機械設計畢業(yè)設計---數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計說明書</b></p><p>　　數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設計</p><p>　　學生姓名： 學號： </p><p>　　學 院： </p><p>　　專 業(yè)：

2、 </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　2011年 6月</b></p><p>　　數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　摘要</b></p>

3、<p>　　數(shù)控技術在機械制造業(yè)中得到廣泛的應用，它有效地解決了復雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應各種機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的需要，使企業(yè)快速響應市場需求的能力大大加強，其經(jīng)濟效益顯著。</p><p>　　該設計首先對數(shù)控技術的國內外發(fā)展狀況和數(shù)控技術的發(fā)展趨勢進行描述。接著對數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)進行了深入探討，主要了解了數(shù)控銑床的整體布局、組成，及個部分的工作原理，確定數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設計中

4、的控制對象和被控對象。得出總體方案。</p><p>　　然后選擇數(shù)控系統(tǒng)的的核心數(shù)控裝置，經(jīng)過比較選擇華中數(shù)控系統(tǒng)為其控制系統(tǒng)，接下來分塊設計其每一部分。主軸在一定范圍內要實現(xiàn)無級變速和正反轉功能，所以我們根據(jù)主軸電動機型號選擇主軸變頻器。數(shù)控銑床工作臺要能在X、Y、Z三軸方向前后、左右、上下移動，所以要用伺服驅動器來控制伺服電機的運動，從而帶動工作臺的運動。接下來設計控制系統(tǒng)的主電路，主電路中要涉及空氣開關、

5、接觸器、滅弧器、照明電路、伺服變壓器、控制變壓器的選擇。最后設計數(shù)控銑床的一些輔助裝置，包括數(shù)控銑床的手持單元、照明電路、風扇電路、光柵尺的連接。</p><p>　　關鍵字：數(shù)控銑床，控制系統(tǒng)，數(shù)控技術，數(shù)控系統(tǒng)</p><p>　　CNC milling machine control system design</p><p>　　Abstract <

6、/p><p>　　CNC technology in the machinery manufacturing industry has been widely applied, it effectively solve the complex, sophisticated, small groups of diverse parts processing problems, to adapt to the rapid

7、 replacement of various mechanical products need to enable enterprises the ability to respond quickly to market demand Greatly strengthened its economic benefits.</p><p>　　First, the design development of nu

8、merical control technology at home and abroad and the development trend of CNC technology is described. Then, the control system for CNC milling machine-depth discussions carried out, mainly to understand the overall lay

9、out of the CNC milling machine, composition, and a part of the working principle of CNC milling machine control system to determine the design of the control object and control object. Come to the overall program.</p&

10、gt;<p>　　Then select the core NC NC system devices, by comparison to its selection of Huazhong CNC control system, the next block design each of its parts. Spindle in a certain range, and reversing function to ach

11、ieve continuously variable, so we choose models based on the spindle drive spindle motor. CNC milling machine table to be able to in the X, Y, Z axis direction before and after, left, up and down, so use the servo drive

12、to control the movement of the servo motor to drive the movement of table. T</p><p>　　Keywords: CNC milling machines, control systems, CNC technology, CNC</p><p><b>　　朗讀</b></p>

13、;<p>　　顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目的和意義1</p><p>　　1.2 機床數(shù)控技術的概況1</p><p>

14、;　　1.3 國內數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.4 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.4.1 性能發(fā)展方向2</p><p>　　1.4.2 功能發(fā)展方向3</p><p>　　1.4.3 體系結構的發(fā)展4</p><p>　　2 控制系統(tǒng)方案設計6</p>

15、;<p>　　2.1 數(shù)控銑床的組成6</p><p>　　2.2 數(shù)控銑床工作原理6</p><p>　　2.3 設計方案：7</p><p>　　2.3.1 控制系統(tǒng)的選擇7</p><p>　　2.3.2 主軸變頻單元8</p><p>　　2.3.3 伺服驅動單元8<

16、/p><p>　　2.3.4 輸入與輸出裝置9</p><p>　　2.3.5 輔助裝置9</p><p>　　2.4 總體框圖9</p><p>　　3 硬件設計10</p><p>　　3.1 數(shù)控裝置的選擇10</p><p>　　3.2 主軸單元12</p>

17、;<p>　　3.2.1 主軸電機的選擇12</p><p>　　3.2.2 風機的選擇13</p><p>　　3.2.3 變頻的選擇13</p><p>　　3.2.4 主軸控制接口16</p><p>　　3.2.5變頻器的連接16</p><p>　　3.3 伺服驅動單元17

18、</p><p>　　3.3.1 伺服電機的選擇18</p><p>　　3.3.2 伺服驅動器的選擇19</p><p>　　3.3.3 伺服單元電源模塊24</p><p>　　3.3.4 串行進給驅動接口25</p><p>　　3.3.5 伺服驅動單元總體連接圖26</p>&

19、lt;p>　　3.4 主控電路的設計28</p><p>　　3.5 輸入輸出開關量30</p><p>　　3.6 輔助裝置37</p><p>　　3.6.1 手持單元37</p><p>　　3.6.2 光柵尺的連接40</p><p>　　3.6.3 急停與超程解除的設計43<

20、;/p><p>　　3.6.4 其它輔助轉裝置45</p><p><b>　　四 總結46</b></p><p><b>　　附 錄147</b></p><p>　　參 考 文 獻48</p><p><b>　　致 謝50</b><

21、;/p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目的和意義</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)在機床控制上應用越來越廣泛。本課題的主要目的在于學習并掌握數(shù)控系統(tǒng)的原理及使用方法。本題目要求在數(shù)控銑床機械系統(tǒng)結構與工作原理的基礎上，使用數(shù)控系統(tǒng)完成其控制功能，使設計的數(shù)控銑床能完成基本的加工。主要內容包括：數(shù)控系統(tǒng)

