三维雕刻机控制系统设计毕业设计

三维雕刻机控制系统设计毕业设计内容摘要：

步进电机 步进电机型号和技术要求如下表所示： 表 21 步进电机技术数据 货 物 编码 步进电机型号 相数 步 距 角（ 176。 ） 静 态 相电流（ A） 相电阻（Ω） 062534 60BYG3250DLSSASSML0551 3 相 电 感（ mH） 保持转矩（ N m） 定位转 矩（ N m） 电压（ VDC） 重量（ Kg） 转 动 惯 量（ g cm） 24~70 480 步进电机驱动器的选择 步进电机驱动器的选择为与步进电机所 适配的驱动器，为森创数字三相步进电 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 8 机细分驱动器，型号为 SD30807，如下图所示。 图 25 SD30807步进电机驱动器 下面简单的介绍一下该驱动器的功能及使用： 特点 其特点是功能及使用显著特点采用 32 位 DSP 为内核的全数字控制方式，先进的空间矢量算法优化低速振动和高速性能，可以实现多种电机的自适应匹配寻优控制方法，软件更新、升级方便。 采用了柔性细分算法，使驱动器无论设置何种细分电机都可保持最佳的运行性能，极大的改善了低细分下的平稳性和噪音。 即使用户由于控制系统输出脉冲频率的限制不能采用较高的细分选择，也可以获得低速平稳性和高速性的兼得，从而降低对控制系统的要求，有利于降低系统的整体成本提高性能，实现 低振动、低噪音和低功耗。 电源 电源本驱动器标准型采 用直流电源供电，由机壳正面的指示灯指示。 电源电压在 24V~ 70VDC 之间都可正 常工作。 考虑到电网的波动，采用线性整流电源时，变压器副边空载输出电压建议小于 50VAC。 采用较低的电源电压会使电机高速运行力矩下降，但有助于驱动器降低温升和增加低速时的运行平稳性。 所加电源的瞬间输出能力应不少于电机的额定相电流，电源电压越低则 对电源电流输出能力的要求越大。 接线时务必注意电源 ，切勿反接。 输出电流选择 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 9 输出电流选择本驱动器采用双极恒流方式，最大输出电流值为 （峰值） ， 通过驱动器侧板第 5， 6， 7 三位开关的不同组合可以方便的选择八种电流值，从 到 （详见 下表 ） ， 注：用户对输出电流的更改必须给驱动器重新上电才可生效。 表 22输出电流选择表 SW5 SW6 SW7 电流 OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF ON OFF OFF OFF ON ON ON OFF ON OFF ON OFF ON ON ON ON ON 细分选择 用户可以通过驱动器面板上 的第 4 四位拨码开关选择共 16 种细分模式，用电机每转的步数标识，既可以实现常用的两相步距（如两相标准半步 400 步 /转）也可以提供类似五相的步距（如五相 标准半步 1000 步 /转），用户可以根据需要自行选择细分（详见下表）。 注：用户对细分模式的更改需要驱动器重新上电方可生效。 表 23细分模式选择表 SW1 SW2 SW3 SW4 每转步数 SW1 SW2 SW3 SW4 每转步数 ON ON ON ON 30000 OFF OFF ON OFF 3200 OFF ON ON ON 10000 ON ON OFF OFF 2020 ON ON ON OFF 8000 OFF ON OFF OFF 1600 ON OFF ON ON 7500 OFF ON OFF ON 1000 OFF ON ON OFF 6400 ON OFF OFF OFF 800 OFF OFF ON ON 6000 OFF ON OFF OFF 600 ON ON OFF ON 5000 OFF OFF OFF ON 500 ON OFF ON OFF 4000 OFF OFF OFF OFF 400 单脉冲方式 驱动器支持标准单脉冲模式， 步进脉冲由脉冲端入，由方向端电平高低决定 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 10 电机的运转方向。 注：驱动器上电 10秒后才可接收脉冲。 自动半电流 驱动器工作若连续 秒没有接收到新的脉冲则自动进入半电流状态，相电流降低为标准值的 50%，达到降低功耗的目的，在收到新的脉冲时驱动器自动退出半电流状态。 脱机功能 输入脱机信号时，驱动器将切断电机各相绕组电流使电机轴处于自由状态，此时步进脉冲将不能被响应。 此状态可有效降低驱动器和电机的功耗和温升。 脱机控制信号撤消后驱动器自动恢复到脱机前的相序并恢 复电机电流。 当不需用此功能时，脱机端可悬空。 自测模式开关 用户可以通过驱动器面板上的第 8 位拨码开关选择自测模式的开放与关闭，自测模式开放时，驱动器将 在每次上电之初对电机参数进行观测，并自动寻求最优控制参数。 自动测试功能关闭时，驱动器将调用上一次测量的电机参数进行工作。 因此当用户首次使用驱动器和电机时应该采用自测模式进行电机参数的自适应匹配，之后就可以将开关设定为‘ OFF’，锁定当前参数。 