数控立钻电气部分设计.docx

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数控立钻电气部分设计

编号：

　毕业设计（论文）说明书

题目：

数控立钻电气部分设计

学院：

国防生学院

专业：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

韦博文

学号：

1000110112

指导教师单位：

机电工程学院

姓名：

郭中玲

职称：

高级工程师

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2014年5月2日

摘要

数控机床是来自于数字控制机床的简称，这是一种装有可编程程序控制系统的自动化机床。

该可编程程序控制系统能够逻辑处理数字控制编码或其他规定的指令程序，并将其译码成执行元器件的动作信号从而驱动机床动作以加工零件。

数控机床的控制电路是由各种不同的控制电气元器件组成，进给伺服系统的控制性能在一定程度上决定了数控机床的等级。

本次设计任务是以ZK5132数控立钻电气控制系统设计为中心，全面、系统地介绍了低压电器、电气控制系统、数控系统及接口、步进与伺服驱动器等内容，利用数控机床以机械与电气相结合的形势，完成相关电气控制线路排布以及各种保护控制线路的设计。

为使步进电动机的控制精度能达到所要求的步距角（

）精度，于是在该机床选配所用驱动电机时要考虑到该电机的过载能力和机床传动系统中丝杠与电机转子的惯量是否匹配以及所提供转矩是否足够，在该设计中的进给驱动系统选用混合式五相十拍步进电动机进行驱动控制。

由于开环控制系统简单，精度要求不高，可靠性和稳定性相对于经济型数控机床好，故采用五相十拍的步进电动机进给驱动，同时也能因其相数大而达到明显的振动抑制效果。

随着设计的不断深入而不断熟悉了各种系统的适用条件，各种设备的选用标准及作用，各种电气线路的保护设计，驱动进给系统的控制等。

通过掌握电气控制系统线路设计的原理、电气元器件在线路中的作用，进给驱动系统的设计，完成对电动机的精度控制。

这次的电气控制部分设计也满足一些企业对机床电气高可靠高稳定性、电气使用寿命长等要求，具有进一步研发的潜力。

关键词：

ZK5132；数控系统；机电结合；步进电动机

Abstract

CNCmachineisreferredtoDigitalcontrolmachinetool,isamachineequippedwiththeautomatedprocesscontrolsystem.Thecontrolsystemcanhaveacontrollogictoprocesstheinstructioncodesorothersymbolsrequired,decodedandprocessedsothatmakingmachineactionandmachiningparts.CNCmachinecontrolcircuitiscontrolledbyavarietyofelectricalcomponentswhoseperformanceservofeedcontrolsystemtosomeextentdeterminesthelevelofCNCmachinetools.ThedesigntaskisdesigningZK5132CNCVerticalDrillingelectricalcontrolsystem,thereisacomprehensiveandsystematicintroductiontothelow-voltageelectricalappliances,electricalcontrolsystems,numericalcontrolsystemsandinterfaces,stepperandservodrives,etc.BycombiningCNCmachinetoolswithelectricalmachinery,finishthecompletionofrelatedelectricalcontrolcircuitandvariousprotectioncontroldesign.

Tocontrolthesteppingmotorsteptoachievetherequiredangle（α=0.36°）thecontrolprecision,themachinemotorisoptionaltoconsiderthemotoroverload,overloadconditions,themachinescrewandthemotordrivesystemrotorinertiamatching.Thisdesign’sfeedservodrivesystemusedFive-phase-ten-pathybridsteppingmotorcontrol.Becausetheopen-loopcontrolsystemissimple,lessprecision,reliabilityandstabilitywithrespecttothegoodeconomictypeCNCmachinetools,sousingFive-phase-ten-pathybridsteppingmotordrive,vibrationsuppressioneffectisobviousbecauseofthelargenumberofphases.

Withthedeepeningofthedesign,weknowmoreabouttheapplicableconditionsofvarioussystems,selectingcriteriaandeffectsofvariousdevices,variouselectricalcircuitprotectiondesigningandfeedingdrivecontrolsystemandsoon.Bymasteringtheprinciplesofelectricalcontrolsystemcircuitdesign，theroleoftheelectricalcomponentsinthecircuitandfeedingdrivesystemdesigningsowecanwellcompletedthemotoraccuracycontrol.Myelectricalcontrolpartofthedesignbutalsotomeetthehighreliability,highstability,longlifeandotherelectricalrequirementsforsomecompany,thusitworthwellpotentialforfurtherdevelopment.

