CN102101189A - 数控铣床 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数控铣床，包含：中央处理器、存储器、显示控制单元、输入单元、输出单元、系统电源以及位置接口单元，所述中央处理器通过总线连接所述存储器、显示控制单元、输入单元、输出单元、系统电源以及位置接口单元，所述位置接口单元连接伺服单元，所述伺服单元控制x、y、z三轴伺服电机，其中x、y轴伺服电机的零速转矩为5nm、功率为1.3KW，z轴伺服电机的零速转矩为7.7nm、功率为1.6KW，且所述z轴伺服电机带有失电制动器。本发明的数控铣床制造成本低，加工精度较高。

Description

数控铣床

【技术领域】

本发明涉及数控加工技术领域，特别是涉及一种数控铣床。

【背景技术】

随着科学技术的发展，传统的数控加工设备已很难适应市场竞争的要求。工业上需要微机控制的数控机床以及适合加工复杂零件的性能，才能满足发展的需要。例如PN-30铣床，其核心部分机械系统、硬件控制电路和控制软件已经不能满足目前数控加工的需要，因此，使用交流伺服系统与数控技术对原设备进行改造与设计，用较少的硬件及简洁的控制软件实现对专用铣床的控制，将之改造成为符合现有的加工要求且成本较低的数控铣床是很有必要的。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种经过改造的数控铣床，其结构简单、制造成本较低，且能达到加工高精密度零件的要求。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种数控铣床，包含：中央处理器、存储器、显示控制单元、输入单元、输出单元、系统电源以及位置接口单元，所述中央处理器通过总线连接所述存储器、显示控制单元、输入单元、输出单元、系统电源以及位置接口单元，所述位置接口单元连接伺服单元，所述伺服单元控制x、y、z三轴伺服电机，其中x、y轴伺服电机的零速转矩为5Nm、功率为1.3KW，z轴伺服电机的零速转矩为7.7Nm、功率为1.6KW，且所述z轴伺服电机带有失电制动器。

本发明的数控铣床还包含：主轴电机、油泵、冷却泵以及润滑泵，所述主轴电机、油泵、冷却泵以及润滑泵均由带热饱和的接触器控制。

所述伺服单元的输入、输出指令单位均为0.001mm，最高快速速度为4500mm/分钟，最高给进速度为3000mm/分钟。

本发明的有益效果在于，本发明运用现代交流伺服系统与数控系统技术，对传统设备进行改造设计，改善并提升现有设备的技术性能，以适应加工高精密度零件的需要。

【附图说明】

图1为本发明数控铣床的电气控制结构示意图；

图2为本发明数控铣床的主回路示意图；

图3为本发明伺服电机和伺服驱动器的接线示意图；

图4为本发明部分输入信号和输出信号接口表；

图5为本发明报警的控制原理图；

图6为本发明主轴控制原理图；

图7为本发明输出信号控制原理图；

图8为本发明电机、油泵、冷却泵、润滑泵信号输出原理图；

图9为本发明主轴制动原理图。

【具体实施方式】

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，为本发明数控铣床的电气控制结构示意图。一种数控铣床，包含：中央处理器、存储器、显示控制单元、输入单元、输出单元、系统电源以及位置接口单元，所述中央处理器通过总线连接所述存储器、显示控制单元、输入单元、输出单元、系统电源以及位置接口单元，所述位置接口单元连接伺服单元，所述伺服单元控制x、y、z三轴伺服电机，其中x、y轴伺服电机的零速转矩为5Nm、功率为1.3KW，z轴伺服电机的零速转矩为7.7Nm、功率为1.6KW，且所述z轴伺服电机带有失电制动器。其中，显示控制单元连接CRT，输入单元包含键盘接口和输入接口，键盘接口连接操作键盘，输入接口与输出单元的输出接口都与强电控制电路连接，系统电源220V。

