是，只要设定相应的参数，系统可以使用直线光栅尺，使系统接成全闭环。除此之外，还可接成双位置反馈，即同时具有上述两个闭环，这样既可以提高系统的稳定性，还可以提高系统的快速性和加工精度。主轴驱动系统可以同时控制两个主轴电机，可以是 2 个数字式控制的电机，也可以一个数字式，另一个为模拟式控制电机。模拟控制指令是 0 10V 的直流电压。该系统的主轴电机为异步电机，目前为系列，有以下品种： (1)标准型，恒功率调速范围 4： 1； (2) P 恒功率宽调速范围型（ 8： 1）； (3) C 经济型； (4) 轴电机的最大功率为 37高转速可达 15000r/数字式矢量控制。主轴驱动有速度控制和位置控制两种方式，普通加工为速度控制。主轴电机轴上装有圆形磁性传感器，用作速度反馈，位置控制用于主轴同步、主轴定向、刚性攻丝、C 轴轮廓控制。因此需要控制主轴的转角或转位，轮廓控制时要与其它轴插补。此时需要在机床的主轴上安装位置编码器，普通的为每转发出 1024 个脉冲，高精度的为每转发出 360000 个脉冲。主轴控制用单独的理器为据为串型传送，因此可靠性比较高。行口及数据通讯系统有两个串行口，（分四个通道，用于系统和外部数据的交换，交换的数据包括：系统和机床的设定参数、件加工程序、刀具补偿值、设定的工件坐标系、丝杠的螺距补偿值等。与计算机相连时，计算机内必须装有数据传输软件。最快的传送速率为 9600b/s。除了上述信息交换外，利用串行口通讯还可以实现下列方式的在线加工与机床本科毕业设计说明书（论文）第 9 页共 33 页 (1)纸带方式的加工：加工复杂零件时，加工程序非常长，将程序存于外设，如计算机的软盘。用电缆将与串行口连接后，启动自动加工， 5个程序段，开始加工。此后加工一段读入一段，直至结束。 (2)远程缓冲：上述方式虽然解决的长程序的存储问题，但由于数据的边读入、边处理、边工作，所以加工速度慢。对于小程序段，快速加工，走刀有停顿现象，为此开发了远程缓冲功能。 (3)可使主计算机远程相连，实现多台机床的加工监控与管理。连接方式为点据传输协议为输速率最高为 19200b/s。 14 16 本课题的主要任务与解决方法随着中国经济的迅速发展，数控设备的需求越来越多，对于机械工程与自动化专业方向的学生而言，对研究数控机床的控制系统是十分必要的。本课题目的主要通过学生系统地对数控铣床的控制系统（以行集成设计，使学生能够综合利用大学四年所学的专业知识，完成数控铣床的控制系统的集成设计，充分掌握数控铣床控制系统的总体设计、数控系统的驱动单元设计、数控系统的电路设计、操作面板的设计以及机、接触器、断路器等）的选型设计，为即将走向工作岗位奠定一个坚实的基础。针对本设计，我决定： (1)首先要收集国内外在粉碎机方面的先进成果，对这些先进的成果加以总结学习，并到南通机床厂进行相关内容调研； (2)总结相关信息，进行数控铣床控制系统的总体设计； (3)进行数控铣床控制系统驱动单元的设计； (4)完成数控系统的电路设计； (5)设计操作面板； (6)编制部分； (7)最后对其他标准件（电机、接触器、断路器等）的选型设计。本科毕业设计说明书（论文）第 10 页共 33 页 2 数控铣床控制系统的总体方案设计数控铣床的结构数控铣床结构如图示， X、 Y、 Z 轴伺服电机通过联轴器直接连接丝杠螺母副，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。图机床结构图数控铣床控制系统的总体设计如图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、接收等等动作都是依靠它来进行的，本设计中直接采用日本部分直接选型购买即可；图上方与控制器相连的是盘，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、 X、 Y、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。控本科毕业设计说明书（论文）第 11 页共 33 页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，是不能直接驱动电机，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。通过丝杠螺母副将电机的转动，转为工作台的往返的直线运动。 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，这就是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，通过变频来精确控制转速的大小。控制器控制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/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，冷却液的开与停等。控制及动作检测元件其实就是一些开关和按钮实现一些动作的开与停，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。图数控铣床总体设计图本科毕业设计说明书（论文）第 12 页共 33 页 3 控制系统驱动单元设计电机功率计算电机的容量（功率）选的合适与否，对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，能力又不能充份利用，由于经常不满载运行，效率和功率因数都较低，增加电能消耗，造成很大的浪费。电机的容量主要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，其计算方法可参看有关电力拖动的书籍。