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含CAD图纸、说明书 CA6140 普通 车床 数控 改造 毕业设计 CAD 图纸 说明书

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毕业设计说明书毕业生姓名：专业：学号：指导教师:所属系（部）： 年五月I 毕业设计评阅书题目： CA6140普通车床数控化改造 机械电子工程 系 数控技术 专业 姓名 设计时间： 年3月11日2013 年5月12日 评阅意见：成绩： 指导教师：（签字） 职务：201 年月日I 毕业设计答辩记录卡 机械电子工程 系 数控技术 专业 姓名 答 辩 内 容问 题 摘 要评 议 情 况 记录员： （签名）成 绩 评 定指导教师评定成绩答辩组评定成绩综合成绩注：评定成绩为100分制，指导教师为30%，答辩组为70%。专业答辩组组长：（签名） 201 年月日ICA6140普通车床数控化改造摘 要 随着科学技术的迅猛发展，衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志是数控机床。我国普通机床拥有量大，生产规模小的具体国情，需要采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造。机电一体化技术涉及电子、机械、以及控制等多门学科，是衡量一个国家机械装备发展水平的重要标志，是现代工业最主要的基础技术和核心技术之一。虽然这门学科还正处于发展阶段，许多理论还处于研究和完善阶段，但是它代表着机械工业技术革命的前沿方向，更是综合国力的又一具体体现。因此，我们应该重视该学科的研究，大力发展这门学科，逐渐缩小与日美等发达国家的差距。本次设计是对CA6140普通车床的数控化改造。我设计时先对数控机床系统进行了总体设计，然后对进给系统、齿轮箱传动比及步进电机进行了计算，最后我对电气系统进行了设计。在国内，盛行普通车床改造成数控车床，此设计就是针对着这以目的而设计的，这缩短了工业化的进程，降低了生产成本，同时为广大的生产厂家所接受。 关键词：数控改造 ;数控 ;步进电动机 目 录1 绪论12 数控机床系统总体设计22.1 总体方案设计内容22.2 总体方案确定33 进给系统设计计算43.1 选择脉冲当量43.2 计算切削力43.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型54 齿轮进给齿轮箱传动比计算134.1 纵向进给齿轮箱传动比计算134.2 横向进给齿轮箱传动比计算135 步进电机的计算和选型145.1 纵向进给步进电机计算145.2 横向进给步进电机计算和选型186.CA6140车床数控化改造的数控系统216.1数控系统选型216.2步进电动机的驱动器选型246.3驱动器信号输入输出297.CA6140电气系统数控改造设计327.1概述327.2电气系统数控改造设计32 7.3强电柜的安装与连接33总结34参考文献35致谢361 绪论我国的大多数企业的生产和制造行业、加工装备绝大数是传统的机床，用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、档次低、品种少、成本高、供货期长，从而在国内、国际市场上缺乏竞争力，影响企业的生存和发展。所以普通车床的数控改装已成必然。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用，在大中企业己有较多的使用。在以上数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大多数处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值己进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47. 39亿美元，这仅次于美国的53. 67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24. 06亿美元，比上年增长27. 3% ，我国很有必要进行数控化改造。在日本、美国和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造将是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在日本、美国、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了生产线和机床数控改造的新的行业。企业要在当前市场竞争激烈，需求多变的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最好的质量、最低价格、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应小批量、多品种的生产要求，数控机床则综合了微电子技术、数控技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工高精度、小批量、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，不需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸会发生较大变化，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。 