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免费毕业论文-型数控卧式铣床电气控制系统(6)

2013-07-20 01:11 ;   选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算： （1）计算齿轮的减速比 根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下: i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1) 式中φ ---步进电机的步距角（o/脉冲） S ---丝杆螺距（mm) Δ---(mm/脉冲） （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2） 式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2) Js ----丝杆惯量(Kg.cm.s2) W---工作台重量（N） S ---丝杆螺距（cm） （3）计算电机输出的总力矩M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 （1-4） 式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n---电机所需达到的转速（r/min） T---电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-5） Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u---摩擦系数 η---传递效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-6） Mt---切削力折算至电机力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7） 式中fq---带载起动频率（Hz） fq0---空载起动频率 Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算. （5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 （6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大 于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 ～0.4)Mmax.

 

3.4步进电动机的控制系统

 步进电动机由于采用脉冲方式工作，并且各项需按一定的规律分配脉冲，因此，在步进电动机控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。而脉冲的多少需要根据控制对象的运行轨迹计算得到，因此还需要插补运算器。数控机床所用的功率步进电动机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。为了保证步进电动机不失步地起停，要求控制系统具有升降控制环节。除了上述各环节之外，还有和键盘、纸带阅读机、显示器等输入、输出设备的接口电路及其他附属环节。在闭环控制系统中，还有检测元件的接口电路。在早期的数控系统中，上述各环节都是由硬件系统完成的。但目前的机床数控系统，由于都采用了小型和微型计算机控制，上述很多的控制环节，如升降速控制、脉冲的分配、脉冲的产生、插补运算等都可以有计算机完成，使步进电动机控制系统的硬件电路大为简化。图3-1为计算机控制步进电动机的控制系统框图 内容来自www.nseac.com
 系统中的键盘用于向计算机输入和编辑控制代码程序，输入的代码由计算机解释。显示器用于显示控制对象的运动坐标值、故障报警、工作状态及编程代码等各种信息。存储器用来存放监控程序、解释程序、插补运算程序、故障诊断程序，脉冲分配程序、键盘扫描程序、显示驱动程序及用户控制代码程序等。功率放大器用以对计算机送来的脉冲进行功率放大，以驱动步进电动机带动负载运行。
计算机控制系统中，除了上述环节以外，还有各种控制按键及其接口电路（如急停控制、手动输入控制、行程开关接口等）和继电器、电磁阀控制接口等。在复杂的CNC系统中，还可能有纸带阅读机接口、纸带穿孔机接口、位置检测元件输入接口、位置编码器及接口等。
CNC系统由于硬件电路大为简化，使其可靠性大大提高，而且使用灵活方便。但由于很多的功能由软件来实现，所以对计算机字长和运算速度有一定的要求。目前，由于微型计算机运算速度的提高（如MCS—51系列单片机主频可达12MH z，执行一条单字节指令只需1us），因此，在机床的简易数控中，采用8位MCS—51单片机以能满足要求。但在多坐标（如4坐标、5坐标等）控制系统及连续轮廓控制系统中，8位MPU 的速度仍显得不够，这时可采用如下方法：
选用高速16位（intei8086/8088\z8000及MCS-8098系列单片机）和32位微处理器。
适当配置一些如脉冲分配器和细插补运算器等硬件电路，以减轻MPU的负担。
采用多处理器结构。各种任务可分别由不同的微处理器来完成。

                                图表3-1步进电动机的CNC系统框图

 第四章 铣床的电气控制设计

 电气改造设计前，要进行充分的技术准备，因为新系统有许多新功能、新要求、新技术，因此设计前应熟悉技术数据，包括数控系统、伺服系统等操作手册、安装调试手册、编程手册等。要对上述数据进行消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。选择较为先进的专用火焰切割数控装置，稳定可靠的伺服系统，开发编写PLC软件控制程序等。

4.1数控装置的选择
1 数控系统的选择
 SINUMERIC802D数控系统是西门子公司推出的一款经济型数控系统，包括面板控制单元（PCU）、键盘、机床控制面板（MCP），SIMODRIVE模块式驱动系统、带编码器的1FK7伺服电机、I/O模块PP72/48、电子手轮等。
 其中具有免维护性能的面板控制单元（PCU）是整个系统的核心，具有CNC，PLC，人机界面、通讯等功能。802D最多可控制4个数字进给轴和一个主轴，其中主轴既有数字接口，也可通过模拟接口控制。