当工作状态发生变化后可以重新自 测寻优。 自测设定只在每次驱动器上电时进行处理，因此第 8 位拨码开关状态的变化只 能在驱动器重新上电后生效。 过压保护 当电源电压波动或电机制动等原因造成直流母线电压超过 80VDC 时，驱动器过压保护电路动作，驱动器报警灯（红色）闪烁，驱动器暂停驱动电机，需人工断电再上电才可解除报警。 出现该故障后用户需要检查电源电压，适当降低输入的电源电压。 欠压保护 驱动器检测到输入直流母线电压低于 15VDC 时，驱动器欠压保护电路动作，驱动器报警灯（红色）闪烁，驱动器将暂停驱动电机，需人工断电再上电才可解除报警。 出现该故障后用户需要检查电源电压和容量，适当提高输入的电源电压。 功能状 态指示 黄色 LED 为电源指示灯，当驱动器接通电源时，该 LED 常亮；当驱动器切断电源时，该 LED 熄灭。 红色 LED 为故障指示灯，当出现故障时，该指示灯以不 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 同方式亮灭。 红色 LED 不同的亮灭方式代表不同的故障信息，具体关系如下 图 所示： 图 26 功能状态指示图 控制方式及典型接线图 1） 脉冲信号输入 驱动器端置光耦，光耦导通一次被驱动器解释为一个有效脉冲。 对于共阳极而言低电平为有效，此时驱动器将按照相应的时序驱动电机运行一步。 单脉冲模式时此信号端 作为脉冲输入信号。 为了脉冲信号的可靠响应，光耦每次导通的持续时间不应少于 2μ s。 本驱动器的信号响应频率为 200KHz，过高的输入频率或不符合标准的脉冲宽度将 可能得不到正确响应。 2）方向 信号输入 单脉冲模式下该信号作为控制电机的转向信号，该端内部光耦的通、断被解释为控制电机运行的两个方向。 控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少 5μ s 建立 ,从而避免驱动器对脉冲的错误响应。 3）脱机 信号输入 内部光耦处于导通状态时电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。 光耦关断后电机电流恢复到脱机前的大小和方向。 当不需用此功能时，脱机信号端可悬空。 根据上述对驱动器的介绍，可以根据所驱动的电机的要求选择恰当的电流，也可以根据精度的要求选择细分来满足精度要求。 选择好电流和细分，然后根据驱动器提供的接口 选择恰当的电路接法，本设计中使用的为共阳极接法，在此不再赘述，在下面会详细介绍。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 变频器的选择 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的，正如公式： n=60f(1s)/p，电机的磁极对数 p已经确定，则电机的转速 n与电源频率 f成正比，通过调节频率来控制电机的转速。 本次设计采用的是西门子 MM420 变频器，如下图所示。 图 2 图 27 MM420结构图 电主轴的选择 电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。 高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。 机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。 这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。 本次设计为了将雕刻机变得简单和方便使用，故采用电主轴结构。 本次设计所采用的电主轴为常州市武进区横林精工电机厂所生产的电主轴，型号及参数如下表所示。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 13 表 24电主轴参数表 型号 外形尺寸 (Φ m/m) 转 速 （ RPM） 电 压 （ V） 频 率 （ HZ） 额定功率 （ KW） GDJ14 Φ 80*180 1000024000 380 400 4 轴承 冷却方式 润滑方式 相 数 用 途 夹 具 （ mm） 7002C/P4*2 水冷 油脂 3 雕刻机、数控钻铣 ER16 电主轴使用时，按要求连接电主轴进出水管接头，检查连接处是否漏水和通畅。 水冷电主轴的冷却系统系统应于机床的总开关连接；开机后至停机的中间，冷却系统系统应连续工作； 冷却液水量按 升 /千瓦分钟计算，冷却液流量按 3～ 6 升/分钟，小的电主轴取小值，大的电主轴取大值；冷却液要求使用单独水箱，冷却液要求每月定期更换；冷却液的温度应低于环境温度 3～ 5℃为宜，最好控制在 25℃左右。 选择变频器应与电主轴的电压、功率、频率相匹配来配套使用。 设置变频器首先设置变频器的基准频率，变频器的基准频率按电主轴的最高频率设置。 变频器的最高频率、转折频率和对应的电压按电主轴的频压曲线对应设置；变频器的电流按电主轴的额定电流设置；载波频率按电主轴的功率大小设置，小于 10 kw 电主轴按 8kHz 设置，大于 10kw 电主轴按 5kHz 设置；增、减速时间按 10s。