数控机床在机械加工行业中的应用逐渐广泛。数控机床的发展，一方面是高性能、全功能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无需检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.00.02mm，已能满足CA6140车床改造后加工零件的精度要求。与普通机床相比，数控机床具有以下的优点：一是适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；二是生产效率高；三是加工精度高；四是经济效益好；五是减轻劳动强2 度，改善劳动条件；六是有利于生产管理的现代化。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要内容。许多工厂一面购置数控机床，一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。 2 数控机床系统总体设计2.1 总体方案设计内容接到一个数控装置的设计任务以后，首先必须拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计结构和参数，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、执行机构的确定、伺服系统的选择及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。2.1.1 系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。2.1.2 控制方式的选择系统可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。I 2.2 总体方案确定2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，循环加工，暂停，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.2.2 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的平稳性和传动精度，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为消除间隙和提高传动刚度，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框如图2-1： 图2-1 系统总体方案框图3 进给系统设计计算3.1 选择脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/step。根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step, 横向：0.005mm/step(半径)3.2 计算切削力用车床经验公式F=D来计算主切削力式中D指车床身上最大加工直径（mm）。横切端面时主切削力可取纵切时F的1/2。求出主切削里F以后再按以下比例分别求出分力F和F。F：F：F=1 ：0.25 ：0.5式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。图3-1纵切和横切时切削力的示意图。图3-1 纵切和横切时切削力的示意图3.2.1 纵车外圆主切削力F(N)按经验公式估计算： F=D= （N）按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N）F（N）3.2.2 横切端面主切削力（N）可取纵切的1/2。 （N） （N） （N）3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.3.1 纵向进给丝杠3.3.1.1 计算进给轴向力F（N）纵向进给这里为三角形导轨：F式中K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；：指滑动导轨摩擦系数取0.150.18之间的值； G：指流板及刀架重力，G=1000N。则 F=（N）3.3.1.2 计算最大动负载Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载Q的计算公式为：Q L n式中 ：指滚珠丝杠导程，初选=6； n：指丝杠转速，（r/min）； ：指最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的1/21/3，此处取=0.6； ：指使用寿命时间（h）,对于数控机床取T=15000h.。L：指寿命，以10转为一单位；：指运动系数，见表3-1，选=1.2。 表3-1 运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.5-2.5则 n( r/min)L Q（N）3.3.1.3 滚珠丝杠螺母副的选型从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载C的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足Q C的条件。查表：可采用WL4006外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为16400N，符合Q C的条件。