数控铣床控制系统设计

更多相关文档资源请访问HTTP/WWWDOCINCOM/LZJ781219完整CAD设计文件以及仿真建模文件，资料请联系68661508索要毕业设计说明书数控铣床控制系统设计学生姓名学号学院专业指导教师年月机械设计制造及其自动化数控铣床控制系统设计摘要数控技术在机械制造业中得到广泛的应用，它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的需要，使企业快速响应市场需求的能力大大加强，其经济效益显著。该设计首先对数控技术的国内外发展状况和数控技术的发展趋势进行描述。接着对数控铣床的控制系统进行了深入探讨，主要了解了数控铣床的整体布局、组成，及个部分的工作原理，确定数控铣床控制系统设计中的控制对象和被控对象。得出总体方案。然后选择数控系统的的核心数控装置，经过比较选择华中数控系统为其控制系统，接下来分块设计其每一部分。主轴在一定范围内要实现无级变速和正反转功能，所以我们根据主轴电动机型号选择主轴变频器。数控铣床工作台要能在X、Y、Z三轴方向前后、左右、上下移动，所以要用伺服驱动器来控制伺服电机的运动，从而带动工作台的运动。接下来设计控制系统的主电路，主电路中要涉及空气开关、接触器、灭弧器、照明电路、伺服变压器、控制变压器的选择。最后设计数控铣床的一些辅助装置，包括数控铣床的手持单元、照明电路、风扇电路、光栅尺的连接。关键字数控铣床，控制系统，数控技术，数控系统CNCMILLINGMACHINECONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTCNCTECHNOLOGYINTHEMACHINERYMANUFACTURINGINDUSTRYHASBEENWIDELYAPPLIED,ITEFFECTIVELYSOLVETHECOMPLEX,SOPHISTICATED,SMALLGROUPSOFDIVERSEPARTSPROCESSINGPROBLEMS,TOADAPTTOTHERAPIDREPLACEMENTOFVARIOUSMECHANICALPRODUCTSNEEDTOENABLEENTERPRISESTHEABILITYTORESPONDQUICKLYTOMARKETDEMANDGREATLYSTRENGTHENEDITSECONOMICBENEFITSFIRST,THEDESIGNDEVELOPMENTOFNUMERICALCONTROLTECHNOLOGYATHOMEANDABROADANDTHEDEVELOPMENTTRENDOFCNCTECHNOLOGYISDESCRIBEDTHEN,THECONTROLSYSTEMFORCNCMILLINGMACHINEDEPTHDISCUSSIONSCARRIEDOUT,MAINLYTOUNDERSTANDTHEOVERALLLAYOUTOFTHECNCMILLINGMACHINE,COMPOSITION,ANDAPARTOFTHEWORKINGPRINCIPLEOFCNCMILLINGMACHINECONTROLSYSTEMTODETERMINETHEDESIGNOFTHECONTROLOBJECTANDCONTROLOBJECTCOMETOTHEOVERALLPROGRAMTHENSELECTTHECORENCNCSYSTEMDEVICES,BYCOMPARISONTOITSSELECTIONOFHUAZHONGCNCCONTROLSYSTEM,THENEXTBLOCKDESIGNEACHOFITSPARTSSPINDLEINACERTAINRANGE,ANDREVERSINGFUNCTIONTOACHIEVECONTINUOUSLYVARIABLE,SOWECHOOSEMODELSBASEDONTHESPINDLEDRIVESPINDLEMOTORCNCMILLINGMACHINETABLETOBEABLETOINTHEX,Y,ZAXISDIRECTIONBEFOREANDAFTER,LEFT,UPANDDOWN,SOUSETHESERVODRIVETOCONTROLTHEMOVEMENTOFTHESERVOMOTORTODRIVETHEMOVEMENTOFTABLETHENTHEMAINCIRCUITDESIGNOFCONTROLSYSTEMS,THEMAINCIRCUITTOBERELATEDTOAIRSWITCHES,CONTACTORS,ARCING,LIGHTINGCIRCUIT,SERVOTRANSFORMER,CONTROLTRANSFORMERSELECTIONFINALDESIGNOFTHECNCMILLINGSOMEOFTHEAUXILIARYDEVICES,INCLUDINGHANDHELDMILLINGMACHINEUNIT,LIGHTINGCIRCUITS,FANS,CIRCUITS,GRATINGCONNECTIONKEYWORDSCNCMILLINGMACHINES,CONTROLSYSTEMS,CNCTECHNOLOGY,CNC目录1绪论111本课题研究的目的和意义112机床数控技术的概况113国内数控系统的发展现状114数控技术的发展趋势2141性能发展方向2142功能发展方向3143体系结构的发展42控制系统方案设计621数控铣床的组成622数控铣床工作原理623设计方案7231控制系统的选择7232主轴变频单元8233伺服驱动单元8234输入与输出装置9235辅助装置924总体框图93硬件设计1031数控装置的选择1032主轴单元12321主轴电机的选择12322风机的选择13323变频的选择13324主轴控制接口16325变频器的连接1633伺服驱动单元17331伺服电机的选择18332伺服驱动器的选择19333伺服单元电源模块24334串行进给驱动接口25335伺服驱动单元总体连接图2634主控电路的设计2835输入输出开关量3036辅助装置37361手持单元37362光栅尺的连接40363急停与超程解除的设计43364其它辅助转装置45四总结46附录147参考文献48致谢501绪论11本课题研究的目的和意义数控系统在机床控制上应用越来越广泛。本课题的主要目的在于学习并掌握数控系统的原理及使用方法。本题目要求在数控铣床机械系统结构与工作原理的基础上，使用数控系统完成其控制功能，使设计的数控铣床能完成基本的加工。主要内容包括数控系统的选择、伺服驱动的连接、主轴电机的控制和辅助装的设计等。12机床数控技术的概况机床数控技术是20世纪70年代发展起来的一种机床自动控制技术。30多年来，随着电子器件、计算机、传感与检测、机械制造技术的不断进步，以电子信息技术为基础，传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术，传感测控技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体的数控技术得到迅猛发展和广泛应用。使得普通机械逐渐被高效率、高精度的数控设备所替代，从而形成了巨大的生产力，导致了制造业发生了根本性变化。数控技术已成为现代制造技术的基础，其水平高低和数控机床拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控技术在机械制造业中得到广泛的应用，是因为它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的需要，使企业快速响应市场需求的能力大大加强，其经济效益显著1。13国内数控系统的发展现状我国数控技术起步于20世纪50年代末期，经历了初期的封闭式开发阶段，“六五”、“七五”期间的消化吸收、引进技术阶段，“八五”期间建立国产化体系阶段，“九五”期间产业化段，现已基本掌握了现代数控技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控专业人才，初步形成了自己的数控产业。目前，较具规模的企业有广州数控设备有限公司、北京凯恩帝数控技术有限责任公司等。广州数控设备有限公司研制了基于LINUX和PC104总线的车床数控系统GSK980TI，具有逻辑运算、数学运算的用户宏功能、完成小线段NC代码的高精度刀具路径规划的改进刀补机能、小线段高速加工控制技术等；研制了以16位CPU进行软件插补、加减速运算，以大规模可编程器件（FPGA、CPLD）进行硬件插补、速度平滑处理相结合的控制器结构，开发了嵌入式中档车床数控系统GSK928TE和GSK980TA。北京凯恩帝数控技术有限责任公司的新一代数控系统K1000系列采用32位处理器ARM7和现场可编程门阵列FPGA实现高速、高精度控制；采用日本高分辨率液晶显示器，全中文操作界面；兼容K100系列功能，且与日本FANUC系统兼容。目前国内数控厂家生产的中档数控系统大多采用16/32位处理器与CPLD/FPGA相结合的硬件结构，在功能上仿制日本法那科公司早期的产品FANUC0I系列。虽然最近几年来我国数控产业发展迅速，但大多仅停留在产品的规格化、机械部件可靠性的提高、外观造型与外观质量的改观等方面，对于数控系统的核心部分，发展的步伐相对较小。国产机床的产量数控化率只有约13，与日本、德国和美国等发达国家6070的水平差距很大，同时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仍很明显，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缺乏市场竞争力，支撑控制高档数控机床的高档数控系统仍以国外数控系统占绝对统治地位。近年来，由于国内数控机床市场持续需求旺盛，国外数控系统生产厂家的系列产品高中低三档齐备，在占据高档的同时，从未放弃中低档数控系统的市场占有份额，相继推出适宜的中低档数控系统，以争取占领更大的市场，使得这一领域竞争更加激烈。如西门子数控系统从经济型的802S到高端全功能的840D可以满足用户在数控应用中的各种需要1。