Keywords:

ZK5132;CNCsystem;Electricalcomponents;Steppingmotor

目录

引言1

1.数控机床常用电气控制元件3

1.1低压断路器3

1.2接触器3

1.3继电器、变压器及其他电器4

2.数控系统5

2.1数控钻床系统的组成5

2.1.1操作面板6

2.1.2输入/输出装置6

2.1.3CNC装置6

2.1.4伺服单元7

2.1.5驱动装置7

2.1.6机床本体7

2.2数控机床驱动控制的分类以及选择7

2.2.1开环控制8

2.2.2闭环与半闭环控制8

2.2.3数控系统类型8

2.3数控钻床用途及特点9

2.4数控钻床的相关技术参数9

2.5数控机床对于进给驱动系统的相关要求10

3.传动系统相关计算10

3.1传动系统对驱动电机的相关要求11

3.1.1X、Y水平直线运动轴11

3.1.2Z垂直直线运动轴12

3.2步进电动机速度的控制13

4.步进电动机驱动进给系统13

4.1步进电动机的选用原则以及性能指标13

4.1.1选用原则13

4.1.2步进电动机性能指标14

4.2步进电动机的选择14

4.3步进电动机的工作原理15

4.4主轴步进电机的控制16

4.5步进电动机的位置控制18

4.6步进电动机的驱动电源19

4.7步进电动机的正反转运动控制19

5.机床的电气控制系统设计20

5.1主电路电气控制设计20

5.1.1主轴正转20

5.1.2主轴反转21

5.1.3主轴停转21

5.1.4冷却泵21

5.2电路电源分析21

5.3控制电路设计22

5.3.1电机制动方式22

5.3.2零压保护启动22

5.4数控系统中的启动与停止23

5.5输入/输出及各轴限位23

5.6光轴输出接口23

5.7M功能输出23

5.8X、Y、Z轴的驱动控制信号接口24

6.ZK5132数控立钻机床电气控制原理设计25

7.ZK5132数控立钻机床电气外观设计28

结论29

谢辞30

参考文献31

引言

随着科学技术日益发展、制造技术的突飞猛进和人类生活水平提高物质要求增加，以及社会对产品质量和品种的多样化要求趋势不断增强，中小批量生产的比例明显增加，由此要求数控机床更高的的柔性和通用性。

人们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户的控制系统，同时期待在维护和培训成本上有大幅降低。

若该系统具备网络功能能够适应以后车间面向任务定单的批量或零碎生产管理模式将更能俘获用户的青睐。

在此大背景下，计算机数字技术在近十年来以极快的速度高歌猛进，不断酝酿产生多种不同层次的开放式数控系统。

数控系统行业现阶段正向标准化开放体系结构的大方向迈进。

单就体系结构来说，现世全球的数控系统大致可以分为以下四类：

传统数控系统、“PC嵌入NC”结构数控系统、“NC嵌入PC”结构开放式数控系统、开放式数控系统。

特别是进入21世纪之初，拌随着全球大环境计算机技术的迅猛发展，计算机控制等领域的技术成就陆续引进到数控技术的开发中去。

现阶段高速高精度、高效率高自动化、高柔性、高可靠性、高智能化复合化网络化、开放式体系结构是国外数控机床性能的发展方向，这要求更高的数控机床机械结构设计和制造的质量及可靠性。

机床工业是一个国家综合实力的重要标志和产业地位的重要象征。

“十一五”期间，我国机床工具行业平均以百分之三十的高增长率快速发展，已连续10年成为世界第一机床消费大国，并成为世界机床第一生产大国。

而“十二五”期间，我国进一步加速对高速铁路的建设、日益加快的城镇化进程都为机械行业带来最直接最大化的收益。

当前我国的机床数控系统正处在一个发展的关键时期，正寻求由研究开发向推广应用转变，也正是从封闭型的系统向开放型的系统寻求转变的时期。

我国的机床数控系统在重大关键技术、核心技术上日趋成熟，开发及衍生出数控系统八十余种，已赶上国外先进水平。

近几年以来，借由对国内外机床数控机床从机械结构解剖分析到使用性能用户需求的调研，思考钻研了机床数控机床在机械结构设计方面和制造方法方面的新技术。

但现时还主要存在以下几个问题函待解决：

一是缺乏产业规模，没有足够规模的产业集群；二是缺乏专门针对发展数控产业的政策和相应的技术配套体系；三是缺乏技术创新，产品更新；四是缺乏产业调整的内在动力；五是面临国外强手竞争，扩展海外市场压力巨大。