在本具体实施方式中，还包含如下各部分的选择：

(1)传动机构的选型。现有技术中，如PN-30铣床设备的三个移动方向是由步进电机控制的，考虑到加工零件的精度要求较高，在本发明中采用交流伺服系统。选择具有低速性好，过载能力强、介电强度和绝缘电阻高、安全性好等特点的电机，其电动机机械特性曲线的平滑性好。这样，电机主轴的大小改动和安装定位孔的改动数据较小，主轴上的齿轮还将用原步进电机主轴上的齿轮。

(2)伺服电机功率大小的选择

伺服电机功率的确定，必须综合考虑负荷惯量，负荷转矩，加减速转矩，有效转矩等一系列的数据，依据原来PN-30铣床上的步进电机的电流大小来大致测算所选伺服电机的大小，在6A左右。因为伺服电机的控制三相电压是220V。所以功率选择为1.3KW。它的零速转矩为5Nm，考虑到Z轴(即工作台面上下方向)工作台面的自重，故选择Z轴的伺服电机功率大些，为1.6KW，转矩为7.7Nm，并且为了防止工作台面不在失电状态时产生下移的现象，所以该Z轴电机选择了带有失电制动器的伺服电机。

(3)伺服系统的选型和数控系统的选型

根据零件的加工要求，数控系统需要具有直线、圆弧插补功能，且三轴连动，输入、输出指令单位均为0.001mm，最高快速速度为4500mm/min(每分钟4500毫米)。最高进给速度为3000mm/min，并且具有刀具补偿及其它如手动，自动控制主轴正转，反转，停止，冷却液启停等辅助功能。

伺服驱动器要具有集成度高，体积小，可靠性好等优点，并且安装比较简单，对温度的要求低等特点。

(4)变压器及稳压源的选择

由于所选的伺服电机的输入电压为50HZ，220V而不是380V，故根据三相电机的功率选择变压器，为了减少电击和受电源、电磁场干扰的可能性，需采用隔离变压器给驱动器供电，选择容量为3.0KVA的三相隔离变压器。

另外，数控系统内部自带24V电源，但电流太小，只有1A。而控制主轴变速的三相电磁离合器和控制铣刀夹紧电磁阀的线圈电压均为直流24V。所以另外选择一直流电压源，电流为5A。还选择变压器。380V输入，220V、36V、24V输出。24V用于照明灯，36V用于主轴停转时采用的能耗制动电压，220V用于控制回路的输入电压。

如图2所示，为主回路示意图。根据铣床的特性应有主轴电机、油泵、冷却泵、润滑泵。根据原机床的结构，润滑泵需要三只即主轴齿轮箱的润滑和各丝杆的润滑。主轴马达需要正反转，电机和泵的工作运行均由带热饱和的接触器来控制。

如图3所示为伺服电机和伺服驱动器的接线示意图。其中，伺服驱动器的R、S、T、PE、U、V、W端子线径必须大于等于1.5mm平方，r，t端子线径必须大于等于10mm平方，接地线应尽可能粗一点，驱动器与伺服电机在PE端子一点接地，接地电阻小于100欧姆，而控制器信号CN1和反馈信号CN2的线径必须大于等于0.12mm平方，并且最好选用屏蔽电缆线。屏蔽层须接FG端子，线的长度不能超过5米，和动力线路分开布线。所有的这一切，均是为了防止干扰，提高抗干扰能力，CN1，CN2均为25芯的接插件。

如图4所示为部分输入信号和输出信号接口表。XS40中的DECX，DECY，DECZ三个输入信号为减速开关信号。该信号在返回机械参考点时使用，为常闭触点。当在面板上选择机械原点方式时，之后按相应轴的手动进给键，则机床将以快速移动速度向参考点方向运动，当返回参考点减速信号(DECX，DCXY，DCXZ)触点断开时(压上减速限位开关)，进给速度立即下降，之后机床以固定的低速继续运行。当减速开关释放后，减速信号触点重新闭合，机床一直运行到参考点限位开关，则运动停止，同时点亮操作面板上相应轴的回零指示灯，返回参考点操作也就结束。XS40中的ESP信号为紧急停止信号，也可作为超程报警信号。

