數(shù)控立鉆電氣部分設(shè)計含開題及4張CAD圖

數(shù)控立鉆電氣部分設(shè)計含開題及4張CAD圖,數(shù)控,電氣,部分,部份,設(shè)計,開題,cad 數(shù)控立鉆電氣部分設(shè)計 摘 要 數(shù)控機床是來自于數(shù)字控制機床的簡稱，這是一種裝有可編程程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該可編程程序控制系統(tǒng)能夠邏輯處理數(shù)字控制編碼或其他規(guī)定的指令程序，并將其譯碼成執(zhí)行元器件的動作信號從而驅(qū)動機床動作以加工零件。數(shù)控機床的控制電路是由各種不同的控制電氣元器件組成，進給伺服系統(tǒng)的控制性能在一定程度上決定了數(shù)控機床的等級。本次設(shè)計任務(wù)是以ZK5132數(shù)控立鉆電氣控制系統(tǒng)設(shè)計為中心，全面、系統(tǒng)地介紹了低壓電器、電氣控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)及接口、步進與伺服驅(qū)動器等內(nèi)容，利用數(shù)控機床以機械與電氣相結(jié)合的形勢，完成相關(guān)電氣控制線路排布以及各種保護控制線路的設(shè)計。 為使步進電動機的控制精度能達到所要求的步距角()精度，于是在該機床選配所用驅(qū)動電機時要考慮到該電機的過載能力和機床傳動系統(tǒng)中絲杠與電機轉(zhuǎn)子的慣量是否匹配以及所提供轉(zhuǎn)矩是否足夠，在該設(shè)計中的進給驅(qū)動系統(tǒng)選用混合式五相十拍步進電動機進行驅(qū)動控制。由于開環(huán)控制系統(tǒng)簡單，精度要求不高，可靠性和穩(wěn)定性相對于經(jīng)濟型數(shù)控機床好，故采用五相十拍的步進電動機進給驅(qū)動，同時也能因其相數(shù)大而達到明顯的振動抑制效果。 隨著設(shè)計的不斷深入而不斷熟悉了各種系統(tǒng)的適用條件，各種設(shè)備的選用標準及作用，各種電氣線路的保護設(shè)計，驅(qū)動進給系統(tǒng)的控制等。通過掌握電氣控制系統(tǒng)線路設(shè)計的原理、電氣元器件在線路中的作用，進給驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，完成對電動機的精度控制。這次的電氣控制部分設(shè)計也滿足一些企業(yè)對機床電氣高可靠高穩(wěn)定性、電氣使用壽命長等要求，具有進一步研發(fā)的潛力。 關(guān)鍵詞：ZK5132；數(shù)控系統(tǒng)；機電結(jié)合；步進電動機 Abstract CNC machine is referred to Digital control machine tool, is a machine equipped with the automated process control system. The control system can have a control logic to process the instruction codes or other symbols required, decoded and processed so that making machine action and machining parts. CNC machine control circuit is controlled by a variety of electrical components whose performance servo feed control system to some extent determines the level of CNC machine tools. The design task is designing ZK5132 CNC Vertical Drilling electrical control system, there is a comprehensive and systematic introduction to the low-voltage electrical appliances, electrical control systems, numerical control systems and interfaces, stepper and servo drives, etc. By combining CNC machine tools with electrical machinery, finish the completion of related electrical control circuit and various protection control design. To control the stepping motor step to achieve the required angle ( α= 0.36 °) the control precision, the machine motor is optional to consider the motor overload, overload conditions, the machine screw and the motor drive system rotor inertia matching. This design’s feed servo drive system used Five-phase-ten-pat hybrid stepping motor control. Because the open-loop control system is simple, less precision, reliability and stability with respect to the good economic type CNC machine tools, so using Five-phase-ten-pat hybrid stepping motor drive, vibration suppression effect is obvious because of the large number of phases. With the deepening of the design, we know more about the applicable conditions of various systems, selecting criteria and effects of various devices,various electrical circuit protection designing and feeding drive control system and so on . By mastering the principles of electrical control system circuit design，the role of the electrical components in the circuit and feeding drive system designing so we can well completed the motor accuracy control. My electrical control part of the design but also to meet the high reliability, high stability, long life and other electrical requirements for some company, thus it worth well potential for further development. Keywords: ZK5132 ; CNC system ; Electrical components ; Stepping motor 目 錄 引言 1 1. 