22、的選擇、伺服驅動的連接、主軸電機的控制和輔助裝的設計等。</p><p>　　1.2 機床數(shù)控技術的概況</p><p>　　機床數(shù)控技術是20世紀70年代發(fā)展起來的一種機床自動控制技術。30多年來，隨著電子器件、計算機、傳感與檢測、機械制造技術的不斷進步，以電子信息技術為基礎，傳統(tǒng)的機械制造技術、計算機技術、成組技術與現(xiàn)代控制技術，傳感測控技術、信息處理技術、網(wǎng)絡通訊技術、液壓氣動技術

23、、光機電技術于一體的數(shù)控技術得到迅猛發(fā)展和廣泛應用。使得普通機械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控設備所替代，從而形成了巨大的生產(chǎn)力，導致了制造業(yè)發(fā)生了根本性變化。數(shù)控技術已成為現(xiàn)代制造技術的基礎，其水平高低和數(shù)控機床擁有量多少是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。數(shù)控技術在機械制造業(yè)中得到廣泛的應用，是因為它有效地解決了復雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應各種機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的需要，使企業(yè)快速響應市場需求的能力大大加強，其經(jīng)濟效益顯著

24、[1]。</p><p>　　1.3 國內數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　我國數(shù)控技術起步于20世紀50年代末期，經(jīng)歷了初期的封閉式開發(fā)階段，“六五”、“七五”期間的消化吸收、引進技術階段，“八五”期間建立國產(chǎn)化體系階段，“九五”期間產(chǎn)業(yè)化段，現(xiàn)已基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術，建立了數(shù)控開發(fā)、生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控專業(yè)人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。目前，較具規(guī)模的企業(yè)有廣州數(shù)控設備

25、有限公司、北京凱恩帝數(shù)控技術有限責任公司等。廣州數(shù)控設備有限公司研制了基于Linux和PC104總線的車床數(shù)控系統(tǒng)GSK980Ti，具有邏輯運算、數(shù)學運算的用戶宏功能、完成小線段NC代碼的高精度刀具路徑規(guī)劃的改進刀補機能、小線段高速加工控制技術等；研制了以16位CPU進行軟件插補、加減速運算，以大規(guī)?？删幊唐骷‵PGA、CPLD）進行硬件插補、速度平滑處理相結合的控制器結構，開發(fā)了嵌入式中檔車床數(shù)控系統(tǒng)GSK928TE和GSK980T

26、A。北京凱恩帝數(shù)控技術有限責任公司的新一代數(shù)控系統(tǒng)K1000系列采用32位處理器ARM7和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA實現(xiàn)高速、高精度控制；采用日本高分辨率液晶顯示器，全中文操作界面；兼容K100系列功能，且與日本FANUC系統(tǒng)兼容。目前國內數(shù)控廠家生產(chǎn)的</p><p>　　1.4 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢</p><p>　　1.4.1 性能發(fā)展方向</p><p>

27、　　(1)高速高精高效化、速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。</p><p>　　(2)柔性化　包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群

28、控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。</p><p>　　(3)工藝復合性和多軸化　以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。數(shù)控技術軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達24軸。</p>

29、;<p>　　(4)實時智能化　早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調度任務，以確保任務在規(guī)定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W技術發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結合，人工智能正向著具有實時響應的、更現(xiàn)實的領域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領域。在數(shù)控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適

30、應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應調節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的[2]。</p><p>　　1.4.2 功能發(fā)展方向</p>&l

31、t;p>　　(1)用戶界面圖形化　用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前INTERNET、虛擬現(xiàn)實、科學計算可視化及多媒體等技術也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的

32、視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)。</p><p>　　(2)科學計算可視化　科學計算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息?？梢暬夹g與虛擬環(huán)境技術相結合，進一步拓寬了應用領域，如無圖紙設計、虛擬樣機技術等，這對縮短產(chǎn)品設計周期、提高產(chǎn)品質量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術領域，可視化技術可用于CAD/CAM，如自動編程設計、參數(shù)

33、自動設定、刀具補償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等[3]。</p><p>　　(3)插補和補償方式多樣化　多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補償、與速度相

34、關的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償?shù)取?lt;/p><p>　　(4)內裝高性能PLC　數(shù)控系統(tǒng)內裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標準PLC用戶程序實例，用戶可在標準PLC用戶程序基礎上進行編輯修改，從而方便地建立自己的應用程序。</p><p>　　(5)多媒體技術應用　多媒

35、體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術領域，應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應用價值。</p><p>　　1.4.3 體系結構的發(fā)展</p><p>　　(1)集成化　采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐稦PGA、EP

36、LD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運行速度。應用FPD平板顯示技術，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點，可實現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術，是21世紀顯示技術的主流。應用先進封裝和互連技術，將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價格，改進性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。</p&g

37、t;<p>　　(2)模塊化　硬件模塊化易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標準化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　(3)網(wǎng)絡化　機床聯(lián)網(wǎng)可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設定、操作、運行，不同

38、機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。</p><p>　　(4)通用型開放式閉環(huán)控制模式　采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結構，便于裁剪、擴展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種

39、變化因素，因此，要實現(xiàn)加工過程的多目標優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實時加工過程中動態(tài)調整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計算機實時智能技術、網(wǎng)絡技術、多媒體技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術融于一體，構成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡化。</p><p>　　2 控制系統(tǒng)方案設計<

40、/p><p>　　2.1 數(shù)控銑床的組成</p><p>　　數(shù)控銑床的基本組成見圖2.1.1，它由床身、立柱、主軸箱、工作臺、滑鞍、滾珠絲杠、伺服電機、伺服裝置、數(shù)控系統(tǒng)等組成。</p><p>　　床身用于支撐和連接機床各部件。主軸箱用于安裝主軸。主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。當主軸箱內的主軸電機驅動主軸旋轉時，銑刀能夠切削工件。主軸箱還可沿立柱上的導軌在Z 向移動

41、，使刀具上升或下降。工作臺用于安裝工件或夾具。工作臺可沿滑鞍上的導軌在X 向移動，滑鞍可沿床身上的導軌在Y 向移動，從而實現(xiàn)工件在X和Y 向的移動。無論是X、Y 向，還是Z 向的移動都是靠伺服電機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)的。伺服裝置用于驅動伺服電機，使X、Y、Z三軸能沿滑鞍上的導軌移動?？刂破饔糜谳斎肓慵庸こ绦蚝涂刂茩C床工作狀態(tài)?？刂齐娫从糜谙蛩欧b置和控制器供電[4]。</p><p>　　圖2.1.1 數(shù)控銑床的