14数控技术的发展趋势141性能发展方向1高速高精高效化、速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。2柔性化包含两方面数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。3工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。4实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的2。142功能发展方向1用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。2科学计算可视化科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等3。3插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补非均匀有理B样条插补、样条插补A、B、C样条、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。4内装高性能PLC数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。5多媒体技术应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。143体系结构的发展1集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。2模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。3网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。4通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。2控制系统方案设计21数控铣床的组成数控铣床的基本组成见图211，它由床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、滚珠丝杠、伺服电机、伺服装置、数控系统等组成。床身用于支撑和连接机床各部件。主轴箱用于安装主轴。主轴下端的锥孔用于安装铣刀。当主轴箱内的主轴电机驱动主轴旋转时，铣刀能够切削工件。主轴箱还可沿立柱上的导轨在Z向移动，使刀具上升或下降。工作台用于安装工件或夹具。工作台可沿滑鞍上的导轨在X向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在Y向移动，从而实现工件在X和Y向的移动。无论是X、Y向，还是Z向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实现的。伺服装置用于驱动伺服电机，使X、Y、Z三轴能沿滑鞍上的导轨移动。控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态。控制电源用于向伺服装置和控制器供电4。图211数控铣床的组成22数控铣床工作原理根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。通过手工编程或利用CAM软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。伺服装置向伺服电机发出控制信号。主轴电机使刀具旋转，X、Y和轴伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。能够完成基本的铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环等工作，可加工各种形状复杂的凸轮、样板及模具零件等。数控铣床的床身固定在底座上，用于安装和支承机床各部件，控制台上有彩色液晶显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动，完成X、Y、Z坐标的进给。电器柜安装在床身立柱的后面，其中装有电器控制部分。23设计方案231控制系统的选择目前的控制系统有基于PLC的控制系统，基于单片机的控制系统和数控系统等控制系统。基于PLC的控制系统的优点（1）实时性强，由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全连锁保护。更能满足各大领域大、中、小型工业控制项目。（2）高可靠性，所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为1020MS。各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。采用性能优良的开关电源。对采用的元器件进行严格的筛选。良好的自诊断功能，一旦电源或其它软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。