其中数控钻床作为科学技术发展的象征以及世界先进制造技术兴起和不断成熟的标志，它是在数控加工中心领域的典型机床，最具代表性且占据数控机床中的绝大比率，现代数控加工中心及柔性制造单元等都是在数控铣床的基础上派生发展起来的。

功能性强、加工范围广、工艺较复杂等都是数控铣床的特点，各种复杂平面、轮廓及曲面等零件的铣削加工都需依靠铣床来完成，又因为它可以进行钻通孔、盲孔，并在更换特殊刀具后可扩孔、锪孔、铰孔或进行攻丝等使得其在机械加工领域和模具制造业中应用广泛可谓是必不可少的基础机床。

本次所选的毕业设计的课题主要是对现有的数控机械产品中的数控立式钻床进行结构总图的绘制，还有经济型机床本身的各部分组成，在达到加工要求的情况下进行合理的选择设计，再结合对实际生产加工中数控立式钻床的电气控制原理的了解，设计并绘制数控立式钻床它的电气控制原理图，包括各种保护电路的设计控制。

目前CNC机床的普及以及快速的发展势头，要求我对CNC系统进行基本的了解，并掌握编程的主要思路和方法。

本课题毕业设计是以ZK5132型数控立式钻床为主要对象对其电气控制系统进行了设计，熟悉了解电气控制原理、低压电器使用、机床电气控制系统排布、数控系统及接口功能、变频器使用、步进与伺服驱动的选用等内容。

数控立钻在加工工件的过程中，主轴的运动和进给轴的运动怎么结合，如何选择步进电动机对应的相应的步距角，以及对于各个电动机的类型及控制方法的选择都是本次设计的研究对象。

设计时，应与其内容及任务相符，并使步进电动机的精度控制为0.36°，完成ZK5132型数控立式钻床电气控制系统原理图和各种保护电路元器件的绘制及总装原理图设计。

1.数控机床常用电气控制元件

各种不同功用的电气控制元器件按设计排布便组成了数控机床的控制电路，要想做到设计更优的数控机床控制电路，就首先要了解熟悉各种功用的各式样电气控制元器件，而本设计是在ZK5132型数控立式钻床为基础的前提下进行的。