數(shù)控機床常用電氣控制元件 3 1.1 低壓斷路器 3 1.2 接觸器 3 1.3 繼電器、變壓器及其他電器 4 2. 數(shù)控系統(tǒng) 5 2.1 數(shù)控鉆床系統(tǒng)的組成 5 2.1.1 操作面板 6 2.1.2 輸入/輸出裝置 6 2.1.3 CNC裝置 6 2.1.4 伺服單元 7 2.1.5 驅(qū)動裝置 7 2.1.6 機床本體 7 2.2 數(shù)控機床驅(qū)動控制的分類以及選擇 7 2.2.1 開環(huán)控制 8 2.2.2 閉環(huán)與半閉環(huán)控制 8 2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)類型 8 2.3 數(shù)控鉆床用途及特點 9 2.4 數(shù)控鉆床的相關(guān)技術(shù)參數(shù) 9 2.5 數(shù)控機床對于進給驅(qū)動系統(tǒng)的相關(guān)要求 10 3. 傳動系統(tǒng)相關(guān)計算 10 3.1 傳動系統(tǒng)對驅(qū)動電機的相關(guān)要求 11 3.1.1 X、Y水平直線運動軸 11 3.1.2 Z垂直直線運動軸 12 3.2 步進電動機速度的控制 13 4. 步進電動機驅(qū)動進給系統(tǒng) 13 4.1 步進電動機的選用原則以及性能指標 13 4.1.1 選用原則 13 4.1.2 步進電動機性能指標 14 4.2 步進電動機的選擇 14 4.3 步進電動機的工作原理 15 4.4 主軸步進電機的控制 16 4.5 步進電動機的位置控制 18 4.6 步進電動機的驅(qū)動電源 19 4.7 步進電動機的正反轉(zhuǎn)運動控制 19 5. 機床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 20 5.1 主電路電氣控制設(shè)計 20 5.1.1 主軸正轉(zhuǎn) 20 5.1.2 主軸反轉(zhuǎn) 21 5.1.3 主軸停轉(zhuǎn) 21 5.1.4 冷卻泵 21 5.2 電路電源分析 21 5.3控制電路設(shè)計 22 5.3.1 電機制動方式 22 5.3.2 零壓保護啟動 22 5.4 數(shù)控系統(tǒng)中的啟動與停止 23 5.5 輸入/輸出及各軸限位 23 5.6 光軸輸出接口 23 5.7 M功能輸出 23 5.8 X、Y、Z軸的驅(qū)動控制信號接口 24 6. ZK5132數(shù)控立鉆機床電氣控制原理設(shè)計 25 7. ZK5132數(shù)控立鉆機床電氣外觀設(shè)計 28 結(jié)論 29 謝辭 30 參考文獻 31 引言 隨著科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展、制造技術(shù)的突飛猛進和人類生活水平提高物質(zhì)要求增加，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種的多樣化要求趨勢不斷增強，中小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，由此要求數(shù)控機床更高的的柔性和通用性。人們迫切希望能提供不同加工需求且成本低迅速高效又面向普通用戶的控制系統(tǒng)，同時期待在維護和培訓(xùn)成本上有大幅降低。若該系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)功能能夠適應(yīng)以后車間面向任務(wù)定單的批量或零碎生產(chǎn)管理模式將更能俘獲用戶的青睞。在此大背景下，計算機數(shù)字技術(shù)在近十年來以極快的速度高歌猛進，不斷醞釀產(chǎn)生多種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)階段正向標準化開放體系結(jié)構(gòu)的大方向邁進。單就體系結(jié)構(gòu)來說，現(xiàn)世全球的數(shù)控系統(tǒng)大致可以分為以下四類：傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)、“PC嵌入NC”結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)、“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)、開放式數(shù)控系統(tǒng)。特別是進入21世紀之初，拌隨著全球大環(huán)境計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機控制等領(lǐng)域的技術(shù)成就陸續(xù)引進到數(shù)控技術(shù)的開發(fā)中去?，F(xiàn)階段高速高精度、高效率高自動化、高柔性、高可靠性、高智能化復(fù)合化網(wǎng)絡(luò)化、開放式體系結(jié)構(gòu)是國外數(shù)控機床性能的發(fā)展方向，這要求更高的數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的質(zhì)量及可靠性。機床工業(yè)是一個國家綜合實力的重要標志和產(chǎn)業(yè)地位的重要象征?！笆晃濉逼陂g，我國機床工具行業(yè)平均以百分之三十的高增長率快速發(fā)展，已連續(xù)10年成為世界第一機床消費大國，并成為世界機床第一生產(chǎn)大國。而“十二五”期間，我國進一步加速對高速鐵路的建設(shè)、日益加快的城鎮(zhèn)化進程都為機械行業(yè)帶來最直接最大化的收益。 當(dāng)前我國的機床數(shù)控系統(tǒng)正處在一個發(fā)展的關(guān)鍵時期，正尋求由研究開發(fā)向推廣應(yīng)用轉(zhuǎn)變，也正是從封閉型的系統(tǒng)向開放型的系統(tǒng)尋求轉(zhuǎn)變的時期。我國的機床數(shù)控系統(tǒng)在重大關(guān)鍵技術(shù)、核心技術(shù)上日趨成熟，開發(fā)及衍生出數(shù)控系統(tǒng)八十余種，已趕上國外先進水平。近幾年以來，借由對國內(nèi)外機床數(shù)控機床從機械結(jié)構(gòu)解剖分析到使用性能用戶需求的調(diào)研，思考鉆研了機床數(shù)控機床在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面和制造方法方面的新技術(shù)。但現(xiàn)時還主要存在以下幾個問題函待解決：一是缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)模，沒有足夠規(guī)模的產(chǎn)業(yè)集群；二是缺乏專門針對發(fā)展數(shù)控產(chǎn)業(yè)的政策和相應(yīng)的技術(shù)配套體系；三是缺乏技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品更新；四是缺乏產(chǎn)業(yè)調(diào)整的內(nèi)在動力；五是面臨國外強手競爭，擴展海外市場壓力巨大。 