（3）系统配置简单灵活，控制器产品种类繁多，规模可分为大、中、小等。满足控制控制功能需要的前提下，I/O卡件可灵活组合。（4）有丰富的I/O卡件。（5）质优价廉，性价比高。（6）安装简单，维修方便5。基于单片机控制系统的优缺点运用单片机控制方案，单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机，但由于本身无自开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件，以及对硬件系统进行诊断。另外，单片机内的ROM比较小，所以在设计中系统必须在外面配置EPROM电路和扩展电路，所以在铣床控制系统中运用该方案必须完成1硬件电路的设计、组装、调试；（2）应用软件的编制、调试；3应用软件的链接调试、固化、脱机运行。依据单片机目前的发展状况，该方案的优点是1成本较低。由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。2可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。3由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。其缺点为1系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该系统硬件设计包含扩展电路部分和系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较大，影响系统开发的时间。2系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，虽然注意了芯片、器件选择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽。但由于工厂的条件比较差，很难保证系统的可靠性和稳定性。3系统需要自己设计电源，而且不能保证系统的可靠运行。4维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。数控系统是数字控制系统的简称，计算机数控系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置、可编程逻辑控制器、主驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。CNC系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通讯的功能6,7。在此次数控铣床控制系统的设计中，我们选择数控系统为其控制系统。232主轴变频单元数控铣床是一种灵活、高效能的自动化机床，它较好地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题。为了实现主轴在一定范围内的无级变速，要选择一个主轴变频器来控制主轴电机的正反转及无机变速。233伺服驱动单元数控铣床除了主轴的旋转之外，还有工作台沿X轴正负方向的移动，Y轴正负方向的移动，Z轴方向上下移动。为了实现这些运动，我们的选择伺服电机来控制其运动，为了能实现伺服电机能按着正确的方向移动且精确移动。我们得选择伺服驱动器来控制伺服电机的运动。所以在伺服驱动单元中我们应选择伺服电机和伺服驱动器。234输入与输出装置为了方便连接和提高可靠性，我们得选择输入输出装置，输入接线端子板提供NPN和PNP两种类型开关量信号输入，输出继电器板集成八个单刀投继电器和两个双刀投继电器。输入、输出端子板一般是和数控装置配套的。235辅助装置一个完整的数控铣床控制系统除了上面那些单元外，还必须包括一些辅助装置，如冷却装置、照明电路、控制变压器、急停回路、电柜风扇等辅助装置。24总体框图数控装置与各部分之间的连接如图241图241总体框图3硬件设计31数控装置的选择在选择数控机床时，随着市场需求多样化，机床制造商往往提供同一种机床可以配置多种数控系统的选择、数控系统中多种选择功能的选择。一般机床制造厂商提供的机床配置的数控系统分为主流的系统及可适应的系统，主流系统对它来说相对技术成熟性要好一些，但对使用用户来说又另有要求，在可供选择的系统中性能高低差别很大，直接影响到设备价格的构成，因此不能片面的追求高水平、新系统。而应该以满足主机性能为主，对系统性能和价格等因素做一个综合的分析，选用合适的系统。目前数控系统种类、规格极其繁多，世界上比较著名的有日本FANUC、德国SINUMERIK、法国NUM、意大利FIDIA、西班牙FAGOR、美国AB，各大机床制造商都有自己的一些系统，比如MAZAK、OKUMA等，国内的航天集团，机电集团、华中理工大学、辽宁蓝天系列、南京大方集团、北方凯奇等，每家公司都有自己一系列各种规格产品8。用户选择系统的基本原则是性能价格比好、以后使用维修方便、系统的市场寿命等。