精度等级按表 3-2，选为3级。表3-2 滚珠丝杠行程公差项目符号有效行程（mm）精度等级 12345目标行程公差e 6812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm内行程变动量V681216232弧度内行程变动量V456783.3.1.4 传动效率计算 式中 ：指螺旋升角，=244 ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数其摩擦角，约等于。则 3.3.1.5 刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图3-2所示，最大轴向力为2558.6N，支承间距L=1500mm, 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图3-2 纵向进给系统计算简图（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm） 查图，根据F=mm, 查出,可算出 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高四倍，其变形量为：。(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）查图，W系列1列2.5圈滚珠与螺纹滚道接触变形量m，因进行了预紧，m。(3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm）这里采用有预紧时的推力球轴承则 查机械设计手册中表6-2-82，采用51107型推力球轴承，其=35mm,滚动体直径=6.35mm, 滚动体数量Z=18，因施加预紧力，故 根据以上计算 =定位精度3.3.1.6 稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需作稳定性校核。3.3.2 横向进给丝杠3.3.2.1 计算进给轴向力 横向导轨为燕尾形，计算如下： 由于是燕尾形导轨式中： K=1.4，=0.2 则 N3.3.2.2 计算最大动负载Q n( r/min)L Q（N）查表：可采用WL2505外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为9700N，符合Q C的条件。精度等级按表 2滚珠丝杠行程公差表，选为3级。3.3.2.3 传动效率计算3.3.2.4 刚度验算横向进给滚珠丝杠支承方式如图3-3所示，最大轴向力为2023N，支承间距L=450mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。图3-3 横向进给系统计算简图计算如下：(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm） 查图，根据F= mm, 查出,可算出 。(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm） 查图，W系列1列2.5圈滚珠与螺纹滚道接触变形量m，因进行了预紧，m。(3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm）这里采用有预紧时的推力球轴承则 查机械设计手册中表6-2-82，采用51102型推力球轴承，其d=15mm,滚动体直径=4.763mm, 滚动体数量Z=12，考虑到进行了预紧，故mm则定位误差 =0.0279 (mm) 显然变形量已大于规定的定位精度要求，应该采取相应的措施修改，因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨来减少摩擦力，从而减少轴向力，采用贴塑导轨=0.030.05。重新计算如下： N根据，查图知，不变，则 (mm) 定位精度为0.015mm，故此变形量仍不能满足要求，如果经滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可以提高四倍，则变形量0.015 ，满足要求。3.3.2.5 稳定性校核临界负载与工作负载 之比称为稳定性系数，如果，则压杆稳定，为许用稳定性安全系数，一般=2.54。计算临界负载（N）： 式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢E（N/mm）； I：指截面惯性矩（mm）,丝杠截面惯性矩J（为丝杠螺纹的底径）； ：丝杠两支承端距离（cm）；：丝杠支承方式系数，见表3-3，这里。表3-3 滚珠丝杠支承方式系数方式一端固定一端自由两端简支一端固定一端简支两端固定0.251.002.004.00则 N 所以此丝杠不会产生失稳。3.3.3 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数其几何参数见表3-4：表3-4 WL5008及WL2506滚珠丝杠几何参数名称符号WL4006WL2505螺 纹 滚 道公称直径4025导程65接触角钢球直径3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏心距0.0560.045螺纹升角螺 杆丝杠外径3924.365丝杠内径35.98421.78螺杆接触直径36.03521.86螺 母螺母螺纹直径44.01623.212螺母内径40.79320.6354 齿轮进给齿轮箱传动比计算4.1 纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比： 在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可取多些，推荐取Z=2440。