其中數(shù)控鉆床作為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的象征以及世界先進制造技術(shù)興起和不斷成熟的標志，它是在數(shù)控加工中心領(lǐng)域的典型機床，最具代表性且占據(jù)數(shù)控機床中的絕大比率，現(xiàn)代數(shù)控加工中心及柔性制造單元等都是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上派生發(fā)展起來的。功能性強、加工范圍廣、工藝較復(fù)雜等都是數(shù)控銑床的特點，各種復(fù)雜平面、輪廓及曲面等零件的銑削加工都需依靠銑床來完成，又因為它可以進行鉆通孔、盲孔，并在更換特殊刀具后可擴孔、锪孔、鉸孔或進行攻絲等使得其在機械加工領(lǐng)域和模具制造業(yè)中應(yīng)用廣泛可謂是必不可少的基礎(chǔ)機床。 本次所選的畢業(yè)設(shè)計的課題主要是對現(xiàn)有的數(shù)控機械產(chǎn)品中的數(shù)控立式鉆床進行結(jié)構(gòu)總圖的繪制，還有經(jīng)濟型機床本身的各部分組成，在達到加工要求的情況下進行合理的選擇設(shè)計，再結(jié)合對實際生產(chǎn)加工中數(shù)控立式鉆床的電氣控制原理的了解，設(shè)計并繪制數(shù)控立式鉆床它的電氣控制原理圖，包括各種保護電路的設(shè)計控制。目前CNC機床的普及以及快速的發(fā)展勢頭，要求我對CNC系統(tǒng)進行基本的了解，并掌握編程的主要思路和方法。 本課題畢業(yè)設(shè)計是以ZK5132型數(shù)控立式鉆床為主要對象對其電氣控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，熟悉了解電氣控制原理、低壓電器使用、機床電氣控制系統(tǒng)排布、數(shù)控系統(tǒng)及接口功能、變頻器使用、步進與伺服驅(qū)動的選用等內(nèi)容。數(shù)控立鉆在加工工件的過程中，主軸的運動和進給軸的運動怎么結(jié)合，如何選擇步進電動機對應(yīng)的相應(yīng)的步距角，以及對于各個電動機的類型及控制方法的選擇都是本次設(shè)計的研究對象。設(shè)計時，應(yīng)與其內(nèi)容及任務(wù)相符，并使步進電動機的精度控制為0.36°，完成ZK5132型數(shù)控立式鉆床電氣控制系統(tǒng)原理圖和各種保護電路元器件的繪制及總裝原理圖設(shè)計。 1. 數(shù)控機床常用電氣控制元件 各種不同功用的電氣控制元器件按設(shè)計排布便組成了數(shù)控機床的控制電路，要想做到設(shè)計更優(yōu)的數(shù)控機床控制電路，就首先要了解熟悉各種功用的各式樣電氣控制元器件，而本設(shè)計是在ZK5132型數(shù)控立式鉆床為基礎(chǔ)的前提下進行的。 1.1 低壓斷路器 低壓斷路器又稱自動空氣開關(guān)，它將控制和保護兩種功能合而為一體，常用來做不頻繁接通和斷開的電路的總電源開關(guān)或是部分電路的電源開關(guān)。當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲魉诘碾娐钒l(fā)生過載、短路或欠壓等故障時它能自動工作瞬間把電路切斷，從而有效保護串連在它后面的其他電氣原件或設(shè)備。同時由于低壓斷路器的設(shè)計特點，在分斷故障電路的電流后通常是不需要更換該斷路器零部件的。本設(shè)計中的QF1、QF2、QF3等，圖形及文字符號如圖1.1所示。 圖1.1 低壓斷路器圖形及文字符號 本畢業(yè)設(shè)計中用到了兩種斷路器，分別為單極斷路器和三級斷路器，它們被用于照明配電系統(tǒng)回路和控制回路，交流電線路及單極和二極至四極線路的過載及短路保護。 1.2 接觸器 接觸器是一種帶有負載的終端控制電器被設(shè)計用于需要頻繁接通或者分斷的電路中。通常接觸器是由四部分構(gòu)成，分別有電磁機構(gòu)、觸點系統(tǒng)、滅弧裝置及其它部件。當(dāng)線圈得到電后，鐵芯所產(chǎn)生的電磁吸力將吸合銜鐵，銜鐵則帶動觸點系統(tǒng)動作使常閉觸點斷開同時常開觸點閉合。當(dāng)線圈失去電流斷電時，它的電磁吸力便會消失，在反作用彈簧力的作用下釋放銜鐵，以致觸點系統(tǒng)隨后復(fù)位。目前接觸器可分為直流和交流僅兩種，而機床上常用的是交流接觸器。其圖形及文字符號如圖1.2所示： 圖1.2 接觸器電氣圖形及文字符號 1.3 繼電器、變壓器及其他電器 繼電器是一種可以根據(jù)輸入信號的變化動作從而接通或是斷開控制電路的電器件。出入繼電器的信號一方面可以是電流或電壓等電量信號，另一方面也可以是溫度、速度或壓力等非電量信號。繼電器的輸出信號則是為響應(yīng)觸點的動作。繼電器可以按輸入信號的性質(zhì)來分類：可分為電壓繼電器、電流繼電器或時間繼電器等，若按原理分類又可分為：電磁式繼電器或熱繼電器（圖1.4 a所示）等。繼電器圖形及文字符號表示見下圖1.3所示。 圖1.3 繼電器圖形及文字符號 繼電器和接觸器工作原理是一樣的但也有不同之處： 繼電器主要用于二次回路的作用是 信號檢測、傳遞、變換或處理用的，它通斷的電路電流通常較小(幾A到十幾A)，一般用在控制電路里，控制弱信號。接觸器主要是用于一次回路的，可以通過較大的電流(可達幾百到一千多A)，常用來接通或斷開主電路的。在繼電器的觸點容量滿足不了要求時，也可以用接觸器代替。當(dāng)接觸器的輔助觸點不夠用時可加一繼電器作輔助觸點來實現(xiàn)各種控制。 變壓器是一種靜止電器它能將任一數(shù)值的交流電壓變換成頻率相同但數(shù)值大小卻不相同的交流電壓。機床控制變壓器它適用于輸入電壓不超過交流660伏而頻率為50Hz~60Hz之間的電路，以此常作為機床中一般電器的控制電源、步進電機驅(qū)動器電源、局部照明電源還有指示燈電源等。其圖形文字符號如圖1.4 b）所示。 在機床電氣控制電路中還有其他的控制電器元件，如熔斷器就是一種最簡單而且有效的保護電器正被業(yè)界廣泛應(yīng)用。熔斷器在使用時被串聯(lián)接在所需要保護的電路中，一旦電路發(fā)生短路或是嚴重過載時，熔斷器的熔斷體就會自動地迅速熔斷，從而達到切斷電路使導(dǎo)線和電氣設(shè)備不致?lián)p壞的效果。 行程開關(guān)用于對機械的電氣安全控制，機床導(dǎo)軌兩端，通常串聯(lián)電路中，也稱限位開關(guān)。按鈕被用于電氣電路控制的接通或是斷開。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，當(dāng)工件在工作臺上運行超過行程，會損壞工作臺及整個進給系統(tǒng)，這時限位開關(guān)就起到了保護作用，當(dāng)運行過程碰到限位開關(guān)時，使得電路斷開，停止工作。 它們的圖形及文字符號如圖1.4 所示。 圖1.4 其他電氣圖形及文字符號 2. 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱為數(shù)控系統(tǒng)，它是一種能夠按照預(yù)先編程好的零件加工程序指令進行作業(yè)控制，從未使機床完成既定工作運動加工出零件的控制系統(tǒng)。它的工作原理是根據(jù)計算機存儲器中已存儲的控制程序，選擇執(zhí)行部分或是全部指令功能。該數(shù)字控制專用計算機系統(tǒng)配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置，可通過執(zhí)行數(shù)字、文字或是符號相組成的指令來控制若干機械設(shè)備動作，控制范圍包括位置、角度、速度等機械量和開關(guān)量。 