数控系统中除基本功能以外还有很多选择功能，对配在机床上的系统，由于机床使用基本要求所需数控系统选择功能已由制造商选配以外，用户可以根据自己的生产管理、测量要求、刀具管理、程序编制要求等，额外再选择一些功能列入订货单中。经过比较我们选择“世纪星”系列数控系统HNC21。“世纪星”系列数控系统HNC21采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置84/或104/彩色液品显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能。具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点最大联动轴数为4轴。可选配各种类型脉冲式、模拟式交流伺服驱动器或步进电机驱动器以及HSV11电源模块系列。配置标准机床工程面板，不占用PLC。操作面板的颜色、按键名称可按用户要求自己定制。配置40路输入接口和32路功率放大光电隔离开关量输出接口、手持单元接口、模拟主轴控制接口与编码器接口，以及远程I/O板口8。采用”彩色液晶显示器（分辨率为640480），全汉字的操作界面，具有故障诊断和报警设置，多种图形加工轨迹显示和仿真功能。操作简便，易于掌握和使用。采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统均兼容，具有直线、圆弧、螺旋线插补。有固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具、补偿、宏程序等功能。小线段连续加工功能，特别适合于复杂模具零件加工。加工断点保存和恢复功能，为用户安全、方便使用提供保证。反向间隙和双向螺距误差补偿功能，有效提高加工精度。内置以太网、RS232接口，易于实现机床联网。系统外形尺寸为420310110MM，体积小巧、结构牢靠、造型美观。主要应用于车、车削中心等数控机床的控制9。数控装置背面接口如图311所示，引脚定义如表311图311数控装置接口表311数控装置引脚接口作用接口作用XS1电源接口XS2外接PC键盘接口XS3以太网接口XS4软驱接口XS5RS232接口XS6远程I/O板接口XS8手持单元接口XS9主轴控制接口XS10、XS11输入开关量接口XS20、XS21输出开关量接口XS30XS33模拟式、脉冲式（含步进式）进给轴控制接口XS40XS43串行式HSV11型伺服轴控制接口32主轴单元为了实现主轴在一定转速范围内的无级变速，主轴单元应包括主轴变频器、主轴电机，为了保证主轴电机的温度不过于太高，还要选择主轴风扇电机。数控铣床是一种灵活、高效能的自动化机床，它较好地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题。合理地进行数控铣床主轴的控制，对提高铣床的加工精度和生产效率都十分重要。数控铣床的主轴驱动系统也叫主传动系统，是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。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杆或者其他直线运动装置作往复运动，数控机床通过主轴的回转与进给实现刀具与工件的相对切削运动。为满足数控铣床对主轴驱动的要求，变频器必须有以下性能（1）宽调；（2）低速运行时，有较大力矩输出；（3）加减速时间短；（4）过载能力强；（5）快速响应主轴电机快速正反转以及加减速11,12。321主轴电机的选择主轴电机驱动主轴的旋转，在数控铣床中主轴旋转为其主运动，我们设计的是普通数控铣床，功率要求不高，所以在这里我们选择北京超同步科技有限公司制造的超同步GTB43P7ZBB15H5GB电机，GTB系列主轴电机是北京超同步科技有限公司自主研发、设计、生产。并走向国际市场的，具有国际领先水平的新型交流感应伺服主轴电机。电机结构紧凑、性能一流、外形美观、效率高、广泛运用于机械制造的各个领域，具有良好的性能价格比。该厂品符合国家有关产品标准和国际IEC、CE的标准。有最新的专利设计，包括外形美观、结构精巧、封闭是散热风道、噪音低、效率高、优化节能设计。有标准的主轴功能，可以实现低速大扭矩切削、高速恒功率切削、零速主轴锁定、准停控制、C轴功能、刚性攻丝。内置磁速度传感器，可以实现速度、位置闭环、可靠性高、故障率低、提高电机的动平衡精度。GTB43P7ZBB15H5GB电机的技术规格如312表所示表312GTB43P7ZBB15H5GB技术规格型号额定功率（KW）额定电压（V）额定电流（A）额定转矩（NM）额定频率（HZ）GTB43P7ZBB15H5GB37310/38098/823650额定转速R/MIN极数（P）最高转速（R/MIN）转动惯量（KGM2）风机功率（W）风机电压（V）1500480000013475380322风机的选择根据上面选择的主轴电机，与其相适用的风机的功率为75W，为小功率的风机。在这里我们选择北京新华通风设备有限公司生产的DZW501T3511型低噪声轴流屋顶风机。