在每一个轴的移动方向上各安装了二只限位开关，一只限位开关为减速移动开关，平时为常开，另一只限位开关为超程开关，也作为超程紧急停止开关，在每一个轴的两个方向即正方向和负方向各安装一个撞块，无论哪一方向的撞块压上紧急停止开关，控制系统复位，是机床紧急停止，同时封锁了运动指令的输出。控制原理图见图5。

XS39接口中的S01～S04为主轴速度信号，该组信号表示四档主轴速度，同时只有一个信号有效是电平信号，该机床由于只有三个电磁离合器，故选择S01～S03，当S01信号有效时，中间继电器KA8接通得电，由KA8的触点控制电磁离合器S1线圈得电压为+24V，电磁离合器吸合，当主轴马达运动时，通过离合器改变齿轮箱内齿轮的变化，以不同的速度主轴旋转，原理图为图6，图7。

XS39接口中的MO3，MO4，MO5分别为主轴正转、反转、停止信号，信号有效时分别控制KA1、KA2、KA13，再控制接触器MC1、MC2，实现主轴的正、反转。M08，M09，M10，M32分别为油泵、冷却泵、润滑泵的信号输出，见图8。

另外在XS39接口中有一个主轴制动信号ZD。根据铣床的特点，主轴在M05信号发出后，主轴需马上停转，故采用能耗制动方式。当ZD制动信号有效时，KA1，KA2失电，时间继电器RT得电，接触器MC8得电，(因为电流较大，采用大电流接触器的触点来输出直流电压)，直流电压加到主轴电机的U1，V1端子上进行制动，延时2秒后，RT延时打开，MC8失电，实现整个制动过程，制动原理图见图9。

PN-30机床可以立铣头和卧铣头两种方式转换。刀具的锁紧由液压控制，不受数控系统控制，在主轴头旁安装两按钮，由中间继电器KA11、KA12来控制夹紧电磁阀J1和J2，并且在主轴停止时才能有效。见图6。

在980M C数据系统中有手轮接口XS38。手轮安装在操作面板上，刻度的最小移动量为0.001mm，由系统中稳压源+5V控制，在手轮方式下时，可以任意选择任一轴进行快速或慢速移动，并且在超程时，复位后，也要靠手轮来移动三轴离开超程位置，因此，在该设备中，也选择了手轮。

由于Z轴伺服电机中有一组制动线圈，在Z轴伺服驱动器准备好的情况下，制动线圈得电，释放刹车。通过伺服驱动器中的CN中的1号(伺服准备好)信号来控制KA15，由KA15来控制止动线圈，使电机释放刹车，见图5。

在环境温度较高的情况下，伺服驱动器在工作时，自身产生很高的温度，如长期工作，温度持续升高，影响驱动器的稳定性，故在电气控制箱内安装了4只风扇，2只排风，另2只吹风，使电柜内始终有对流风，保证伺服驱动器在正常温度范围内工作。

以上几个部分，已经构成了整个机床的电气控制原理，把所有的电器元器件都安装在一板上，布线时为防止干扰，动力线和控制线尽可能地分开。

为了使驱动器特性、机床规格、功能等具有最大限度地发挥出来，需对驱动器进行参数设定，否则伺服电机无法正常运转，还有对数控系统也进行了许多参数设定，才能真正体现某些特殊的功能，参数的设定只有在调试过程中，通过对各功能的测试，进行设定和修改。

在调试之前，首先要对伺服和数控系统内输入各类参数。

伺服系统参数：

No.3参数功能的作用有多种，具体为：“0”显示电机转速，“1”显示当前位置低4位，“2”显示当前位置高4位，“3”显示位置指令低4位，“4”显示位置指令高4位，“5”显示位置偏差低4位，“6”显示位置偏差高4位，“7”显示位置电机转矩，“8”显示位置电机电流，“9”显示直线速度，“10”显示控制方式，“11”显示位置指令脉冲频率，“12”显示速度指令，“13”显示转矩指令，“14”显示转子绝对位置，“15”显示输入端子状态，“16”显示输出端子状态，“17”显示编码器输入信号，“18”显示运行状态，“19”显示报警代码。现在选择“0”，即显示电机转速。