2.1 數(shù)控鉆床系統(tǒng)的組成 數(shù)控機床它是采用數(shù)字控制技術(shù)來實現(xiàn)對機床加工作業(yè)過程自動控制的一種現(xiàn)代化機床，是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的典型例子。本設(shè)計以ZK5132型數(shù)控立式鉆床為例，數(shù)字控制的實現(xiàn)得依靠數(shù)控系統(tǒng)，而計算機數(shù)控系統(tǒng)又是以計算機為最核心的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控立式鉆床系統(tǒng)組成可見下圖2.1。 圖2.1 數(shù)控立式鉆床系統(tǒng)組成框圖 數(shù)控立式鉆床系統(tǒng)通常有以下若干部分組成：操作面板、輸入/輸出裝置、PLC控制面板、機床主體、計算機數(shù)控裝置、機床IO電路、進給驅(qū)動裝置、伺服單元及傳動運動機構(gòu)等。 2.1.1 操作面板 操作人員和數(shù)控機床系統(tǒng)進行信息交流及作業(yè)操作全部依賴操作面板，操作面板由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列及顯示器共同組成。而一般常見的是集成式操作面板，其上可分為顯示區(qū)、鍵盤區(qū)和機床控制面板區(qū)三大區(qū)域。顯示區(qū)里有顯示器，是用于顯示菜單選項、系統(tǒng)作業(yè)狀態(tài)、故障報警信息以及加工軌跡圖形的仿真演示。鍵盤區(qū)的鍵盤是用于編制所需加工零件的切削程序、輸入控制量參數(shù)、手動輸入數(shù)據(jù)及管理操作系統(tǒng)。而主板芯片則是用于實現(xiàn)機床動作或加工過程的直接控制。 2.1.2 輸入/輸出裝置 輸入裝置它的作用方法則是將存儲在載體上的數(shù)控代碼讀取出來，然后轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的數(shù)字控制信號后，傳輸?shù)綌?shù)控裝置里面。輸出裝置它的作用則是先讀取加工過程中的一些信息，然后再顯示信息，這些信息包括有坐標值或報警信號等。 輸入/輸出接口電路是微芯片處理器與外界控制變量聯(lián)系的通路，它通過物理連接手段能夠?qū)崿F(xiàn)完成數(shù)據(jù)格式和信息形式的互相轉(zhuǎn)換。在CNC系統(tǒng)中若按功能分類可將I/O接口分為兩類：其中一類接口是用于連接常規(guī)的輸入輸出設(shè)備，從而實現(xiàn)程序的輸入輸出及人機界面的交互，這一類被稱之為通用I/O接口；另一類接口是用于連接專用的控制檢測裝置，從而實現(xiàn)控制與檢測機床的位置和工作狀態(tài)的目的，這一類是CNC數(shù)控裝置專用的接口其被稱之為機床控制I/O接口。 2.1.3 CNC裝置 計算機數(shù)控系統(tǒng)的最根本核心便是CNC裝置，它能夠根據(jù)被輸入其中的加工程序按照運動軌跡進行處理和完成輸入機床的信號的處理，最后向各部分輸出信號命令以控制相應(yīng)的執(zhí)行部件完成既定動作。可用可編程控制器控制數(shù)控機床完成諸如刀具的選擇和更換、切削液的啟停等輔助動作。在現(xiàn)階段的現(xiàn)代化程度高的數(shù)控系統(tǒng)中，通常都會配置有PLC附加電路板，這樣的結(jié)構(gòu)形式有利于免去CNC與PLC間的連線從而使結(jié)構(gòu)緊湊可靠且方便操作，在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是雙贏的。 2.1.4 伺服單元 伺服單元是包括了主軸伺服和進給伺服，兩者分別用來控制主軸電動機和進給電動機按照程序設(shè)定的進給速度進給，使刀具和工件之間產(chǎn)生相對運動以進行加工作業(yè)。數(shù)控裝置與機床本體的聯(lián)系是依靠伺服單元來達成實現(xiàn)的，如伺服單元先將接收來自于CNC裝置的進給指令信號，然后將該指令放大成足夠控制驅(qū)動裝置的大功率信號后傳送給機床本體運動機構(gòu)。伺服單元自身還擁有過電壓電流、欠壓、過熱保護等故障檢測電路，并且為了更好的保護元器件，實現(xiàn)軟啟動減小啟動沖擊，故其還在主回路電路中加入了軟啟動電路排布。 功率驅(qū)動單元的作用是讓輸入的三相電或者市電通過三相全橋整流電路進行整流從而得到相應(yīng)的直流電。為了驅(qū)動三相永磁同步交流伺服電機，三相電或市電在經(jīng)過整流后，還要再通過三相正弦PWM電壓型逆變器，實現(xiàn)變頻才能符合電機的供電要求?？梢杂肁C-DC-AC的表示來說明功率驅(qū)動單元的整個工作過程。三相全橋不控整流電路是其整流單元（AC-DC）的主要的拓撲電路。 2.1.5 驅(qū)動裝置 伺服單元和驅(qū)動單元一樣都是數(shù)控裝置與機床傳動部件之間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，驅(qū)動單元裝置把伺服單元輸出的控制信號轉(zhuǎn)變成執(zhí)行部件的運動，諸如過幾軸聯(lián)動帶動工作臺和刀具通加工出既定形狀尺寸和合乎精度要求的零件。 2.1.6 機床本體 數(shù)控鉆床計算機部分之外的機床本體便是數(shù)控鉆床的機械部分，主運動部件、進給運動執(zhí)行部件、支承部件（底座、支柱等）和冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位還有夾緊之類的輔助裝置共同構(gòu)成了這樣的一個機械部分。電動機的要將扭矩或功率傳遞給主軸部件便要依靠機床上的主傳動系統(tǒng)，主傳動系統(tǒng)和主軸部件通常都被設(shè)計成一個主軸箱以使安裝在主軸內(nèi)的工件或刀具可以實現(xiàn)主切削運動。 2.2 數(shù)控機床驅(qū)動控制的分類以及選擇 機床的數(shù)控系統(tǒng)按所能控制的運動軌跡可以分為三種類型，如點位控制數(shù)控系統(tǒng)、直線切削數(shù)控系統(tǒng)和連續(xù)切削數(shù)控系統(tǒng)。點位控制不管所走的軌跡如何，且運動過程中不進行任何加工，而只控制機床移動部件的終點位置。直線切削控制用于臺階軸加工，只沿45°斜線進行加工，控制兩個坐標軸以同樣的速度運行。加工輪廓、曲線或曲面通常需要使用機床的連續(xù)加工功能。因為本課題是以數(shù)控鉆床為設(shè)計對象，所以在本設(shè)計中應(yīng)選用點位控制系統(tǒng)。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，以及全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)是進給伺服系統(tǒng)的三種類型。 2.2.1 開環(huán)控制 在開環(huán)控制中的驅(qū)動電機多是采用功率步進電動機，當(dāng)驅(qū)動單元接收一個輸入脈沖后，步進電動機就相應(yīng)地轉(zhuǎn)過一個步距角，通過電機與機床之間傳動部件的傳動，使工作臺相應(yīng)地產(chǎn)生一個位移量，這樣的一個位移量被稱為一個脈沖當(dāng)量或一個最小設(shè)定單位。 