42、組成</p><p>　　2.2 數(shù)控銑床工作原理</p><p>　　根據(jù)零件形狀、尺寸、精度和表面粗糙度等技術要求制定加工工藝，選擇加工參數(shù)。通過手工編程或利用CAM 軟件自動編程，將編好的加工程序輸入到控制器?？刂破鲗庸こ绦蛱幚砗螅蛩欧b置傳送指令。伺服裝置向伺服電機發(fā)出控制信號。主軸電機使刀具旋轉，X、Y 和軸伺服電機控制刀具和工件按一定的軌跡相對運動，從而實現(xiàn)工件的切削。

43、能夠完成基本的銑削、鏜削、鉆削、攻螺紋及自動工作循環(huán)等工作，可加工各種形狀復雜的凸輪、樣板及模具零件等。數(shù)控銑床的床身固定在底座上，用于安裝和支承機床各部件，控制臺上有彩色液晶顯示器、機床操作按鈕和各種開關及指示燈?？v向工作臺、橫向溜板安裝在升降臺上，通過縱向進給伺服電機、橫向進給伺服電機和垂直升降進給伺服電機的驅動，完成X、Y、Z坐標的進給。電器柜安裝在床身立柱的后面，其中裝有電器控制部分。</p><p>　

44、　2.3 設計方案：</p><p>　　2.3.1 控制系統(tǒng)的選擇</p><p>　　目前的控制系統(tǒng)有基于PLC的控制系統(tǒng)，基于單片機的控制系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)等控制系統(tǒng)。</p><p>　　基于PLC的控制系統(tǒng)的優(yōu)點：（1）實時性強，由于控制器產(chǎn)品設計和開發(fā)是基于控制為前提，信號處理時間短，速度快?；谛盘柼幚砗统绦蜻\行的速度，PLC經(jīng)常用于處理工業(yè)控制裝置的

45、安全連鎖保護。更能滿足各大領域大、中、小型工業(yè)控制項目。（2）高可靠性，所有的I/O輸入輸出信號均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與控制器內部電路之間電氣上隔離。各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10-20ms。各模塊均采用屏蔽措施，以防止噪聲干擾。采用性能優(yōu)良的開關電源。對采用的元器件進行嚴格的篩選。良好的自診斷功能，一旦電源或其它軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，以防止故障擴大。（3）系統(tǒng)配置簡單靈活，控制

46、器產(chǎn)品種類繁多，規(guī)?？煞譃榇蟆⒅?、小等。滿足控制控制功能需要的前提下，I/O卡件可靈活組合。（4）有豐富的I/O卡件。（5）質優(yōu)價廉，性價比高。（6）安裝簡單，維修方便[5]。</p><p>　　基于單片機控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點：運用單片機控制方案，單片機雖然有一個五臟俱全的微計算機，但由于本身無自開發(fā)能力，必須借助開發(fā)工具來開發(fā)應用軟件，以及對硬件系統(tǒng)進行診斷。另外，單片機內的ROM比較小，所以在設計中系統(tǒng)必須在外

47、面配置EPROM電路和擴展電路，所以在銑床控制系統(tǒng)中運用該方案必須完成(1)硬件電路的設計、組裝、調試；（2）應用軟件的編制、調試；(3)應用軟件的鏈接調試、固化、脫機運行。依據(jù)單片機目前的發(fā)展狀況，該方案的優(yōu)點是：(1)成本較低。由于現(xiàn)在單片機的價格相對都比較低，而且外圍電路的元器件價格也不高，所以整體設計起來，成本比較低。(2)可以對外部存儲容量根據(jù)需要進行擴展，設計可以相對比較靈活。(3)由于現(xiàn)存有許多已經(jīng)設計很完善的子程序，在系

48、統(tǒng)軟件設計中可以直接調用，減少較大工作量。其缺點為：(1)系統(tǒng)硬件設計相對比較復雜，運用該方案，該系統(tǒng)硬件設計包含擴展電路部分和系統(tǒng)配置電路部分，所以該系統(tǒng)電路設計工作量相對較大，影響系統(tǒng)開發(fā)的時間。(2)系統(tǒng)的抗干擾能力相對較差，在系統(tǒng)設計中，雖然注意了芯片、器件選擇、去耦濾波、電路板的布線，通道隔離以及屏蔽。但由于工廠的條件比較差，很難</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，計算機數(shù)控系統(tǒng)是用計算

49、機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入裝置、輸出裝置、計算機數(shù)控裝置、可編程邏輯控制器、主驅動裝置和進給（伺服）驅動裝置（包括檢測裝置）等組成。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。由于使用了計算機，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，

50、易于實現(xiàn)復雜的數(shù)控功能，使用維護也方便，并具有與上位機連接及進行遠程通訊的功能[6,7]。</p><p>　　在此次數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設計中，我們選擇數(shù)控系統(tǒng)為其控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.3.2 主軸變頻單元</p><p>　　數(shù)控銑床是一種靈活、高效能的自動化機床，它較好地解決了復雜、精密、小批多變的零件加工問題。為了實現(xiàn)主軸在一定范圍內的無級變速

51、，要選擇一個主軸變頻器來控制主軸電機的正反轉及無機變速。</p><p>　　2.3.3 伺服驅動單元</p><p>　　數(shù)控銑床除了主軸的旋轉之外，還有工作臺沿X軸正負方向的移動，Y軸正負方向的移動，Z軸方向上下移動。為了實現(xiàn)這些運動，我們的選擇伺服電機來控制其運動，為了能實現(xiàn)伺服電機能按著正確的方向移動且精確移動。我們得選擇伺服驅動器來控制伺服電機的運動。所以在伺服驅動單元中我們應