所以可选定齿轮数为：4.2 横向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比：可选定齿轮数为： =因进给运动齿轮受力不大，模数m取3。有关参数参照表4-1。表4-1 传动齿轮几何参数所处位置纵 向横 向齿数324024402025分度圆直径96120721206075齿顶圆直径102126781266681齿根圆直径88.5112.564.5112.552.567.5齿宽（610）m2420242024中心距1089667.55 步进电机的计算和选型5.1 纵向进给步进电机计算5.1.1 等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：式中 ：指步进电机转子转动惯量； 、：指齿轮、的转动惯量； ：指滚珠丝杠转动惯量； ：指工件及工作台重量（N）； ：指丝杠导程（）；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量。（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽） （分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽） （分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距）把这些数据代入上式： 5.1.2 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算：5.1.2.1 快速空载起动力矩 在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下： 以上式中 ：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（）； ：指折算到电机轴上的摩擦力矩（）；：指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（）；：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量； ：指电机最大角加速度（）； ：指电机最大转速（）； ：指运动部件最大进给速度（）；：指脉冲当量（）； ：指步进电机步距角（）； ：指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（s），这里是30ms； ：指导程的摩擦力（N），； ：指垂直方向的切削力（N）； ：指工件及工作台重量（N）； ：指导轨摩擦系数，； ：指运动部件的总重量（N）； ：指齿轮降速比；按计算； ：指传动链总效率，一般可取； ：指滚珠丝杠预加负载，一般取/3，为进给轴向力（N）； ：指滚珠丝杠导程； ：指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取。将以前计算所得数据代入： （） （）（）则 （）5.1.2.2 快速移动时所需力矩 （）5.1.2.3 最大切削负载时所需力矩 （）从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。由表5-1得：当步进电机为三相六拍时，则（N）。表5-1 步进电机起动转距与最大静转距关系步进电机相 数 三 相四 相五 相六 相拍 数36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72，大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运动矩频特性。5.1.2 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800运行频率为8000，再从图5-1查出150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中看出，当步进电机起动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（748.8），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。图5-1 150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性5.2 横向进给步进电机计算和选型5.2.1 等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算： 把这些数据代入上式： 5.2.2 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算：5.2.2.1 快速空载起动力矩 （） （）（）则 （）5.2.2.2 快速移动时所需力矩 （）5.2.2.3 最大切削负载时所需力矩 （）从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。由表5-1得：当步进电机为三相六拍时，则（）。