開環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控機床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換，成為控制步進電動機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電動機運轉(zhuǎn)。步進電動機的轉(zhuǎn)子是與機床絲桿通過聯(lián)軸器聯(lián)接在一起的，轉(zhuǎn)子帶動絲桿，絲桿轉(zhuǎn)動從而使工作臺產(chǎn)生移動。開環(huán)控制系統(tǒng)是沒有設(shè)置位置反饋元器件的，故不用位置檢測元件定位。圖2.2為步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)圖： 圖2.2 步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng) 2.2.2 閉環(huán)與半閉環(huán)控制 在控制方式上來說，半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)相似但也存在區(qū)別，主要區(qū)別在于半閉環(huán)控制系統(tǒng)比閉環(huán)控制系統(tǒng)多在電動機軸上裝有表示其角位移的編碼器。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)可以使電動機達到所要求的高精確角位移，盡管并不能糾正機床傳動部件自身的加工誤差和由此帶來的傳動誤差。 2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)類型 伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)與機床進給機械傳動機構(gòu)是機床中重要的兩大部分，它們共同組成了機床的進給伺服系統(tǒng)。而絲杠、機床導(dǎo)軌和工作臺拖板等則是組成了通常所說的機床進給機械傳動系統(tǒng)。開環(huán)控制無位置檢測及反饋，單向信號，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床；半閉環(huán)控制系統(tǒng)，使用的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋檢測元件與伺服電機同軸連接，與伺服電機轉(zhuǎn)子后部直接相連接與伺服電機構(gòu)成一體，不足之處是其精度比閉環(huán)控制系統(tǒng)的要低；對于精度要求很高的數(shù)控車床、銑床和超精車床基本都得需要用閉環(huán)控制系統(tǒng)作為加工過程的位置檢測及反饋從而保證成品品質(zhì)。 數(shù)控系統(tǒng)若按功能水平來分類可分為經(jīng)濟型、普及型和高檔型三種。它們相關(guān)參數(shù)如下表2.1所示： 表2.1 各類數(shù)控系統(tǒng)對比 名稱 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng) 普及型數(shù)控系統(tǒng) 高檔型數(shù)控系統(tǒng) 顯示 數(shù)碼管、CRT 單色顯示器 彩色CRT或TFT液晶 CPU 單板機或單片機 16位或32位 32位以上 內(nèi)存 小于100KB 150KB 大于150KB 快速進給速度 小于10m/min 10-20m/min 100m/min或更高 進給分辨率 10 1 0.1 反饋控制方式 開環(huán)控制 半閉環(huán)控制 全閉環(huán)控制 聯(lián)動方式 三軸或三軸以下 三軸或四軸 五軸以上 適用范圍 數(shù)控鉆、磨、銑 經(jīng)濟實用的車銑等 高速高精加工的銑床等 根據(jù)以上表格參數(shù)，本課題設(shè)計應(yīng)選用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，其型號為HNC-21Z的數(shù)控系統(tǒng)。機床進給采用開環(huán)控制系統(tǒng)，價格便宜，滿足一般精度加工要求。 2.3 數(shù)控鉆床用途及特點 鉆床是通過用鉆頭或其他特種刀具在工件上加工成孔或特殊造型的機床。鉆床的主運動是為主軸帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，進給運動為鉆頭軸向移動，鉆床結(jié)構(gòu)簡單可鉆通孔、盲孔，在更換特種刀具后還可進行擴、锪孔、鉸孔或進行攻絲等加工，但加工精度相對較低。鉆床的特點是在加工過程中僅移動刀具而工件不動，讓刀具中心對正孔中心后啟動機床使刀具轉(zhuǎn)動，操作可以是手動，也可以是自動。工作臺面的寬度和長度是在選用鉆床進行加工時需參考的主參數(shù)之一。 鉆床的工藝特點如下：(1)鉆床的鉆頭或特種刀具由主軸帶動來做高速的旋轉(zhuǎn)運動；(2)刀具具備多齒、多刃且軸對稱的特點，加工工件時進行連續(xù)切削；(3)工件被固定在工作臺上由工作臺帶動做直線或曲線進給運動；(4)刀具在切削時每個刀齒是斷續(xù)的進行切削作業(yè)，每一時刻參與切削作業(yè)的刀齒齒數(shù)和每個刀齒的切削厚度都是變化的，這也正是刀具進行加工作業(yè)時容易引起機床振動的原因；(5)切削時，刀具同時參加切削的齒數(shù)較多，便于采用較大的切削速度和進給給量，因而生產(chǎn)效率高。 2.4 數(shù)控鉆床的相關(guān)技術(shù)參數(shù) 數(shù)控立式鉆床有很多種，主要用鉆頭在工件上加工孔（如鉆孔、擴孔、鉸孔、攻絲、锪孔等）的機床，機械制造和各種修配工廠必不可少的設(shè)備。根據(jù)本次設(shè)計型號ZK5132，是經(jīng)濟數(shù)控立式鉆床，工作臺和主軸箱可以在立柱上垂直移動，用于加工中小型工件。該機床X,Y,Z三軸均由數(shù)控系統(tǒng)協(xié)同步進電機控制以產(chǎn)生大扭距和高定位精度。該系列機床具有加工剛性好、編程簡單操作方便易上手和使用可靠安全的優(yōu)點。該數(shù)控立式鉆床的主要技術(shù)參數(shù)規(guī)格見下表2.2 所示： 表2.2 ZK5132機床參數(shù) 主軸箱行程(mm) 450 最大鉆孔直徑(mm) 32 主軸電動機功率(KW) 2.2 主軸端面至工作臺最大面積(mm) 600 主軸轉(zhuǎn)速范圍(r/min) 50-1500 工作臺面積(mm) 630×400 主軸最大進給抗力(KN) 9 X軸定位精度(mm) 0.05 主軸最大扭矩(Nm) 160 Y軸定位精度(mm) 0.05 工作臺X軸行程(mm) 500 Z軸定位精度(mm) 0.05 工作臺Y軸行程(mm) 300 重復(fù)定位精度(mm) 0.02 Z軸行程(mm) 225 外形尺寸（長寬高）(mm) 1080×1310×2400 2.5 數(shù)控機床對于進給驅(qū)動系統(tǒng)的相關(guān)要求 (1)驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速范圍要寬，即指進給電機能提供的最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速具有具備足夠廣的調(diào)整幅度。對于一般的數(shù)控機床，作業(yè)能力要求進給驅(qū)動系統(tǒng)能在速度范圍內(nèi)工作就合乎要求了。 (2)驅(qū)動系統(tǒng)的定位精度要高要能達到較高的精度和剛度且傳動平穩(wěn)噪聲低的要求。