No.4参数功能是设置驱动器的控制方式，具体为：“0”表示位置控制方式，“2”表示试运行控制方式，“3”表示JOG点动控制方式，“4”表示电机零点测试方式，“5”表示电机测试方式，现在选择“2”，试运行控制方式。

No.5参数是速度比例增益参数。设置值越大，增益越高，刚度越大。在系统不产生振荡的条件下，尽量设定的较大，设定为“155”，范围为5～300。

No.6参数范围为50～3000，设置为2000。该参数表示速度环调节器的积分时间常数，一般若情况下，负载惯量越大，设定值越小，但在系统不产生振荡的条件下，尽量设定的较大。

No.7参数范围为1～300，设置为50，速度调节器输入限幅，数值越小，调速越平稳。

No.8参数范围为20～220，设置为120，表示速度检测低通滤波器的特性，数值越小，电机产生的噪音越小，但如果数值太小，会造成响应变慢，引起振荡，故应取中间值为宜。

No.9参数范围为1～1000，位置环调节器的比例增益。设定值越大，增益越高，刚度越大，位置滞后量越小，但数值太大可以会引起振荡或超调，建议选择128。

No.11参数范围为1～1200，选择16，表示位置环前馈量的低通滤波器截止频率，该滤波器的作用是增加复合位置控制的稳定性。

No.12参数范围为1～9999，设置为1，表示位置指令脉冲的分倍频9即电子齿轮，和No.13参数一起组成电子齿轮比，因此No.13参数也可设为1，在后面的调试中，再根据具体的位置变化进行调整。

No.15参数为位置指令脉冲方向取反，表电机的转速方向。如果正常运转，选“0”，如果说要调整方向，取“1”，暂时设定为“0”，在高度过程中再调整。

No.16参数范围为1～9999脉冲，表示控制下定位完成或脉冲范围。当位置偏差计数器内的剩余脉冲数小于或等于本参数设定值时，驱动器认为定位已完成，发出信号COIN ON否则COIN OFF。故设定值应小一点，以8个脉冲为宜。

No.17参数为位置超差检测范围，范围为0～9999×100脉冲，设定为200，在位置控制方式下，当位置偏差计数器的计数值超过本参数值时，伺服驱动器给出位置超差报警。

No.18参数设置为0，0表示位置超差报警有效；1表示位置超差报警无效，停止检测；2表示停止检测所有报警错误。

No.21参数为JOG，即点动运行速度，暂定为200r/min，范围为-3000～3000r/min。

No.22参数范围为0～9999，设定240，表示电流环调节器的积分时间。如设置值越大，积分速度越快，电流跟踪误差就越上，但积分时间太大，会发生噪声和振荡，与负载无关。

No.23参数范围为0～4000，设定2500，表示伺服电机的最高限速，与旋转方向无关，如果设置超过额定转速，则实际最高限速为额定转速，我们选的电机的额定转速就是2500r/min。

No.24参数范围为-3000～3000，表示电机在测试方式下的电机运行速度，故选择低一些，设定为100。

No.29参数范围为0～9999，表示电流环调节器的比例增益，在系统不产生振荡的条件下，尽量设定的较大，但设定值越大，增益越高，会产生噪音和振荡，故选择3050。

No.33参数范围为0～500，表示电机热过载的转矩起始检测点。设定值是额定转矩的百分比，当电机转矩低于起始检测点时，系统内部的电子热继电器不工作，不检测电机热过载；当电机转矩高于起始检测点时，系统内部的电子热继电器开始工作，产生过载报警，表示电机过热过。故设定为180。