DZW501型系列低噪声轴流屋顶风机是一种新型高效、节能、低噪声屋顶风机。该风机由于采用宽大中变截面扭曲机翼叶片、高轮毂比、圆柱型轮毂，低风阻电机支架以及最佳叶栅参数。因而空气动力性良好。外形设计新颖、独具一格。风量大、风压高、噪声低、耗电少。323变频的选择由于设计的是普通型数控铣床，所以所选的变频器应根据主轴电机功率和按结构简单、容易安装、体积小、经济实惠和安全等要求来选择主轴变频器。上面所选择的主轴电机的功率是37KW，根据以上要求我们选择CIMRJB2A0018075KW安川简易型变频器，安川变频器具有功能齐全、方便操作、保护机器、结构简单、便于调试和维护等优点。设定时可简单的调出最低限度的所需参数，进行设定和变更。SWINGPWM方式可抑制噪音和漏电流，减少刺耳的金属噪音。全方位、全自动转矩提升功能，可根据负载的变动自动调节到最合适的电压，输出最佳转矩。具有重试功能，即使变频器检测出故障，自动诊断后会自动复位，不停止电机即可重新启动运行。更改了出厂设定的参数可通过校验模式进行确认。便于在试运行等情况时确认参数设定值。为稳定作业提供支持，在全范围、全自动的转矩提升运行模式下，不管是加减速运行还是匀速运行，都能产生高转矩，因此机械能顺利启动。有完善的制动功能，过励磁制动功能在无电阻器的情况下也能实施紧急制动，所有机型都内置制动晶体管，只要加装制动电阻器就能得到更大的制动力。即使负载或电源波动甚至瞬时停电时仍能继续运行，具有完善的防失速功能，可有效防止电机失速，不靠速度传感器也能使自由运行状态的电机轻松启动的速度搜索功能和瞬停继续运行功能，可防止变频器因瞬时行的异常而跳闸。完善的保护功能，冲击电流抑制回路为标准配备，电源品质不良时能防止变频器故障。能适用范围更广的附件。可监控变频器运行的时间，通过维护监视可以确认冷却风扇和电解电容器等元器件的使用寿命，为维护提供支持13。其相关技术规格如313表所示表313CIMRJB2A0018变频器技术规格型号额定输入电流（A）额定输出电流（A）最大输出电压（V）额定频率（HZ）频率控制范围（HZ）CIMRJB2A001818517531050/60001400允许电压波动允许频率波动加减速时间（S）速度控制范围标准适用用电机容量（KW）载波频率（KHZ）1510506000120140372主要的控制功能顺势停电再启动、速度搜索、加减速时间切换冷却风扇ON/OFF功能、滑差补偿、转矩补偿、频率跳跃频率指令上下限设定、启动停止时直流制动、过励磁制动、故障重试等。保护功能电机保护、瞬时过电流保护、过载保护、低电压保护瞬时停电补偿、散热片过热保护、制动电阻器过热保护、防止失速、接地短路保护、充电中显示。CIMRJB2A0018变频器接口如图321，其引脚定义如表314图321变频器接口表314CIMRJB2A0018变频器引脚定义端子符号端子名称端子的功能R/L1S/L2T/L3主回路电源输入连接商用电源的端子U/T1V/T2频器输出连接电机的端子W/T3B1B2制动电阻器/制动电器单元连接是连接制动电阻器/制动电器单元的端子S1多功能输入选择1出厂设定闭正转运行开停止S2多功能输入选择1出厂设定闭反转运行开停止S3多功能输入选择1出厂设定外部故障S4多功能输入选择1出厂设定故障复位S5多功能输入选择1出厂设定多段速指令1SC多功能输入选择公共点控制公共点AC频率指令公共点0VMAA接点输出出厂设定故障MBB接点输出出厂设定故障MC接点输出公共点继电器输出DC30V，10MA1AAC250V10MA1AAM模拟量监视输出出厂设定输出频率DC010VAC监视公共点0V324主轴控制接口变频器的调速要经过数控装置的XS9主轴控制接口输入可变电压。XS9主轴控制接口，包括主轴速度模拟电压指令输出和主轴编码器反馈输入，主轴控制接口如图322图322主轴控制接口325变频器的连接变频器与数控装置的联系通常包括（1）数控装置给变频器的正反转信号；（2）数控装置给变频器的速度或频率信号，可以通过通讯给定或模拟给定；（3）变频器给数控装置的故障等状态信号。所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控铣床快速正反转、自由调速、变速铣削的要求14,15。变频器的连接如图323其工作原理变频器的的R、S、T和风机U、V、W与主电路中的U11、V11、W11连接，给主轴变频器和风机供电，经主轴变频器输出电压到主轴电机，主轴的正转、反正由继电器的得失电控制并且构成互锁。当KA4线圈得电时KA4常开触点器闭合，常闭触点断开，此时主轴正转。当KA5线圈得电时KA5常开触点闭合，常闭触点断开，此时主轴反转。当主轴变频器出现故障时，变频器输出报警到X30，同时主轴输出速度为零。当主轴需要调速时，由数控装置输出可变电压到主轴频率接口，从而达到调节速度的目的。图323变频器的接线图33伺服驱动单元伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动构件及执行部件组成。伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，是伺服电机的控制部分。伺服电动机又称执行电动机，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。对伺服系统的基本要求位移进度高（输出量能复现输入量的精确程度）、稳定性好（系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态）、调速范围宽（数控铣床要求电动机所能提供的最高转速与最低转速之比）、响应快速并无超调（为了提高生产率和保证加工质量，在启动、制动时要求加速足够大，以缩短伺服系统的过度过程时间，减少轮廓过度误差）15。331伺服电机的选择因为设计的是普通数控铣床，加工的是一般零件，根据经济实惠、结构简单、转动惯量小、过载能力强、质量好等优点。我们选择北京中创天勤科技发展有限公司生产的130系列伺服电机。130系列伺服电机在机器人轨迹控制、数控机床位置控制等，在加工机械、FA机械、医疗机械、机器人、自动组装线、半导体制造、部件组装和纺织机械上得到了广泛的应用。其具有体积小重量轻、运转平稳、精度高、运转平稳、精度高等优点，具有优良的性价比，在业内极具优势，完全可以代替进口产品。根据实际需求我们选择130STM015015为X、Y轴伺服进给电机，由于Z轴方向需要承受更大的载荷，所以选择130STM10025为Z轴伺服电机。伺服电机的技术规格如331表所示表331130STM015015技术规格型号130STM015015130STM015015额定转速（R/MIN）20003000额定功率（KW）225额定转矩（NM）1510额定电流（A）9510额定电压（V）220220额定转速（R/MIN）15002500峰值力矩（NM）3025电势系数V/1000R/MIN11269力矩系数（NM/A）15810转子惯量（KGM2）277103194103绕组电阻（）10724绕组电感（MH）445264绕组引线UVWPE电机绕组插座插座编号2341型号130STM015015130STM015015信号引线5V0VAABBZZUUVVWWPE编码器插座插座编号234567891011121314151332伺服驱动器的选择出于对伺服驱动系统的要求以及结构简单、经济实惠和上面所选电机型号等要求在这里我们选择华中数控HSV11D25伺服驱动器，HSV11D25是以矢量控制为理论基础，16为单片机为控制核心，高效率的大功率IGBT电压型逆变器为驱动功放，永磁同步电机为驱动对象的高性能数字位置伺服模块。由于运用矢量控制原理和柔性控制技术，使得HSV11D25伺服模块结构简单，调试容易，控制灵活，维护方便，体积小等优点。其控制简单、灵活，通过修改伺服驱动器的参数，可对伺服驱动器系统工作方式及内部参数进行修改，以适应不同的适用环境和要求。状态显示齐全，HSV11D25伺服驱动器设置了一系列状态显示信息，方便客户在调试、运用过程中浏览伺服驱动器的相关参数，同时它也提供了一系列的故障诊断信息。有宽调速比。体积小易于安装，HSV11D25伺服驱动器结构紧凑、体积小，非常易于安装、拆卸16,17。HSV11D25技术规格如表332所示表332HSV11D25技术规格主电源DC300V使用电源控制电源一相AC220V输出额定电流25A主回路大功率IGBT、正弦波PWM驱动额定转速时0002负载波动最低转速时2速度额定转速时0002电网电压波动最低转速时4额定转速时005瞬时最大转速波动率最低转速时6控制精度和特性速度控制范围13000位置控制精度1PULSE适配电机永磁同步电动机2，4，6，8极传感器类型带转子位置的复合式光电编码器最高转速2000转/分保护功能反馈断线、过流、过热、欠压、短路等五种硬件故障以及若干软件保护运行方式点动、点位、直线、增量插补和返回参考点等调试方式可选键盘数码管显示模块，用于开、闭环调试，参数修改，接线诊断等用户可调整参数位置环增益、速度环增益、积分时间常数、加减速时间、反向间隙值等几十种参数伺服驱动器的外形如图331图331伺服驱动器的外形如图HSV11D25伺服驱动器引脚如图332，其相关引脚定义如表333所示。图332HSV11D25伺服驱动器引脚表333HSV11D25伺服驱动器引脚定义信号代号名称位置描述P、N直流总线接线柱1、2电源模块提供直流300V电压U、V、W电机电源线XT1、2、3伺服到电机的驱动电源信号OH1、OH2电机过热保护XT4、5电机过热保护输出PE接地线XT6220A200B故障连锁T21、2最大容量1AO1故障输出信号T11总故障报警信号，低电平有效信号代号名称位置描述I3机械参考点开关信号T13作参考点开关信号，低电平有效，在模拟输入方式时，作为换挡开关，低电平时，输入最高转速为200R/MIN，高电平时为2000R/MINI2减电流控制T14将电流指令输出最大幅值减半，低电平有效I1输入使能控制T15在模拟量或脉量输入时，控制PWM信号的开关，低电平有效24V外部提供DC24VT16COM外部24V电源地T17外部直流24V，可