按此最大静转距从表中查出，110BF003型最大静转距为7.84，大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运动矩频特性。5.2.3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率可查出110BF003型步进电机允许的最高空载启动频率为1500运行频率为7000，不能满足（4000Hz）的要求。再从图5-2查出110BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。不能满足此机床所要求的空载起动力矩（446.92），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到400，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，110BF003型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。 图5-2 110BF003型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性6 CA6140车床数控化改造的数控系统6.1 数控系统选型数控系统是机床的核心，在选择时要对其性能、经济性及维修服务等进行综合考虑。数控系统主要有3种类型：步进电机拖动的开环系统；异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统；交，直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。 其中步进电机拖动的开环系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机等。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。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。但该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。我国国内使用的数控系统基本上分为两大类：一类是从国外引进技术制造的产品，如日本FANUC公司生产的FANUC-0iMate、德国西门子公司的SINUMERIKDMT-802系列；另外一类是在引进、吸收的基础上研制、开发、生产的数控装置，如华中数控系列，GSK系列，南京华兴等。对比国内外数控系统可以发现：国外产品在性能、可靠性、使用寿命上占有很大优势，但价格很高，使得改造成本提高。国内产品虽然大转矩、大功率伺服电机的能力没有国外产品强大，但也能满足我们的要求，而且综合成本低。最终我们将数控系统的选择定位在国内数控系统上，其中南京华兴数控设备有限责任公司生产的WA310M数控系统是一款能满足以上要求的数控系统，所以我们选择这款专门为中国数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。WA310M是南京华兴数控设备有限责任公司集十多年数控系统开发经验，在原有多代成熟产品的基础上，推出的新一代高性能铣床用数控系统，如图6-1所示。系统采用超大规模可编程电路方案，具有更高的加工控制品质和系统升级空间。该系统具有强大的控制功能，可控制数字式交流伺服单元和三相细分步进驱动器。系统的电子齿轮功能可与任意螺距丝杆直连，螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化，并提高机床的综合精度，强大的参数功能使系统具有很强的适应性。系统可控制数字式交流伺服驱动器及三相细分步进驱动器；系统的电子齿轮功能使得系统可与任意螺距丝杠直联；螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化；显示采用7.4英寸液晶屏彩色显示，具有加工零件图形实时跟踪显示以及坐标字符显示的功能，界面设计更为丰富人性化；图形模拟功能更为强大，具有三维立体模拟和二维平面模拟显示的功能。系统结构采用整体式工程塑料压模件，造型美观；便捷的U盘接口，可实现U盘与系统间的程序互存，以及系统在现场升级功能和直接进行U盘DNC加工的功能。图6-1 WA310M数控系统表6-1 WA310M车床数控系统参数WA310M车床数控系统参数1适用机床4轴车床2用户存储区 配512K电子盘，121个程序3编程尺寸 99999.999mm4分辨率 0.001MM5最大移动速度 60m/min(1MPPS)6插补轨迹 直线、圆弧、螺纹、快速定位7输入/输出 32路/24路，所有I/0口功能均有参数定义，用户可设置、修改I/O口功能8编程方式 ISO代码、键盘、RS232串行录入、USB接口定义9快速速度范围 1mm/min 15m/min10电子齿轮 16位：16位11螺距补偿 160点/轴，24轴12软件限位 每轴可任意设定区间13参考区 刀具、系统参数、螺纹、位参数等14操作方式 自动、手动、步进、MDI、单段/连续、暂停、手脉、串行或USB下DNC加工15显示界面 具有同步字符显示功能和图形界面16系统升级 通过U盘或串行口可在现场进行系统升级，无须打开机箱17进给倍率设置 16挡拨段开关，倍率范围5%300%18主轴倍率设置 16挡拨段开关，倍率范围5%300%19模态指示灯 指示当前操作状态20图形模拟 三维立体和二维平面图形模拟6.2 步进电动机的驱动器选型6.2.1 驱动器选型根据设计方案，主传动的主轴电动机驱动保持原有设备。