主傳動系統(tǒng)的剛度直接關(guān)系到數(shù)控機床的加工精度以及后期的精度提高。所以一般采用高精度軸承以提高主軸件的剛性以實現(xiàn)傳動件制造精度和剛度的提高。 (3)快速響應(yīng)，無超調(diào)。所有被控制的電動機要求起動平穩(wěn)響應(yīng)快速、無沖擊震動、無振蕩、電氣檢修噪聲無異常并且溫升無異常。 (4)可做到低速大轉(zhuǎn)矩，具備強過載能力。進行作業(yè)時進給驅(qū)動系統(tǒng)被要求在低速時能保持恒力矩輸出不發(fā)生爬行現(xiàn)象，并且在相對一段較長時間內(nèi)能承受頻繁的啟動、反轉(zhuǎn)、制動，擁有較強的過載能力。 (5)驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性要高以滿足數(shù)控機床長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)的特點需求。因此可靠性技術(shù)、容錯技術(shù)及冗余技術(shù)作為電氣系統(tǒng)設(shè)計和部件選用是一個常用的做法手段，而且部件應(yīng)選用符合有關(guān)國際標準且取得授權(quán)認證的最成熟的產(chǎn)品。 3. 傳動系統(tǒng)相關(guān)計算 鉆頭主切削運動的動力來自主軸，主軸得在電機帶動的高速旋轉(zhuǎn)下同時承載鉆頭切削工件時從主軸電機傳遞過來的的強勁動力，而且高精度是在任何情況下都必須首先保證的硬性指標。在機床中最關(guān)鍵重要的部件就是主軸，主軸的技術(shù)指標是也決定了機床的技術(shù)水平以及精度水平。主軸按結(jié)構(gòu)來分的話是分為機械主軸和電主軸。機械主軸是由刀具裝夾機構(gòu)、軸承元件、主軸冷卻系統(tǒng)、配套的主軸電機、測量反饋部件和驅(qū)動裝置等組合構(gòu)成。部分機械主軸還配備有液壓或是氣動操作的換擋機構(gòu)。電主軸則是指那些主軸電機被集成到主軸的機械部件中的主軸系統(tǒng)。本設(shè)計中的機床主軸傳動系統(tǒng)主要相關(guān)參數(shù)如下表3.1和表3.2所示： 表3.1 主軸傳動系統(tǒng)主要相關(guān)參數(shù) 工作臺重量 500 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 3.2 夾具重量 300 絲桿導(dǎo)程 10 靜摩擦系數(shù) 0.2 絲桿總長 1000 動摩擦系數(shù) 0.1 定位精度 0.05 絲桿預(yù)緊時效率 0.75 步距角 0.36 驅(qū)動時總效率 0.8 重量 16 電機最大轉(zhuǎn)速 150 最大進給速度 1.5 表3.2 主軸工作情況 切削 方式 縱向切削力Pxi（N） 垂向切削力Pzi（N） 進給速度Vi（m/min） 工作時間百分比t % 絲桿軸向載荷（N） 絲桿轉(zhuǎn)速r/min 強力切削 2000 1200 0.6 10 2920 60 一般切削 1000 500 0.8 30 1850 80 精切削 500 200 1 50 1320 100 快速進給 0 0 1.5 10 800 150 3.1 傳動系統(tǒng)對驅(qū)動電機的相關(guān)要求 3.1.1 X、Y水平直線運動軸 空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩為： （3-1） 加工時的負載轉(zhuǎn)矩為： （3-2） 3.1.2 Z垂直直線運動軸 加工時的負載轉(zhuǎn)矩為： （3-3） 根據(jù)上面的計算，工作臺X、Y水平運動軸選110BYG5502型轉(zhuǎn)矩為16 N·m的步進電動機；主軸箱Z垂直直線運動軸則選用130BYG5501型轉(zhuǎn)矩為25 N·m的步進電動機；主軸鉆頭由Y100L1-4型功率為2.2 KW的交流異步電機帶動；液壓泵使用AOB-25型功率為0.06 KW的三相電泵。 步進電動機的最高轉(zhuǎn)速取為。因為步進電動機與絲杠直連，即 ，工作臺快速進給的最高速度要求達到，則絲杠的最高轉(zhuǎn)速為。 根據(jù)絲杠導(dǎo)程公式： （3-4） 代入式（3-4），得絲杠的導(dǎo)程為： （3-5） 根據(jù)精度要求，數(shù)控機床的脈沖當(dāng)量可定為。脈沖當(dāng)量是指每一脈沖信號輸入機床運動部件所產(chǎn)生的位移量，這又被稱作最小設(shè)定單位。步進電機完成每轉(zhuǎn)，控制器所應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)由以下公式可知： 因為 有 （3-6） 代入式（3-6），得： （3-7） 驗算，以上結(jié)果與 相符合。 3.2 步進電動機速度的控制 步進電動機運轉(zhuǎn)的速度，取決于輸入脈沖的頻率，在控制軟件中，控制兩個節(jié)拍進給脈沖的時間間隔，就可以方便的實現(xiàn)步進電動機的運轉(zhuǎn)速度的控制。 根據(jù)數(shù)控鉆床的加工要求，由上面已經(jīng)選擇好的130BYG5501型號的步進電動機，電動機的轉(zhuǎn)速為 n ，要求步進電動機步距角 = 0.36°，由下式（3-8）和式（3-9）求出相應(yīng)的兩個節(jié)拍間的時間間隔T及脈沖頻率f（Hz），即 （3-8） （3-9） 當(dāng)需要快速進給，n=150r/min=2.5r/s， = 0.36°時，求得： T=0.0004 s ， f=2500 Hz 當(dāng)需要精切削進給，n=100r/min， = 0.36°時，求得： T=0.0006 s ， f≈1667 Hz 當(dāng)需要一般切削進給，n=80r/min，= 0.36°時，求得： T=0.00075 s ， f≈1333 Hz 當(dāng)需要強力切削進給，n=60r/min， = 0.36°時，求得： T=0.001 s ， f=1000 Hz 4. 步進電動機驅(qū)動進給系統(tǒng) 4.1 步進電動機的選用原則以及性能指標 4.1.1 選用原則 步進電機在機床產(chǎn)業(yè)中通常被用來控制定位和定速可以說是機電一體化產(chǎn)品中至關(guān)重要的部件之一。步進電機自身具有轉(zhuǎn)動慣量低、定位精度高、無累積角誤差、控制方法簡單的優(yōu)點。例如在計算機數(shù)控機床、包裝產(chǎn)業(yè)機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機以及傳真機中都不可或缺地使用了步進電機。 ??選用步進電機的前提首先是得確保所用步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，然后要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，同時要電機的矩頻特性在滿足機械負載要求即在實際作業(yè)過程中各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)的情況下還要有一定的余量，以此保證其可靠運作。同時應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)相匹配以得到機床所要求的脈沖當(dāng)量。若想得到更小的脈沖當(dāng)量可通過改變絲桿的導(dǎo)程或通過對步進電機進行細分驅(qū)動來實現(xiàn)。細分只能改變其分辨率但不能改變其精度，因為精度是由電機的固有特性所決定。 ??