提供100MA电流AIN模拟量正输入端X26AIN模拟量负输入端X21伺服在模拟输入方式时，接收10V输入RXD模块串口接收端X23RS232串口数据发送端TXDTXD模块串口发送端X22RS232串口数据发送端RXDGND信号地X25RS232串口信号地P5VJ211、12、13PAJ22PBJ23PZJ24PUJ25PVJ26PWJ27/PAJ215/PBJ216/PZ电机码盘信号J217电机码盘信号信号代号名称位置描述/PUJ218/PVJ219/PWJ220GNDJ21、8、9、10、（14）屏蔽J2（14）M5VJ111、12、13MAJ12MBJ13MZJ14/MAJ15/MBJ16/MZJ117GNDJ11、8、9、10、（14）屏蔽光栅尺信号J1（14）光栅尺反馈信号CP脉冲量接口J12脉冲量输入信号333伺服单元电源模块根据选择的华中数控HSV11D25伺服驱动器，在这里选择华中数控HSV11P075电源模块，HSV11P075伺服单元电源模块，采用全桥整流和微处理器控制，具有软起动、能耗制动及各种保护功能，其可靠性高，使用灵活方便，体积小，便于安装等特点18。HSV11P075技术规格如334表所示表334HSV11P075技术规格主电源3相AC200V50HZ60HZ电源控制电源单相AC220V50HZ60HZ输出容量75KVA输出电压DC260V345V主回路型式全桥整流制动功率3KW保护功能本模块设置有交流欠压、过压、交流等若故障显示HSV11P075伺服单元电源模块引脚如图333图333电源模块引脚图334串行进给驱动接口在伺服驱动系统中，数控装置的串行进给驱动接口和伺服驱动器要进行模拟量的输入输出。XS40、XS41、XS42、XS43是串行进给驱动接口，串行进给驱动接口是与华中数控HSV11系列交流伺服驱动装置连接的专用接口，它的特点是连接简便、抗干扰能力强、无漂19。其接口如图334图334串行进给驱动接口335伺服驱动单元总体连接图伺服驱动器与其它部件的联系通常包括（1）伺服驱动器与数控装置间的数据发送与接收；（2）故障连锁与外部运行允许继电器和伺服OK继电器的连接；（3）电源模块与主电路的连接；（4）控制电源与主电路的连接；（5）伺服电机电源和编码器反馈输出与伺服驱动器的连接；（6）减电流功能的连接。通过以上各部分的连接，能够使伺服驱动器控制伺服电机的运动，伺服电机的相关运动信息通过编码器及时反馈给伺服驱动器，再由伺服驱动器X2接口反馈给数控装置，达到伺服电机能够精确执行数控装置发给伺服驱动器的相关指令。伺服驱动单元连接框图如335，J2与XS、X2与数控装置的连接如图336图335伺服驱动器连接图图336J2与XS、X2与数控装置的连接34主控电路的设计主电路由外部提供交流380V电源，经熔断接到主电路中，为了防止电路发生短路时电流电压过高，还有不频繁的启动，电路中要用到空气开关。空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集中控制和多种保护功能于一身。除了能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。在正常情况下，过电流脱扣器的衔铁是释放着的；一旦发生严重过载或短路故障时，与主电路串联的线圈就将产生较强的电磁吸力把衔铁往下吸引而顶开锁钩，使主触点断开。欠压脱扣器的工作恰恰相反，在电压正常时，电磁吸力吸住衔铁，主触点才得以闭合。一旦电压严重下降或断电时，衔铁就被释放而使主触点断开。当电源电压恢复正常时，必须重新合闸后才能工作，实现了失压保护。空气开关就是利用了空气来熄灭开关过程中产生的电弧。伺服变压器只需要200V的电压，所以从主电路380V电压到伺服电源模块要经过伺服变压器降压，由于电路中要有频繁的接通和断开，所以要用到接触器。接触器是用于频繁的接通与断开交直流主电路及大容量控制电路的一种自动开关电器。换刀具时要用到刀具松阀，刀具松阀继电器KA7得电，其控制的常开触点KA7闭合，刀具松阀电路得电，刀具松开。当主轴润滑继电器KA8得电时，其控制的常开触点KA8闭合，主轴润滑阀得电开始润滑。各轴没有超程时，超程限位开关SQX1、SQX3、SQY1、SQY3、SQZ1、SQX3处于常闭，此时外部运行继电器KA2得电，其控制的常开触点KA2闭合。当伺服OK继电器KA3得电时，其控制的常开触点KA3也闭合。当KA2、KA3两个继电器同时得电时，其控制的两个常开触点KA2、KA3同时闭合，运行允许继电器KA1得电，其控制的常开触点KA1闭合，此时伺服强电，主轴强电、液压电机线圈得电，开始工作。当冷却启动继电器KA6得电时，其控制的常开触点KA6闭合，冷却电机线圈得电，冷却电机开始工作。主轴正转、反转分别由继电器KA4、KA5控制，当继电器KA4、KA5得电时，其控制的常开触点KA4、KA5闭合，从而控制的主轴电机的正反转。主轴变频器模块、液压电机、冷却电机从380V电源经过三相空气开关和接触器接入。其它电路从控制变压器分别就接入，伺服强电回路经控制变压器AC380VAC