52、選擇伺服電機和伺服驅動器。</p><p>　　2.3.4 輸入與輸出裝置</p><p>　　為了方便連接和提高可靠性，我們得選擇輸入輸出裝置，輸入接線端子板提供NPN和PNP兩種類型開關量信號輸入，輸出繼電器板集成八個單刀投繼電器和兩個雙刀投繼電器。輸入、輸出端子板一般是和數(shù)控裝置配套的。</p><p>　　2.3.5 輔助裝置</p>&l

53、t;p>　　一個完整的數(shù)控銑床控制系統(tǒng)除了上面那些單元外，還必須包括一些輔助裝置，如冷卻裝置、照明電路、控制變壓器、急?；芈?、電柜風扇等輔助裝置。</p><p><b>　　2.4 總體框圖</b></p><p>　　數(shù)控裝置與各部分之間的連接如圖2.4.1</p><p>　　圖 2.4.1 總體框圖</p><

54、;p><b>　　3 硬件設計</b></p><p>　　3.1 數(shù)控裝置的選擇</p><p>　　在選擇數(shù)控機床時，隨著市場需求多樣化，機床制造商往往提供同一種機床可以配置多種數(shù)控系統(tǒng)的選擇、數(shù)控系統(tǒng)中多種選擇功能的選擇。一般機床制造廠商提供的機床配置的數(shù)控系統(tǒng)分為主流的系統(tǒng)及可適應的系統(tǒng)，主流系統(tǒng)對它來說相對技術成熟性要好一些，但對使用用戶來說又另有

55、要求，在可供選擇的系統(tǒng)中性能高低差別很大，直接影響到設備價格的構成，因此不能片面的追求高水平、新系統(tǒng)。而應該以滿足主機性能為主，對系統(tǒng)性能和價格等因素做一個綜合的分析，選用合適的系統(tǒng)。目前數(shù)控系統(tǒng)種類、規(guī)格極其繁多，世界上比較著名的有：日本FANUC、德國SINUMERIK、法國NUM、意大利FIDIA、西班牙FAGOR、美國A-B，各大機床制造商都有自己的一些系統(tǒng)，比如：MAZAK、OKUMA等，國內的航天集團，機電集團、華中理工大學

56、、遼寧藍天系列、南京大方集團、北方凱奇等，每家公司都有自己一系列各種規(guī)格產(chǎn)品[8]。</p><p>　　用戶選擇系統(tǒng)的基本原則是：性能價格比好、以后使用維修方便、系統(tǒng)的市場壽命等。數(shù)控系統(tǒng)中除基本功能以外還有很多選擇功能，對配在機床上的系統(tǒng)，由于機床使用基本要求所需數(shù)控系統(tǒng)選擇功能已由制造商選配以外，用戶可以根據(jù)自己的生產(chǎn)管理、測量要求、刀具管理、程序編制要求等，額外再選擇一些功能列入訂貨單中。經(jīng)過比較我們選擇

57、“世紀星”系列數(shù)控系統(tǒng)HNC-21。</p><p>　　“世紀星”系列數(shù)控系統(tǒng)HNC-21采用先進的開放式體系結構，內置嵌入式工業(yè)PC，配置8.4//或10.4//彩色液品顯示屏和通用工程面板，集成進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內嵌式PLC接口于一體，采用電子盤程序存儲方式以及軟驅、DNC、以太網(wǎng)等程序交換功能。具有低價格、高性能、配置靈活、結構緊湊、易于使用、可靠性高的特點：最大聯(lián)動軸數(shù)為4 軸。可選配

58、各種類型脈沖式、模擬式交流伺服驅動器或步進電機驅動器以及HSV-11電源模塊系列。 配置標準機床工程面板，不占用PLC。 操作面板的顏色、按鍵名稱可按用戶要求自己定制。配置40路輸入接口和32路功率放大光電隔離開關量輸出接口、手持單元接口、模擬主軸控制接口與編碼器接口，以及遠程I/O板口[8]。 采用 ” 彩色液晶顯示器（分辨率為640×480），全漢字的操作界面，具有故障診斷和報警設置，多種圖形加工軌跡顯示和仿真功能。操作簡

59、便，易于掌握和使用。采用國際標準G代碼編程，與各種流行的CAD/CAM自動編程系統(tǒng)均兼容，具有直線、圓弧、螺旋線插補。有固定循環(huán)、旋轉、縮放、鏡像、刀具、補償、宏程序等功能。小線段連續(xù)加工功能，特別適合于復雜模具</p><p>　　圖3.1.1 數(shù)控裝置接口</p><p>　　表 3.1.1 數(shù)控裝置引腳</p><p><b>　　3.2 主軸單

60、元</b></p><p>　　為了實現(xiàn)主軸在一定轉速范圍內的無級變速，主軸單元應包括主軸變頻器、主軸電機，為了保證主軸電機的溫度不過于太高，還要選擇主軸風扇電機。數(shù)控銑床是一種靈活、高效能的自動化機床，它較好地解決了復雜、精密、小批多變的零件加工問題。合理地進行數(shù)控銑床主軸的控制，對提高銑床的加工精度和生產(chǎn)效率都十分重要。數(shù)控銑床的主軸驅動系統(tǒng)也叫主傳動系統(tǒng)，是完成主運動的動力裝置部分。主軸驅動系統(tǒng)

61、通過該傳動機構轉變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度,配合進給運動,加工出理想的零件。它是零件加工的成型運動之一，它的精度對零件的加工精度有較大的影響。機床的主軸驅動和進給驅動有較大的差別，機床主軸的工作運動通常是旋轉運動，不像進給驅動需要絲桿或者其他直線運動裝置作往復運動，數(shù)控機床通過主軸的回轉與進給實現(xiàn)刀具與工件的相對切削運動。為滿足數(shù)控銑床對主軸驅動的要求，變頻器必須有以下性能：（1）寬調；（2）低速運行時，有較大力矩輸

62、出；（3）加減速時間短；（4）過載能力強；（5）快速響應主軸電機快速正反轉以及加減速[11,12]。</p><p>　　3.2.1 主軸電機的選擇</p><p>　　主軸電機驅動主軸的旋轉，在數(shù)控銑床中主軸旋轉為其主運動，我們設計的是普通數(shù)控銑床，功率要求不高，所以在這里我們選擇北京超同步科技有限公司制造的超同步GTB—43P7ZBB15—H5GB電機，GTB系列主軸電機是北京超同步