X、Z进给传动的设计已在第5章完成，已确定了滚珠丝杠的型号、步进电机的型号等。 步进电机的驱动器主要由环形分配器和功率驱动电路两个部分组成，功率驱动电路将环形分配器输出的微弱电流进行放大，满足步进电机的驱动，因此选择步进电机驱动器的良好性能是保证普通铣床数控化改造的精度之一。常见的步进电机驱动器的功率驱动电路有五种，其中细分驱动电路是通过控制绕组中的电流数值来调整步进电机步距角的大小，控制精度高。根据第2章已选择的进给传动选择的步进电机分别为：110BYG550A、110BYG550C。查阅相关资料以及产品可知，南京华兴数控设备有限公司的WD5HN5系列五相混合式步进电机驱动器，高速高转矩输出。采用先进的五H桥IGBT驱动电路，锁定无电磁噪音；信号输入方式灵活：单/双脉冲控制、脉冲前/后沿走步均可；输入信号经光电隔离和数字滤波器处理后，抗干扰性极高；拨码开关直接设定整步/半步运行方式；封闭结构，外部风冷，尤其适合恶劣环境中使用等优点。表6-2 WD5HN5驱动器技术参数供电电源单相80V+15%，50、60HZ。容量200VA/轴输出电流34.5A/相驱动方式PWM斩波、半流锁定配套电机110、130BYG五相十线混合式步进电动机励磁方式五相十拍（0.72度）/五相二十拍（0.36度）综合以上产品特点和技术参数，步进电机110BYG 550A、110BYG 550C的驱动器选择为：南京华兴数控设备有限公司的WD5HN5系列五相混合式步进电机驱动器，电气安装尺寸如图6-2所示。图6-2 WD5HN5驱动器安装尺寸6.2.2 分配器环形分配器的作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电动机定子绕组通电、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对应。如对于三相三拍步进电动机，若“1”表示通电，“0”表示断电，A，B，C是其三相定子绕组，则经环形分配器后，每来一个进给脉冲指令，A，B，C应按（100）（010）（001）（100）的顺序改变一次。环形分配器有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式。硬件环形分配器是由触发器和门电路构成的硬件逻辑线路。实际上现在市场上已经有集成度高、抗干扰性强的PMOS和CMOS环形分配器芯片供选用。下面主要介绍用计算机软件实现脉冲序列分配的软件环形分配器。下面是基于查表法的软件环形分配器的程序设计方法，本次铣床改造我们采用五相混合式步进电机。如图6-3所示为三坐标步进电动机伺服进给系统框图。x向y向和z向步进电动机的五相定子绕组分别为A1、B1、C1、D1、E1相,A2、B2、C2、D2、E2相和A3、B3、C3、D3、E3相，分别经各自的放大器、光电耦合器与计算机的PIO（并行输入/输出接口）的PA0PA14相连。环形分配器的输出状态表如表6-1、表6-2和表6-3所示。表中的内容即是步进电动机的励磁状态，与接口接线紧密相关。图6-3三坐标步进电动机伺服进给系统框图查表法的关键是根据步进电动机当前励磁状态和要求的正向或反向运转的要求，如何从表中找到相应单元地址，并取出地址的内容输出。当然要用查表程序中用的基址（表格首址）加索引值（序号）的方法。正转时，只要步进电动机当前状态序号不是表底序号，序号加1就是一下状态的序号：若是表底序号，需要将表底序号修改成表首序号。反转时，须判断当前序号是不是表首序号，若不是表首序号则序号减1；若是表首序号，需要将表首序号修改成表底序号。表6-3 X向步进电动机环形分配器的输出状态表表6-4 Z向步进电动机环形分配器的输出状态表6.2.3 放大器从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组需要几安培电流。因此，需要对环形分配器来的信号进行功率放大，以提供幅值足够、前后沿较好的励磁电流。常用的有单电压供电功放电路和双电压供电功放电路。这里我们选择双电压供电功放电路。双电压供电功率放大器又称高低电压供电功放器，如图6-4所示为高低压供电定时切换电路的工作原理。该电路包括功率放大级（由功率管Vg，Vd组成）、前置放大器和单稳延时电路。二级管VDd是用作高低压隔离的，VDg和Rg是高压放电回路。高压导通时间由单稳延时电路整定，通常为100600s，对功率步进电动机可达几千微秒。当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管Vg，Vd同时导通，电动机绕组以+80V电压供电，绕组电流按L/（Rd+r）的时间常数向电流稳定值ug/（Rd+r）上升，当达到单稳延时时间时，Vg管截止，改由+12V供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为ug/ud，则电流上升率也提高ug/ud倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感L中储能通过Rg，VDg及ug和ud构成的回路放电，放电电流的稳态值为（ug-ud）/(Rg+Rd+r)，因此也加快了放电过程。这种供电电路由于加快了绕组电流的上升或下降过程，故有利于提高步进电动机的起动频率和最高连续工作频率。由于额定电流是低压维持的，只需较小的限流电阻，所以功耗大为减小。（a）原理方框图 （b）波形图图6-4 双电压供电功率放大器6.2.4 系统连接1 数控系统构成体系（1）数控系统构成的机床数控体系应包括以下内容，系统组成 如图6-5所示。