1.1低压断路器

低压断路器又称自动空气开关，它将控制和保护两种功能合而为一体，常用来做不频繁接通和断开的电路的总电源开关或是部分电路的电源开关。

当低压断路器所在的电路发生过载、短路或欠压等故障时它能自动工作瞬间把电路切断，从而有效保护串连在它后面的其他电气原件或设备。

同时由于低压断路器的设计特点，在分断故障电路的电流后通常是不需要更换该断路器零部件的。

本设计中的QF1、QF2、QF3等，图形及文字符号如图1.1所示。

图1.1低压断路器图形及文字符号

本毕业设计中用到了两种断路器，分别为单极断路器和三级断路器，它们被用于照明配电系统回路和控制回路，交流电线路及单极和二极至四极线路的过载及短路保护。

1.2接触器

接触器是一种带有负载的终端控制电器被设计用于需要频繁接通或者分断的电路中。

通常接触器是由四部分构成，分别有电磁机构、触点系统、灭弧装置及其它部件。

当线圈得到电后，铁芯所产生的电磁吸力将吸合衔铁，衔铁则带动触点系统动作使常闭触点断开同时常开触点闭合。

当线圈失去电流断电时，它的电磁吸力便会消失，在反作用弹簧力的作用下释放衔铁，以致触点系统随后复位。

目前接触器可分为直流和交流仅两种，而机床上常用的是交流接触器。

其图形及文字符号如图1.2所示：

图1.2接触器电气图形及文字符号

1.3继电器、变压器及其他电器

继电器是一种可以根据输入信号的变化动作从而接通或是断开控制电路的电器件。

出入继电器的信号一方面可以是电流或电压等电量信号，另一方面也可以是温度、速度或压力等非电量信号。

继电器的输出信号则是为响应触点的动作。

继电器可以按输入信号的性质来分类：

可分为电压继电器、电流继电器或时间继电器等，若按原理分类又可分为：

电磁式继电器或热继电器（图1.4a所示）等。

继电器图形及文字符号表示见下图1.3所示。

图1.3继电器图形及文字符号

继电器和接触器工作原理是一样的但也有不同之处：

继电器主要用于二次回路的作用是信号检测、传递、变换或处理用的，它通断的电路电流通常较小（几A到十几A），一般用在控制电路里，控制弱信号。

接触器主要是用于一次回路的，可以通过较大的电流（可达几百到一千多A），常用来接通或断开主电路的。

在继电器的触点容量满足不了要求时，也可以用接触器代替。

当接触器的辅助触点不够用时可加一继电器作辅助触点来实现各种控制。

变压器是一种静止电器它能将任一数值的交流电压变换成频率相同但数值大小却不相同的交流电压。

机床控制变压器它适用于输入电压不超过交流660伏而频率为50Hz~60Hz之间的电路，以此常作为机床中一般电器的控制电源、步进电机驱动器电源、局部照明电源还有指示灯电源等。

其图形文字符号如图1.4b）所示。

在机床电气控制电路中还有其他的控制电器元件，如熔断器就是一种最简单而且有效的保护电器正被业界广泛应用。

熔断器在使用时被串联接在所需要保护的电路中，一旦电路发生短路或是严重过载时，熔断器的熔断体就会自动地迅速熔断，从而达到切断电路使导线和电气设备不致损坏的效果。

行程开关用于对机械的电气安全控制，机床导轨两端，通常串联电路中，也称限位开关。

按钮被用于电气电路控制的接通或是断开。

行程开关又称限位开关，当工件在工作台上运行超过行程，会损坏工作台及整个进给系统，这时限位开关就起到了保护作用，当运行过程碰到限位开关时，使得电路断开，停止工作。

它们的图形及文字符号如图1.4所示。

图1.4其他电气图形及文字符号

2.数控系统

数字控制系统简称为数控系统，它是一种能够按照预先编程好的零件加工程序指令进行作业控制，从未使机床完成既定工作运动加工出零件的控制系统。

它的工作原理是根据计算机存储器中已存储的控制程序，选择执行部分或是全部指令功能。

该数字控制专用计算机系统配有接口电路和伺服驱动装置，可通过执行数字、文字或是符号相组成的指令来控制若干机械设备动作，控制范围包括位置、角度、速度等机械量和开关量。

2.1数控钻床系统的组成

数控机床它是采用数字控制技术来实现对机床加工作业过程自动控制的一种现代化机床，是数控技术应用的典型例子。

本设计以ZK5132型数控立式钻床为例，数字控制的实现得依靠数控系统，而计算机数控系统又是以计算机为最核心的数控系统。

数控立式钻床系统组成可见下图2.1。

图2.1数控立式钻床系统组成框图

数控立式钻床系统通常有以下若干部分组成：

操作面板、输入/输出装置、PLC控制面板、机床主体、计算机数控装置、机床IO电路、进给驱动装置、伺服单元及传动运动机构等。

2.1.1操作面板

操作人员和数控机床系统进行信息交流及作业操作全部依赖操作面板，操作面板由按钮站、状态灯、按键阵列及显示器共同组成。

而一般常见的是集成式操作面板，其上可分为显示区、键盘区和机床控制面板区三大区域。

显示区里有显示器，是用于显示菜单选项、系统作业状态、故障报警信息以及加工轨迹图形的仿真演示。

键盘区的键盘是用于编制所需加工零件的切削程序、输入控制量参数、手动输入数据及管理操作系统。

而主板芯片则是用于实现机床动作或加工过程的直接控制。

2.1.2输入/输出装置

输入装置它的作用方法则是将存储在载体上的数控代码读取出来，然后转换成为相应的数字控制信号后，传输到数控装置里面。

输出装置它的作用则是先读取加工过程中的一些信息，然后再显示信息，这些信息包括有坐标值或报警信号等。

输入/输出接口电路是微芯片处理器与外界控制变量联系的通路，它通过物理连接手段能够实现完成数据格式和信息形式的互相转换。

在CNC系统中若按功能分类可将I/O接口分为两类：

其中一类接口是用于连接常规的输入输出设备，从而实现程序的输入输出及人机界面的交互，这一类被称之为通用I/O接口；另一类接口是用于连接专用的控制检测装置，从而实现控制与检测机床的位置和工作状态的目的，这一类是CNC数控装置专用的接口其被称之为机床控制I/O接口。