63、科技有限公司自主研發(fā)、設計、生產(chǎn)。并走向國際市場的，具有國際領先水平的新型交流感應伺服主軸電機。</p><p>　　電機結構緊湊、性能一流、外形美觀、效率高、廣泛運用于機械制造的各個領域，具有良好的性能價格比。該廠品符合國家有關產(chǎn)品標準和國際IEC、CE的標準。有最新的專利設計，包括外形美觀、結構精巧、封閉是散熱風道、噪音低、效率高、優(yōu)化節(jié)能設計。有標準的主軸功能，可以實現(xiàn)低速大扭矩切削、高速恒功率切削、零速主

64、軸鎖定、準停控制、C軸功能、剛性攻絲。內置磁速度傳感器，可以實現(xiàn)速度、位置閉環(huán)、可靠性高、故障率低、提高電機的動平衡精度。</p><p>　　GTB—43P7ZBB15—H5GB電機的技術規(guī)格如3.1.2表所示：</p><p>　　表3.1.2 GTB—43P7ZBB15—H5GB技術規(guī)格</p><p>　　3.2.2 風機的選擇</p>&l

65、t;p>　　根據(jù)上面選擇的主軸電機，與其相適用的風機的功率為75W，為小功率的風機。在這里我們選擇北京新華通風設備有限公司生產(chǎn)的DZW50—1 T35—11型低噪聲軸流屋頂風機。DZW50—1型系列低噪聲軸流屋頂風機是一種新型高效、節(jié)能、低噪聲屋頂風機。該風機由于采用寬大中變截面扭曲機翼葉片、高輪轂比、圓柱型輪轂，低風阻電機支架以及最佳葉柵參數(shù)。因而空氣動力性良好。外形設計新穎、獨具一格。風量大、風壓高、噪聲低、耗電少。</

66、p><p>　　3.2.3 變頻的選擇</p><p>　　由于設計的是普通型數(shù)控銑床，所以所選的變頻器應根據(jù)主軸電機功率和按結構簡單、容易安裝、體積小、經(jīng)濟實惠和安全等要求來選擇主軸變頻器。上面所選擇的主軸電機的功率是3.7KW，根據(jù)以上要求我們選擇CIMR-JB2A0018 0.75KW安川簡易型變頻器，安川變頻器具有功能齊全、方便操作、保護機器、結構簡單、便于調試和維護等優(yōu)點。設定時可

67、簡單的調出最低限度的所需參數(shù)，進行設定和變更。Swing PWM方式可抑制噪音和漏電流，減少刺耳的金屬噪音。全方位、全自動轉矩提升功能，可根據(jù)負載的變動自動調節(jié)到最合適的電壓，輸出最佳轉矩。具有重試功能，即使變頻器檢測出故障，自動診斷后會自動復位，不停止電機即可重新啟動運行。更改了出廠設定的參數(shù)可通過校驗模式進行確認。便于在試運行等情況時確認參數(shù)設定值。為穩(wěn)定作業(yè)提供支持，在全范圍、全自動的轉矩提升運行模式下，不管是加減速運行還是勻速運

68、行，都能產(chǎn)生高轉矩，因此機械能順利啟動。有完善的制動功能，過勵磁制動功能在無電阻器的情況下也能實施緊急制動，所有機型都內置制動晶體管，只要加裝制動電阻器就能得到更大的制動力。即使負載或電源波動甚至瞬時停電時仍能繼續(xù)運行，具有完</p><p>　　表3.1.3 CIMR-JB2A0018變頻器技術規(guī)格</p><p>　　CIMR-JB2A0018變頻器接口如圖3.2.1，其引腳定義如表3

69、.1.4</p><p>　　圖 3.2.1變頻器接口</p><p>　　表 3.1.4 CIMR-JB2A0018變頻器引腳定義</p><p>　　3.2.4 主軸控制接口</p><p>　　變頻器的調速要經(jīng)過數(shù)控裝置的XS9 主軸控制接口輸入可變電壓。XS9 主軸控制接口，包括主軸速度模擬電壓指令輸出和主軸編碼器反饋輸入，主軸控制

70、接口如圖3.2.2</p><p>　　圖 3.2.2主軸控制接口</p><p>　　3.2.5變頻器的連接</p><p>　　變頻器與數(shù)控裝置的聯(lián)系通常包括：（1）數(shù)控裝置給變頻器的正反轉信號；（2）數(shù)控裝置給變頻器的速度或頻率信號，可以通過通訊給定或模擬給定；（3）變頻器給數(shù)控裝置的故障等狀態(tài)信號。所有關于對變頻器的操作和反饋均可在數(shù)控面板進行編程和顯示。通

71、過變頻器內部關于輸入信號與設定頻率的輸入輸出特性曲線的設置，數(shù)控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線必須涵蓋電壓/電流信號、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數(shù)控銑床快速正反轉、自由調速、變速銑削的要求[14,15]。變頻器的連接如圖3.2.3</p><p>　　其工作原理：變頻器的的R、S、T和風機U、V、W與主電路中的U11、V11、W11連接，給主軸變頻器和風機供電，經(jīng)主軸變頻器輸出電壓

72、到主軸電機，主軸的正轉、反正由繼電器的得失電控制并且構成互鎖。當KA4線圈得電時KA4常開觸點器閉合，常閉觸點斷開，此時主軸正轉。當KA5線圈得電時KA5常開觸點閉合，常閉觸點斷開，此時主軸反轉。當主軸變頻器出現(xiàn)故障時，變頻器輸出報警到X3.0，同時主軸輸出速度為零。當主軸需要調速時，由數(shù)控裝置輸出可變電壓到主軸頻率接口，從而達到調節(jié)速度的目的。</p><p>　　圖 3.2.3變頻器的接線圖</p>