在選擇功率步進電機的時候應(yīng)當(dāng)首先估算負載慣量和機床要求的啟動頻率，以使其慣性頻率特性在與步進電機相匹配的情況下還另有一定的余量，從而使之在最高速時的連續(xù)工作頻率滿足機床快速進給的要要。 4.1.2 步進電動機性能指標 （1）步距角，若步距角在步進電動機通電方式和傳動比已經(jīng)初步確定的情況下，則應(yīng)該滿足（i為傳動比，為負載要求的最小位移增量）。 （2）最大靜轉(zhuǎn)矩，其余負載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為，為保證步進電動機能正常工作，還必須滿足。 （3）空載啟動頻率，由于在負載情況下，步進電動機不失步啟動所允許的最高頻率是隨負載的增加而顯著下降的，因此，在選擇電動機時應(yīng)該選擇合適的。 （4）精度，可以用步距誤差或累積誤差來衡量步進電動機的精度。累積誤差它是指某一時刻轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過若干步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用累積誤差衡量精度比較實用，所選用的步進電動機應(yīng)滿足 式中, 為傳動比，--負載軸上允許的角度誤差。 4.2 步進電動機的選擇 步進電動機是一種驅(qū)動裝置，它將接收的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移，進而對外做功。每對步進電動機它施加一個單位電脈沖信號，它的轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過一個固定的角度，被稱之為一步，每一步轉(zhuǎn)過的角度即為步距角。目前常見的步進電動機它的步距角α有以下0.36°/0.72°, 0.75°/1.5°, 0.9°/1.8°等，斜線前面表示工作半個步距角度，斜線后面表示工作全步距角度。步進電動機最顯著的優(yōu)點是具有較好的定位精度，它無漂移和累積定位誤差還能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列。 本次是以數(shù)控立式鉆床為對象，其型號為ZK5132，要求步進電動機的步距角控制精度為0.36°。該數(shù)控立式鉆床是采用110BYG550X系列及130BYG5501混合式驅(qū)動步進電動機。 參數(shù)釋義： 110/130 - 機座號，電機外徑 BYG - 混合步進電機代號 5 - 代表五相電機 50 - 轉(zhuǎn)子齒數(shù) X/1 - 規(guī)格號 4.3 步進電動機的工作原理 步進電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子上附有繞組，根據(jù)定子上繞組的數(shù)量可對電動機進行分類，可分為兩相、三相和五相步進電動機。本畢業(yè)設(shè)計中由前面推算選擇所確定的步進電機為五相十拍，各繞組按驅(qū)動器設(shè)定的通電順序通以直流電使其電動機按要求的方向轉(zhuǎn)動。電機轉(zhuǎn)子和定子上環(huán)形均布著齒，繞組中的電流每變化一次則轉(zhuǎn)子和定子的相對位置就變化一個角度。 其機構(gòu)如圖4.1所示： 圖4.1 五相電動機結(jié)構(gòu) 例如進行整步驅(qū)動時首先將A所在相進行勵磁，讓該磁極磁化成S極，該S極將與帶有N極磁性的轉(zhuǎn)子1上的小齒互相吸引同時與帶有S極磁性的轉(zhuǎn)子2上的小齒相排斥，在轉(zhuǎn)動到新的磁平衡位置后停止。這時候沒有進行勵磁的B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子2上的帶有S極磁性的小齒互偏離0.72°。以上便是先進行A相勵磁時候的定子和轉(zhuǎn)子小齒的位置關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動器控制由A相勵磁進行到B相勵磁時候，B相磁極被磁化成為N極，進而與擁有S極磁性的轉(zhuǎn)子2產(chǎn)生異性相吸同時與擁有N極磁性的轉(zhuǎn)子1同性相排斥。即是說，進行整步驅(qū)動時候從A相勵磁轉(zhuǎn)換至B相勵磁時會讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動0.72°。因此可以知道，驅(qū)動器控制的勵磁相位順序從A相→B相→C相→D相→E相→A相依次進行通電勵磁，使步進電動機每次以0.72°整步工作。同理得若希望電動機反向轉(zhuǎn)動時，只需將勵磁順序倒轉(zhuǎn)過來成依照A相→E相→D相→C相→B相→A相的順序通電勵磁就可以了。 因此根據(jù)公式，（式中─轉(zhuǎn)子齒數(shù)；─步進電動機相數(shù)；─控制方式系數(shù)，為供電拍數(shù)與相數(shù)之比，K=(拍數(shù))/(相數(shù)) ），該110BYG550X系列及130BYG5501步進電機采用整步驅(qū)動時，步進的步距角為 ；當(dāng)采用半步細分驅(qū)動時，步進的步距角為 。由以上的分析得出五相步進電動機的步距角為0.36°或者0.72°，跟上面所選的110BYG550X系列及130BYG5501型號的步進電動機參數(shù)相吻合。 4.4 主軸步進電機的控制 步進電動機是如何運行的及其運行特性是由與之配套使用的驅(qū)動器決定的。因為電機的標稱步距角不一定就是它在實際工作時的真正步距角，因為真正的步距角是與驅(qū)動器的設(shè)定有關(guān)的。通過上面的計算設(shè)計確定步進電動機的型號為110BYG550X系列及130BYG5501型號，五相十拍工作方式。驅(qū)動器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、功率放大器等組成，如圖4.2所示，驅(qū)動器它是將變頻信號源送進來的脈沖及方向信號按既定的通電勵磁方式自動循環(huán)供給給電動機的各相繞組，以驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 控制計算機 I/O接口板 步進電動機驅(qū)動器 步進電動機 圖4.2步進電動機控制圖 圖4.3為110BYG550X系列及130BYG5501型號的接線圖，1接A、2接A′、3接B、4接B′、5接C、6接C′、7接D、8接D′、9接E、10接E′，采用十芯插座。 圖4.3引腳接線圖 主軸的運動是得通過步進電動機帶動的，而步進電動機是依靠相應(yīng)配套使用的步進電機驅(qū)動器控制使其工作轉(zhuǎn)動。如圖4.4所示為五相十拍混合式步進電機，若實現(xiàn)步進電動機按控制運轉(zhuǎn)的話，就需要了解接線端子排、四位撥動開關(guān)的使用方法。 圖4.4 步進電動機驅(qū)動器的外形及SW撥動開關(guān) 圖中撥動開關(guān)SW是一個四位開關(guān)，通過該開關(guān)可以設(shè)置電動機的控制方式。 第一位：脈沖控制模式的選擇 撥向OFF端為單脈沖的控制方式，撥向ON端為雙脈沖的控制方式。在單脈沖控制方式下需要CP、CP′端子接入正、反轉(zhuǎn)運行脈沖信號，而DIR、DIR′端子是輸入正、反轉(zhuǎn)運行方向信號。雙脈沖控制方式下，CW、CW′端子是輸入正向運行脈沖信號，而CCW、CCW′端子是輸入反轉(zhuǎn)運行脈沖信號。 