2.1.3CNC装置

计算机数控系统的最根本核心便是CNC装置，它能够根据被输入其中的加工程序按照运动轨迹进行处理和完成输入机床的信号的处理，最后向各部分输出信号命令以控制相应的执行部件完成既定动作。

可用可编程控制器控制数控机床完成诸如刀具的选择和更换、切削液的启停等辅助动作。

在现阶段的现代化程度高的数控系统中，通常都会配置有PLC附加电路板，这样的结构形式有利于免去CNC与PLC间的连线从而使结构紧凑可靠且方便操作，在技术上和经济上都是双赢的。

2.1.4伺服单元

伺服单元是包括了主轴伺服和进给伺服，两者分别用来控制主轴电动机和进给电动机按照程序设定的进给速度进给，使刀具和工件之间产生相对运动以进行加工作业。

数控装置与机床本体的联系是依靠伺服单元来达成实现的，如伺服单元先将接收来自于CNC装置的进给指令信号，然后将该指令放大成足够控制驱动装置的大功率信号后传送给机床本体运动机构。

伺服单元自身还拥有过电压电流、欠压、过热保护等故障检测电路，并且为了更好的保护元器件，实现软启动减小启动冲击，故其还在主回路电路中加入了软启动电路排布。

功率驱动单元的作用是让输入的三相电或者市电通过三相全桥整流电路进行整流从而得到相应的直流电。

为了驱动三相永磁同步交流伺服电机，三相电或市电在经过整流后，还要再通过三相正弦PWM电压型逆变器，实现变频才能符合电机的供电要求。

可以用AC-DC-AC的表示来说明功率驱动单元的整个工作过程。

三相全桥不控整流电路是其整流单元（AC-DC）的主要的拓扑电路。

2.1.5驱动装置

伺服单元和驱动单元一样都是数控装置与机床传动部件之间的联系环节，驱动单元装置把伺服单元输出的控制信号转变成执行部件的运动，诸如过几轴联动带动工作台和刀具通加工出既定形状尺寸和合乎精度要求的零件。

2.1.6机床本体

数控钻床计算机部分之外的机床本体便是数控钻床的机械部分，主运动部件、进给运动执行部件、支承部件（底座、支柱等）和冷却、润滑、转位还有夹紧之类的辅助装置共同构成了这样的一个机械部分。

电动机的要将扭矩或功率传递给主轴部件便要依靠机床上的主传动系统，主传动系统和主轴部件通常都被设计成一个主轴箱以使安装在主轴内的工件或刀具可以实现主切削运动。

2.2数控机床驱动控制的分类以及选择

机床的数控系统按所能控制的运动轨迹可以分为三种类型，如点位控制数控系统、直线切削数控系统和连续切削数控系统。

点位控制不管所走的轨迹如何，且运动过程中不进行任何加工，而只控制机床移动部件的终点位置。

直线切削控制用于台阶轴加工，只沿45°斜线进行加工，控制两个坐标轴以同样的速度运行。

加工轮廓、曲线或曲面通常需要使用机床的连续加工功能。

因为本课题是以数控钻床为设计对象，所以在本设计中应选用点位控制系统。

开环数控系统、半闭环数控系统，以及全闭环数控系统是进给伺服系统的三种类型。

2.2.1开环控制

在开环控制中的驱动电机多是采用功率步进电动机，当驱动单元接收一个输入脉冲后，步进电动机就相应地转过一个步距角，通过电机与机床之间传动部件的传动，使工作台相应地产生一个位移量，这样的一个位移量被称为一个脉冲当量或一个最小设定单位。

开环系统驱动控制线路接受来自数控机床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换，成为控制步进电动机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电动机运转。

步进电动机的转子是与机床丝杆通过联轴器联接在一起的，转子带动丝杆，丝杆转动从而使工作台产生移动。

开环控制系统是没有设置位置反馈元器件的，故不用位置检测元件定位。

图2.2为步进电动机的开环控制系统图：

图2.2步进电动机的开环控制系统

2.2.2闭环与半闭环控制

在控制方式上来说，半闭环控制系统与闭环控制系统相似但也存在区别，主要