73、;<p>　　3.3 伺服驅動單元</p><p>　　伺服系統(tǒng)是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，通常由伺服驅動裝置、伺服電機、機械傳動構件及執(zhí)行部件組成。伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器，是伺服電機的控制部分。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。對伺服系統(tǒng)的基本要求：位移進度高（輸

74、出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度）、穩(wěn)定性好（系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)）、調速范圍寬（數(shù)控銑床要求電動機所能提供的最高轉速與最低轉速之比）、響應快速并無超調（為了提高生產(chǎn)率和保證加工質量，在啟動、制動時要求加速足夠大，以縮短伺服系統(tǒng)的過度過程時間，減少輪廓過度誤差）[15]。</p><p>　　3.3.1 伺服電機的選擇</p><p

75、>　　因為設計的是普通數(shù)控銑床，加工的是一般零件，根據(jù)經(jīng)濟實惠、結構簡單、轉動慣量小、過載能力強、質量好等優(yōu)點。我們選擇北京中創(chuàng)天勤科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的130系列伺服電機。130系列伺服電機在機器人軌跡控制、數(shù)控機床位置控制等，在加工機械、FA機械、醫(yī)療機械、機器人、自動組裝線、半導體制造、部件組裝和紡織機械上得到了廣泛的應用。其具有體積小重量輕、運轉平穩(wěn)、精度高、運轉平穩(wěn)、精度高等優(yōu)點，具有優(yōu)良的性價比，在業(yè)內極具優(yōu)勢，完全可

76、以代替進口產(chǎn)品。根據(jù)實際需求我們選擇130ST—M015015為X、Y軸伺服進給電機，由于Z軸方向需要承受更大的載荷，所以選擇130ST—M10025為Z軸伺服電機。伺服電機的技術規(guī)格如3.3.1表所示：</p><p>　　表3.3.1 130ST—M015015 技術規(guī)格</p><p>　　3.3.2 伺服驅動器的選擇</p><p>　　出于對伺服驅動系統(tǒng)

77、的要求以及結構簡單、經(jīng)濟實惠和上面所選電機型號等要求在這里我們選擇華中數(shù)控HSV-11D25伺服驅動器，HSV-11D25是以矢量控制為理論基礎，16為單片機為控制核心，高效率的大功率IGBT電壓型逆變器為驅動功放，永磁同步電機為驅動對象的高性能數(shù)字位置伺服模塊。由于運用矢量控制原理和柔性控制技術，使得HSV-11D25伺服模塊結構簡單，調試容易，控制靈活，維護方便，體積小等優(yōu)點。其控制簡單、靈活，通過修改伺服驅動器的參數(shù)，可對伺服驅動

78、器系統(tǒng)工作方式及內部參數(shù)進行修改，以適應不同的適用環(huán)境和要求。狀態(tài)顯示齊全，HSV-11D25伺服驅動器設置了一系列狀態(tài)顯示信息，方便客戶在調試、運用過程中瀏覽伺服驅動器的相關參數(shù)，同時它也提供了一系列的故障診斷信息。有寬調速比。體積小易于安裝，HSV-11D25伺服驅動器結構緊湊、體積小，非常易于安裝、拆卸[16,17]。HSV-11D25技術規(guī)格如表3.3.2所示：</p><p>　　表 3.3.2 HSV

79、-11D25技術規(guī)格</p><p>　　伺服驅動器的外形如圖3.3.1</p><p>　　圖 3.3.1伺服驅動器的外形如圖</p><p>　　HSV-11D25伺服驅動器引腳如圖3.3.2，其相關引腳定義如表3.3.3所示。</p><p>　　圖 3.3.2 HSV-11D25伺服驅動器引腳</p><p>

80、　　表 3.3.3 HSV-11D25伺服驅動器引腳定義</p><p>　　3.3.3 伺服單元電源模塊</p><p>　　根據(jù)選擇的華中數(shù)控HSV-11D25伺服驅動器，在這里選擇華中數(shù)控HSV-11P075電源模塊，HSV11-P075伺服單元電源模塊，采用全橋整流和微處理器控制，具有軟起動、能耗制動及各種保護功能，其可靠性高，使用靈活方便，體積小，便于安裝等特點[18]。HSV

81、-11P075技術規(guī)格如3.3.4表所示：</p><p>　　表 3.3.4 HSV-11P075技術規(guī)格</p><p>　　HSV11-P075伺服單元電源模塊引腳如圖3.3.3</p><p>　　圖 3.3.3 電源模塊引腳圖</p><p>　　3.3.4 串行進給驅動接口</p><p>　　在伺服驅動

82、系統(tǒng)中，數(shù)控裝置的串行進給驅動接口和伺服驅動器要進行模擬量的輸入輸出。XS40、 XS41、XS42、XS43是串行進給驅動接口，串行進給驅動接口是與華中數(shù)控HSV-11系列交流伺服驅動裝置連接的專用接口，它的特點是連接簡便、抗干擾能力強、無漂[19]。其接口如圖3.3.4</p><p>　　圖 3.3.4 串行進給驅動接口</p><p>　　3.3.5 伺服驅動單元總體連接圖<

83、;/p><p>　　伺服驅動器與其它部件的聯(lián)系通常包括：（1）伺服驅動器與數(shù)控裝置間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收；（2）故障連鎖與外部運行允許繼電器和伺服OK繼電器的連接；（3）電源模塊與主電路的連接；（4）控制電源與主電路的連接；（5）伺服電機電源和編碼器反饋輸出與伺服驅動器的連接；（6）減電流功能的連接。通過以上各部分的連接，能夠使伺服驅動器控制伺服電機的運動，伺服電機的相關運動信息通過編碼器及時反饋給伺服驅動器，再由伺服驅

84、動器X2接口反饋給數(shù)控裝置，達到伺服電機能夠精確執(zhí)行數(shù)控裝置發(fā)給伺服驅動器的相關指令。伺服驅動單元連接框圖如 3.3.5，J2與XS、X2與數(shù)控裝置的連接如圖3.3.6</p><p>　　圖 3.3.5 伺服驅動器連接圖</p><p>　　圖 3.3.6 J2與XS、X2與數(shù)控裝置的連接</p><p>　　3.4 主控電路的設計</p><