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 d，即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 (式中：电机工作功率，工作机所需要工作功率， a 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，不同专业机械有不同计算方法。在本毕业设计中，按课程设计任务书给定的工作机参数按下式计算 1000 (或 9550( 本科毕业设计说明书（论文）第 13 页共 33 页或 1000(其中： F 工作机的工作阻力， N； v 机床丝杠的线速度， m/s； T 工作机的阻力矩， N m； n 工作台的转速， r/ 机床丝杠或主轴的角速度， s。传动装置的总效率 a 应为组成传动装置的各部分运动副效率之乘积，即 n 321 其中： n 321 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。本设计中电机功率选择用公式： 1000321 其中： 5 000mm/ 1 为一对联轴器效率，查表取其效率为 2 为轴承效率，查表取效率 3 为丝杠螺母传动效率，查表取效率为求得 X、 Y、主轴计算取公式取用公式中： m； 2000r/ a 为传动效率，因为主轴是电主轴没有别的传动副，此效率为 1，所以经计算得取主轴电机功率 117。本科毕业设计说明书（论文）第 14 页共 33 页电机类型的选择数控机床一般采用步进电机或伺服电机，选择的方法视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。如表表步进电机与伺服电机的比较步进电机系统伺服电机系统力矩范围中小力矩（一般在 20 小、中、大，全范围速度范围低（一般在 2000力矩电机小于 1000 高（可达 5000,直流伺服电机更可达 12万转 /分控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置 /转速 /转矩方式平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，运行平滑精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率）矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬过载特性过载时会失步可 310 倍过载（短时）反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步闭环方式，编码器反馈编码器类型电型旋转编码器（增量型 /绝对值型），旋转变压器型响应速度一般快耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动）温升运行温度高一般维护性基本可以免维护较好价格低较高结合本设计设计数控铣床的工作条件，故选择伺服电机。伺服电机又分交流与直流两类，直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换本科毕业设计说明书（论文）第 15 页共 33 页碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大。目前技术已有厂家可以做到很大的功率 18 20。经分析选交流伺服电机， X,06 12 轴电机由于配重问题选 12服电机。主轴电机选择2000 伺服单元的选择因伺服电机已选择完毕，电机容量已确定， X、 Y、以伺服单元选取一个轴伺服单元 ,一个规格为0I 的双轴伺服单元。主轴伺服电机功率为 11选定550 轴伺服单元 21。伺服单元的接线图伺服单元的连线如图示声滤波器、磁力接触器、电抗器、制动电阻、上位控制器、伺服电机、制动器电源以及接地线的连接情况各个部件的连接部位如图图伺服单元接线图本科毕业设计说明书（论文）第 16 页共 33 页 4 控制系统电路设计控制系统电路有主电路、控制电路、交流控制电路、直流控制电路、各控制模块之间的连接电路等等。主电路设计主电路设计如下图源空气开关床通电后，操作面板上机床电源指示灯亮。 1 号图区为源模块电源进线线路图， 80出三相 200V 通过关、触器给伺服电源单元电，主轴电机风扇供电。 2 号图区为两个冷泵电机的供电电路图， 2供电。3供电。如图控制电路由压器输出电压分别为交流 220V、 110V、 22V 的三组电源。 2204V 直流稳压电源以及部分 220V 用电器供电。 110V 为自动润滑、热交换器风扇、电磁阀等电气部件提供电源，并作为交流控制回路的控制电源。 22V 为工作灯电源。 1 2 3 4i t l eN um be r R e vi s i i z a t e : 8- M a y - 2009 S he e t F i l e : C : D o c um e nt s a e t t i h M y D oc um e nt s B A C 519 BD r a w n B y :15K V 220V+ P - Q F 2E / B 6R S T+ P - Q F 1+ P - Q F P - K M 2M 3 2 1 V 21 W 21+ P - Q F P - K M 6M 3 3 1 V 31 W 311 1L 11L 21L 3电气主电路图N O C / B 2= E / F 3P S M 电源模块的电源进线冷泵 1 冷泵 2 润滑热交换器热交换器热交换器图主电路图本科毕业设计说明书（论文）第 17 页共 33 页 1 2 3 4i t l eN um be r R e vi s i i z a t e : 8- M a y - 2009 S he e t F i l e : C : D o c um e nt s a e t t i h M y D oc um

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