第二位：運行方向的選擇（僅處于單脈沖工作方式時有效） OFF位置是為標準設(shè)定，ON位置則是單方向運轉(zhuǎn)，與OFF狀態(tài)的轉(zhuǎn)向相反，其設(shè)定后不受正、反轉(zhuǎn)方向信號的影響。 第三位：整/半步運行模式選擇 撥向OFF位置時電動機是以半步細分的方式運行，撥向ON的位置時電動機是以整步的方式運行。 第四位：自動試機運行 撥向OFF位置時驅(qū)動器接受外部脈沖控制運行，撥向ON位置時自動試機運行，此時電動機以50r/min(半步控制)的速度自動運行，或者以100r/min（整步控制）的速度自動運行，自動試機運行時候不需要外部脈沖輸入。 在圖示步進電機驅(qū)動器的正面板上還有兩個LED指示燈，它們表示的意義為 RPW——該步進電機驅(qū)動器的工作電源指示燈，燈亮?xí)r表明驅(qū)動器通電。 CP ——在驅(qū)動器通電情況下，該指示燈當(dāng)電動機運行時發(fā)生閃爍，其閃爍的頻率就等于電氣循環(huán)原點信號的頻率。 接線端子的意義如下表4.1所示： 表4.1 接線端子的意義 端子名稱 名稱 意義 A、A′、B、B′、C、C′、D、D′、E、E′ 電動機接線端子 接到步進電動機A、A′、B、B′、C、C′、D、D′、E、E′ AC 電源進線 交流電源80V（1±15%）500HZ G 接地 接地 4.5 步進電動機的位置控制 步進電動機的位置控制系統(tǒng)可以是開環(huán)的結(jié)構(gòu)，也可以是閉環(huán)的結(jié)構(gòu)。但步進電動機位置控制系統(tǒng)一般出于經(jīng)濟成本的考慮會選擇采用開環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。步進電動機位置指令一般是一串連續(xù)的脈沖。步進電動機繞組是按照一定通電順序方式輪流工作的，故需控制每一脈沖使其按計劃分配到電動機的每相繞組進行通電勵磁。而這種分配的控制既可以用硬件的方式來實現(xiàn)也可以用軟件的程序來實現(xiàn)。 能以硬件邏輯電路方式實現(xiàn)脈沖分配的硬件稱為環(huán)行分配器。在計算機數(shù)字控制系統(tǒng)中也能通過采用軟件的方式實現(xiàn)和硬件一樣的效果，我們把這種脈沖分配方式稱作軟件環(huán)行分配。經(jīng)過環(huán)行分配器輸出的進給脈沖是弱電信號，功率很小，不能驅(qū)動步進電機繞組，以產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩帶動負載運動。所以，經(jīng)過環(huán)行分配器輸出的進給脈沖需要進行功率放大，達到一定的電流和電壓。因此，一個完整的步進電動機位置控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖4.5所示。 圖4.5 步進電機的位置控制系統(tǒng) 若想對步進電動機進行準確的位置控制，就首先要根據(jù)機械之間的傳動關(guān)系，計算出絲桿的位移量與步進電動機轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，進而得到絲桿的直線位移量和步進電動機的轉(zhuǎn)角之間的換算關(guān)系。從而根據(jù)轉(zhuǎn)過步距角的大小計算換算為步進電動機所應(yīng)轉(zhuǎn)過的步數(shù)，之后將該步數(shù)賦值給一設(shè)定的變量，當(dāng)電動機每轉(zhuǎn)過一步，計算機控制程序自動完成變量減一計算同時立刻判別是否為零，如不為零就繼續(xù)運動進給加工；若已經(jīng)為零就停止進給加工讓電動機停止運行。 4.6 步進電動機的驅(qū)動電源 由步進電動機的工作原理可知，對步進電動機的各相按照一定的順序通/斷電，可以獲得一定的角位移。步進電動機的每一相分別占用一個數(shù)控系統(tǒng)I/O端口，數(shù)控系統(tǒng)I/O端口輸出高或低電平就可以控制與之相聯(lián)的步進電動機相的通電或者是斷電。大部分步進電動機的控制都傾向采用硬件環(huán)形脈沖分配器，而環(huán)形脈沖分配器往往與功率放大電路集成在一起，構(gòu)成步進電動機驅(qū)動電源。步進電動機的運行特性性能除了與其自身的特點、負載有關(guān)之外，還與該電動機配套使用的驅(qū)動器有著密不可分的關(guān)系。 步進電動機的驅(qū)動器脈沖功率放大部分，其主要功能是對有軟件或是硬件環(huán)形脈沖分配各相所獲得的通電信號進行功率上的放大，讓這些信號的幅值放大變得足夠大，且功率足夠強前后沿較好，成為理想的繞組勵磁電流。常見主要有三種類型的驅(qū)動電源器：一是高低壓雙電源型，二是恒流斬波型及三是調(diào)頻調(diào)壓型。本畢業(yè)設(shè)計中與步進電機配合使用的是高低壓雙電源型驅(qū)動電源器，該電源器的工作方式是先通過高壓，用以確保電動機的繞組先有簡單的沖擊電流流過建立電流通道，之后再供以低壓電，以此確保繞組中的穩(wěn)態(tài)電流值大小等于額定值。該工作方式可以概括為高壓建流低壓定流。 4.7 步進電動機的正反轉(zhuǎn)運動控制 通過利用計算機的I/O接口控制板可以實現(xiàn)對步進電動機的控制。設(shè)以“1”（高電平）表示通電，以“0”（低電平）表示斷電，使用I/O接口板的一個輸出端口對步進電動機按照五相十拍進行控制。通電順序為AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB（……）時，電動機正轉(zhuǎn)。步進電機五相十拍軟件環(huán)形脈沖分配控制字表見下表4.2所示。 表4.2 步進電動機五相十拍軟件環(huán)形脈沖分配控制字表 控制節(jié)拍 A4 A3 A2 A1 A0 控制輸出內(nèi)容 方向 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 03H 07H 06H 0EH 0CH FDH F9H FAH F2H F4H 03H 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 5. 機床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 本次設(shè)計以ZK5132數(shù)控立式鉆床為對象，由主電路和控制電路組成，介紹了低壓電器元件、電氣控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)及接口、步進電機與伺服驅(qū)動等內(nèi)容。電氣控制部分由電源開關(guān)、主軸正反轉(zhuǎn)、冷卻泵、控制變壓器能耗制動電源、機床照明控制信號燈、能耗制動、零壓保護啟動、冷卻開關(guān)、數(shù)控系統(tǒng)的停止啟動與開門斷電等。 5.1 主電路電氣控制設(shè)計 圖001所示為ZK5132數(shù)控立鉆的380V主回路控制，QF1為主回路的總電源空氣開關(guān)，QF2 和QF3分別為主軸電機和冷卻泵電機的空氣開關(guān)，QF4為2L1單相電源控制空氣開關(guān)。KM2、KM3、KM4分別為控制主軸電機正轉(zhuǎn)、主軸電機反轉(zhuǎn)、冷卻電機交流接觸器。TC1為主控制變壓器，將交流380V電壓變?yōu)榻涣?20V，供給伺服電源模塊。FV為滅弧器裝置，當(dāng)相應(yīng)的電路斷開后，吸收伺服電源模塊、主軸變頻器、冷卻電機的振蕩電壓電流能量，避免電路過流或過壓損壞接觸器觸頭。XT為線路板塊。 5.1.1 主軸正轉(zhuǎn) 要實現(xiàn)主軸啟動正轉(zhuǎn)，有CNC自動啟動和手動啟動