85、;p>　　主電路由外部提供交流380V電源，經(jīng)熔斷接到主電路中，為了防止電路發(fā)生短路時電流電壓過高，還有不頻繁的啟動，電路中要用到空氣開關。空氣開關是低壓配電網(wǎng)絡和電力拖動系統(tǒng)中非常重要的一種電器，它集中控制和多種保護功能于一身。除了能完成接觸和分斷電路外，尚能對電路或電氣設備發(fā)生的短路．嚴重過載及欠電壓等進行保護，同時也可以用于不頻繁地啟動電動機。在正常情況下，過電流脫扣器的銜鐵是釋放著的；一旦發(fā)生嚴重過載或短路故障時，與主電路

86、串聯(lián)的線圈就將產(chǎn)生較強的電磁吸力把銜鐵往下吸引而頂開鎖鉤，使主觸點斷開。欠壓脫扣器的工作恰恰相反，在電壓正常時，電磁吸力吸住銜鐵，主觸點才得以閉合。一旦電壓嚴重下降或斷電時，銜鐵就被釋放而使主觸點斷開。當電源電壓恢復正常時，必須重新合閘后才能工作，實現(xiàn)了失壓保護?？諝忾_關就是利用了空氣來熄滅開關過程中產(chǎn)生的電弧。伺服變壓器只需要200V的電壓，所以從主電路380V電壓到伺服電源模塊要經(jīng)過伺服變壓器降壓，由于電路中要有頻繁的接通和斷開，所

87、以要用到接觸器。接觸器是用于頻繁的接通與斷開交直流主電路及大容量控制電路的一種自動開關電器。換刀具時要用到刀具松閥，刀具松閥繼電器KA7</p><p>　　圖3.4.1 主電路圖</p><p>　　圖3.4.2 繼電器接線圖</p><p>　　3.5 輸入輸出開關量</p><p>　　I/O端子板分輸入端子板和輸出端子板，通常作為H

88、NC—21數(shù)控裝置XS10、XS11、XS20、XS21接口的轉接單元使用，以方便連接及提高可靠性。</p><p>　　輸入端子板與輸出端子板均可提供NPN和PNP兩種。</p><p>　　每塊輸入端子板含20位開關量輸入端子；每塊輸出端子板含16位開關輸出量輸出端子及急停（兩位）與超程（兩位）端子[20]。輸入接口如圖 3.5.1，其引腳定義如表 3.5.1、3.5.2</p&

89、gt;<p>　　圖 3.5.1輸入端子</p><p>　　表3.5.1 XS11引腳定義</p><p>　　XS10外部接線如圖3.5.2，SQX-1、SQX-3、SQY-1、SQY-3、SQZ-1、SQX-3分別為X、Y、Z正負方向行程開關，當由于誤操作而使某軸超程這時，常開的限位開關閉合，其繼電器中的常閉觸點斷開，從而切斷動力裝置。SQX-2、SQY-2、SQZ-2

90、為復位開關，當按下三個按鈕時機床開始復位。SQ3、SQ4分別為潤滑液位報警和欠壓報警。</p><p>　　圖3.5.2 XS10外部接線圖</p><p>　　表3.5.2 XS11引腳定義</p><p>　　XS11的外部接線如圖3.5.3所示。當外部允許繼電器KA2得電時，其常開觸點KA2閉合，外部伺服允許輸入。當伺服電源模塊準備好時，通過其POWOK接口輸

91、入。當伺服Ok繼電器KA3得電時，其常開觸點KA3閉合，伺服OK信號輸入。X3.0、X3.1、X3.2為主軸變頻器與數(shù)控裝置的連接，當主軸變頻器出現(xiàn)故障時，由這幾個接口分別輸入主軸報警和主軸零速的信號。X4.0-X4.7與XS8并聯(lián)，用于手持單元的坐標選擇輸入、增量倍率輸入、使能按鈕輸入。</p><p>　　圖3.5.3 XS11外部接線圖</p><p>　　輸出端子接口如圖3.5.4

92、，其引腳定義如表3.5.3</p><p>　　圖3.5.4輸出端子</p><p>　　表3.5.3 XS20引腳定義</p><p>　　XS20外部接線圖如圖3.5.5所示，XS20輸出運行運行繼電器信號、系統(tǒng)復位信號、伺服允許信號、減電流信號、冷卻開關信號、刀具松信號、主軸正反轉信號，還有限位急停鏈（詳見急停與超程解除的設計）。</p><

93、;p>　　圖3.5.5 XS20外部鍵線圖</p><p><b>　　3.6 輔助裝置</b></p><p>　　一個完整的數(shù)控銑床控制系統(tǒng)，除了上面主軸變頻器單元和伺服驅動單元外，還應包括檢測位置的光柵尺，手持單元，急停與超程解除部分，主軸潤滑系統(tǒng)等輔助裝置。</p><p>　　3.6.1 手持單元</p>&l

94、t;p>　　手持單元提供急停按鈕、使能按鈕、工作指示燈、坐標選擇（OFF、X、Y、Z、4）、倍率選擇（X1、X10、X100）及手搖脈沖發(fā)生器。手持單元僅有一個DB25的接口。手搖控制選擇華中數(shù)控HWL-1001[21]，其外部如圖3.6.1。手持接口插頭連接到HNC-21數(shù)控裝置的手持控制接口XS8上，手持單元控制接口如圖3.6.1，其引腳定義如表 3.6.1</p><p>　　圖3.6.1 手持單元&

95、lt;/p><p>　　圖3.6.2 手持接口XS8</p><p>　　表3.6.1 手持接口XS8引腳定義</p><p>　　手持單元與數(shù)控裝置的連接應包括：（1）脈沖發(fā)生信號；（2）坐標選擇；（3）倍率選擇；（4）急停、使能、指示燈的連接。其工作原理：數(shù)控裝置為其提供DC5V電源，手搖A相和手搖B相分別控制各軸正負方向的移動。X、Y、Z為坐標選擇，將旋鈕旋向X時