No.34参数范围为0～300％，表示伺服电机的最大负载限制值。在任何时候，此限制都有效，故设定为178。

No.35参数范围为-300～0％，表示伺服电机内部转矩限制值，如设定值超过系统允许的最大过载能力，则实际转矩限制为系统许可的最大过载能力，故设定为-172％。

No.36参数范围为1～1500，表示电流指令低通滤波器的截止频率。另外，还有许多CNC的系统参数和诊断参数。

在伺服电机运转状态下确定三轴移动方向及电子齿轮比的确定：

首先，根据铣床的特点，设定铣床水平面的左右方向为X轴，前后方向为Y轴，工作台升降为Z轴，向加工工件靠近的方向为负方向，离开工件的方向为正方向。按下单步方式键后，分别选择移动轴，当选择+X方向时，应该工作台水平面的左右方向向离开工件的方向移动，如相反，则参数NO.15(位置指令脉冲方向)设置为1，反之为0，经对三轴的测试，X轴和Z轴的方向相反，把X轴和Z轴驱动器参数NO.15设置为1，Y轴驱动器参数NO.15设置为0。

第二，所谓的电子齿轮比G就是指工作台实际移动的距离与所发出的多少脉冲数之比，由于它的计算相对复杂，牵涉到机床的许多机械参数，无法计算，故使用一个最直接的方法来算出这个电子齿轮比。

按下手轮方式键，选择“1”移动量，在工作台的任一方向安装一标尺，转动手轮，显示器上显示的数字为100.00mm，而通过标尺观察，工作台实际移动了20.00mm，通过多次试验，三个方向均为1∶5的关系，故得出电子齿轮比为1∶5，它由参数NO.12和NO.13设定，NO.12为电子齿轮比的分子，NO.13为分母，故设定NO.12为1，NO.13为5，设定后再测试，显示器显示的任一数字即为移动的实际距离。

其它电机和泵的测试：

1、在选择录入方式下，按“程序”键，分别键入S01，S02，S03指令，三个电磁离合器吸合正常，在输入S01指令后，同时输入M03指令，主轴电机起动，铣刀运转正常，然后再键入S0指令，电磁离合器松开，同时输入M05指令，主轴电机经过2秒后，完全停止，说明能耗制动起作用，同样的操作下，分别试另二个离合器，主轴电机运转正常。其中在S03离合器作用下，主轴是以最快速度1400转/分运转，因为此时电机主动轴直接带动刀头运转，而电机是四极电机，最高速为1450转/分，在S01离合器作用下，速度最慢。

2.键入M08指令后，冷却泵旋转，但出口处没有冷却油出来。更换二相电源线后再试，出口处有冷却油出来，冷却泵正常。再键入M09指令后，冷却泵停止。

3.键入M10指令后，MC5得电，齿轮润滑泵起动，马上可以看到在主轴齿轮箱时有润滑油出来，再键入M11指令后，齿轮润滑泵停止。

4.键入M32指令后，MC7、MC6得电，二个丝杆齿轮润滑泵起动，其中一只泵不出润滑泵，更换相位后，出油，再键入M33指令后，泵停止，说明正常。

机械零点即参考点的测试：

机械零点对于数控设备来说是一个很重要的概念，因为每次开机后，都要进行机械零点回归这个动作，并且作为加工零件的坐标参考点。先对系统参数025、026、027进行快速速度的设定，它们分别代表X轴、Y轴、Z轴快速移动速度。数值为3000毫米/分，再对039号参数进行设定，值为200毫米/分，它代表了三轴返回参考点时的低速。

以上调试程序结束，说明该机床可以进行编程操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种数控铣床，包含：中央处理器、存储器、显示控制单元、输入单元、输出单元、系统电源以及位置接口单元，所述中央处理器通过总线连接所述存储器、显示控制单元、输入单元、输出单元、系统电源以及位置接口单元，其特征在于，所述位置接口单元连接伺服单元，所述伺服单元控制x、y、z三轴伺服电机，其中x、y轴伺服电机的零速转矩为5Nm、功率为1.3KW，z轴伺服电机的零速转矩为7.7Nm、功率为1.6KW，且所述z轴伺服电机带有失电制动器。

2.根据权利要求1所述的数控铣床，其特征在于，还包含主轴电机、油泵、冷却泵以及润滑泵，所述主轴电机、油泵、冷却泵以及润滑泵均由带热饱和的接触器控制。

3.根据权利要求1所述的数控铣床，其特征在于，所述伺服单元的输入、输出指令单位均为0.001mm，最高快速速度为4500mm/分钟，最高给进速度为3000mm/分钟。

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