1）CNC 控制单元及附件；2）步进电机驱动电源/脉冲式伺服单元；3步进电机/伺服电机；4）机床配电柜。图 6-5 数控系统组成2 数控系统外部连接如图6-6所示，其中4J0、4J1、4J2、4J3为电机接口，5J1为刀架接口，7J1为串行通信接口，8J1为主轴控制接口，5J2为输入/输出接口，6J1为主轴编码器接口，5J3外接手轮接口。图6-6 数控系统外部连接6.3 驱动器信号输入输出6.3.1 信号输入输出1、信号输入：CW+、CW-、CCW+、CCW-双脉冲控制方式时，CW为正转步进脉冲信号，CCW为反转步进脉冲信号，脉冲上升沿有效，其控制器的输出电路分别为NPN型（如图6-7（a）中当一路输出脉冲时，另一路必须保持高电平）和PNP型（如图6-7（b）中当一路输出脉冲时，另一路必须保持低电平）时的波形和时序如图6-3所示。单脉冲控制方式时，CW此时为步进脉冲信号，CCW为电机方向信号。脉冲上升沿有效。波形和时序图如图6-8所示，（a）图为控制器输出的电路为NPN型（b）图为控制器的输出电路为PNP型。控制器输出的脉冲信号CP接驱动器电源的CW，控制器输出的方向信号CW接驱动电源的CCW。（a）控制器的输出电路为NPN型（b）控制器的输出电路为PNP型图6-7双脉冲控制方式波形和时序图（a）控制器的输出电路为NPN型（b）控制器的输出电路为PNP型图6-8 单脉冲控制方式波形和时序图电机使能信号FREE+、FREE-，接口电路原理如图6-9所示。当驱动电源内部光电耦合导通时，电机上电锁定；内部光电耦合不导通时，电机处于自由状态，如果控制器不输出该控制信号时，可将FREE+接+5V，而FREE-接5V地。（a）NPN型接口电路图 （b）PNP型接口电路图图6-9 接口电路图2、信号输出NORMAL:绿色环分指示灯 零位信号输出，整步运行每十拍亮一次，半步运行时每二十拍亮一次。WARN:红色报警指示灯 驱动器出现过流或损坏时此灯亮，知道驱动器断电时熄灭。6.4.2 面板开关说明WD5HN5驱动电源有一个四位拨码开关用来控制电机运行的状态，拨动开关必须在断电的状态下进行。H/F：开关的第四位在下方即ON状态时，电机为整步即步距角为0.72度。开关在上方即OFF状态时，电机为半步即步距角为0.36度。CW/CCW：开关的第三位在下方即ON状态时，电动机为正转。关在上方即OFF状态时，电动机为反转。CURRENT1、CURRENT2：用来调整电机工作时相电流的大小，开关拨下即ON状态时相电流减小，相电流调整如表6-5所示。表6-5相电流调整表CURRENT1ONOFFONOFFCURRENT2ONONOFFOFF相电流2.5A3A3.5A4A7 CA6140电气系统数控改造设计 7.1 概述任何生产机械电气的控制系统设计都包括两个基本方面，一个是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用及维修的需要。因此，电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两个方面。前者决定一台设备的使用效能和自动化程度，即决定生产机械设备的先进性、合理性，而后者决定电气控制设备生产可行性、经济性、外观和维修等方面的性能。查CA6140普通车床电气原理图可知主电路中有3台电动机，M1为主轴电动机，M2为冷却泵电动机，M3为工作台进给电动机。转换开关SA5控制M1的正反转运转，并由桥式整流器VC供给直流能耗制动，由接触器KM4和KM5控制M3的正、反方向运转，由机械传动得到前后、左右和上下的进给和快速移动。在变速时M1和M2都能有冲动作。CA6140型车床改造前控制内容较多，改造后电气部分主要采用数控系统来总体控制，因此，电气控制相对简单。7.2 电气系统数控改造设计本次改造主轴的控制中，主要控制主轴的正转/反转、启动/停止以及冷却泵的启动/停止，对机床进给系统电气改造，在拆除原机床工作台进给电机以及相应强电电路，设计由KA1控制主轴电机正转，KA2控制反转，KM4控制冷却泵的启动/停止，各电器元件功过电缆与系统控制箱连接，接受系统的控制。机床电气原理见附录D 。主电路的工作原理是将钥匙开关向右旋转，再扳动断路器QF1以及空气开关，将电源引入。主轴电动机M1由接触器KM2、KM3控制，由数控装置发出指令，接触器KM2得电，主轴电动机M1正转，接触器KM3得电，主轴电动机M1反转；热继电器FRl作过载保护，熔断器FU作短路保护。冷却泵电动机M2由QF3以及接触器KM4控制，与主轴电动机M1控制电路构成顺序控制，热继电器FR2作过载保护。控制电路中由数控系统发出控制指令，M03主轴正转、M04主轴反转、M05主轴停止，伺服驱动器控制进给电机工作。1 坐标轴的限位紧急停机，是当数控系统运行出现紧急情况时，而采取的停机措施。按下急停按钮（SB1）后，驱动器失电，步进电动机失电，主轴电机停止。2 启动按钮（SB2）和停止按钮（SB3）启动按钮控制驱动器上电，停止按钮使驱动器失电，最终导致步进电动机的停止。3 机床原点，是为保证数控系统加工的精度及可靠性而设置的。系统是用3个行程开关SQ1、SQ2、作为机床各坐标轴的原点检测器件，可根据实际情况将它们装在各坐标轴的相应位置。车床的机床原点，升降坐标(Z)设在接近下限位处，纵向(X)坐标面对机床设在接近右限位处。4 坐标轴的限位，是为保护数控系统的运行安全而设置的。在机床升降坐标的上下极限位、纵向坐标的左右极限位、横向坐标的里外极限位，各附设一行程开关和机械撞块。将系统的信号线接到3个行程开关SQ1、SQ2、SQ3