96、，其控制對象為X軸；當旋向Y軸時，其控制對象是Y軸；當旋向Z時，其控制對象為Z軸。X1、X10、X100為倍率選擇，旋向X1時，其倍率為1；旋向X10時，其倍率為10；旋向X100時，其倍率為100.此外當機床出現(xiàn)故障時，手持單元還提供急停按鈕和使能按鈕[22,23]。手持單元的連接如圖3.6.3</p><p>　　圖3.6.3 手持單元連接</p><p>　　3.6.2 光柵尺的連

97、接</p><p>　　刀具和工件在運動過程中會產(chǎn)生誤差，為了提高運動精度，補償?shù)毒哌\動的誤。我們要選擇光柵尺，讓其對刀具和工件的坐標進行實時監(jiān)測，觀察數(shù)控銑床的走刀是否有誤差，如果發(fā)現(xiàn)誤差就及時反饋給數(shù)控裝置，對起到的運動誤差起到一個補償作用。</p><p>　　光柵尺的工作原理：光柵尺是通過摩爾條紋原理，通過光電轉換，以數(shù)字方式表示線性位移量的高精度位移傳感器. 光柵尺是由讀數(shù)頭、主

98、尺和接口組成。玻璃光柵上均勻地刻有透光和小透光的線條，柵線為50線對/mm，其光柵柵距為0.02mm，采用四細分后便可得到分辯率為5μm的計數(shù)脈沖。一般情況下，線條數(shù)按所測精度刻制，為了判別出運動方向，線條被刻成相位上相差90°的兩路。當讀數(shù)頭運動時，接口電路的光電接收器分別產(chǎn)生A相和B相兩路相位相差90°的脈沖波.輸出信號再經(jīng)過數(shù)顯系統(tǒng)細分處理,分辨率是光柵周期除以信號細分數(shù),經(jīng)過電子信號細分處理分辨率可為5um或

99、1um 光柵位移傳感器的工作原理，是由一對光柵副中的主光柵（即標尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器件轉換使黑白（或明暗）相同的條紋轉換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90o的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計數(shù)顯示[24,25]。</p><p>　　在這里我們選擇北京中科華

100、儀天宇科技有限公司生產(chǎn)的ZK—200光柵尺，該產(chǎn)品已形成多種系列，品種齊全，制作精巧，技術精良，可供不同規(guī)格的各類機床、儀器數(shù)字化改造選用，還可根據(jù)用戶的特殊需要進行特殊制作。光柵尺的相關技術規(guī)格如3.6.2表所示：</p><p>　　表 3.6.2光柵尺技術規(guī)格</p><p><b>　　相關引腳介紹</b></p><p>　　光柵尺插

101、頭都為公座，選擇9PD公座。如下圖3.6.4，其引腳定義如表3.6.3。</p><p>　　圖 3.6.4光柵尺插頭</p><p>　　表 3.6.3 光柵尺引腳定義</p><p>　　光柵尺與數(shù)控裝置進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖荴S32接口，XS32是脈沖進給驅動接口，脈沖式接口使用脈沖信號，可傳遞位置指令，其特點是通用性較強，信號傳遞抗干擾能力強，不會發(fā)生漂移 ，但構

102、成全閉環(huán)需在驅動裝置中方可完成 。HNC—21□D和HNC-21□ F最多可提供4個脈沖進給驅動接口，連接插座為XS30、XS31、XS32、XS33 。其接口如圖3.6.5 </p><p>　　圖 3.6.5 脈沖進給驅動接口</p><p>　　光柵尺與數(shù)控裝置XS32接口的連接如圖3.6.6</p><p>　　圖 3.6.6 光柵尺與數(shù)控裝置XS32接口的

103、連接</p><p>　　3.6.3 急停與超程解除的設計</p><p>　　HNC-21數(shù)控裝置操作面板和手持單元上，都有急停按鈕，用于：</p><p>　　當數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控機床出現(xiàn)故障或緊急情況是，需要使數(shù)控機床立即停止運動或切斷動力裝置（如伺服驅動器和主軸變頻器）的主電源。</p><p>　　當數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)自動報警信息后，需按下

104、急停按鈕。要經(jīng)查看報警信息并排除故障后，然后再松開急停按鈕，使系統(tǒng)復位并恢復正常。該急停按鈕及相關電路所控制的中間繼電器（KA）的一個常開觸點應接入HNC-21數(shù)控裝置的開關量輸入接口，以便為系統(tǒng)提供復位信號。</p><p>　　HNC-21數(shù)控裝置操作面板設有超程解除按鈕，用于機床壓下超程限位開關后，手工操作解除超程狀態(tài)。HNC-21數(shù)控裝置上與此設計相關的引腳如表3.6.4所示：</p>&l

105、t;p>　　表 3.6.4相關引腳定義</p><p>　　除數(shù)控裝置操作面板和手持單元處的急停按鈕以外，系統(tǒng)還可以根據(jù)實際需，可設置更多個急停按鈕。所有急停按鈕的常閉觸點以串聯(lián)方式連接到系統(tǒng)的急?；芈分?。在正常情況下，急停按鈕處于松開狀態(tài)，其觸點處于常閉狀態(tài)。按下急停按鈕后，其觸點斷開，使得系統(tǒng)的急停回路所控制的中間繼電器KA斷電，而切斷移動裝置（如進給軸電機、主軸電機）的動力電源。同時，連接在PLC輸入

106、端的中間繼KA的一組常開觸點，向系統(tǒng)發(fā)出急停報警。此信號在打開急停按鈕時則作為系統(tǒng)的復位信號。系統(tǒng)中各軸的正向和負向的超程限位開關的常閉觸點以串聯(lián)的方式連接到系統(tǒng)的超程回路中。同時，每個超程限位開關另有一個常開觸點連接到PLC輸入端子，使數(shù)控系統(tǒng)能夠判斷出各超程限位開關的狀態(tài)。 在正常情況下，超程限位開關處在松開狀態(tài)，若用戶操作機床時不慎將某軸的超程限位開關壓下，那么其常閉觸點斷開，使得系統(tǒng)的超程回路斷開，同時使急?；芈贰?lt;/p&