铝材钻铣机控制系统设计——三轴-轴组使用（含伺服选型计算公式）——纯干

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近些年来，铝型材门窗的市场需求量急剧增加。但是目前市面上的铝型材门窗生产大多还在采用人工，这种生产方式效率低、操作过程繁琐、人工成本高。本课题设计出一款全自动铝材钻铣机，在保证高精度生产的同时提高生产效率，提升自动化生产程度。

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程序和电路图在文章最底部

本设计选用信捷XDH-30A16L-E型号PLC作为控制核心，采用汇川SV680N系列伺服驱动器和汇川MS1系列伺服电机作为执行机构，采用光栅尺位移传感器作为直线位移检测装置，搭建全闭环运动控制系统，实现对伺服电机高速、高精度的控制。本设计主要通过轴组对程序进行编写，将铝材钻铣机三个进给轴组织成一个逻辑单元，实现三轴的协同操作。采用任意换刀方式，为加工提供不同刀具，以实现工艺的不同加工需求。本设计通过XDPPro V3.7.17b软件对程序进行编写，采用信捷TG系列TG765S-MT型号触摸屏作为上位机实现人机交互，从而实现对加工参数的更改。

通过使用伺服驱动器连接伺服电机编码器和光栅尺位移传感器，搭建全闭环系统，完成对铝材钻铣机控制系统的设计。选用EtherCAT通讯协议，采用对应的通讯接口，配合上位机实现多台伺服驱动器联网运行，从而实现速度快、响应性好、数据传达准确的通讯效果。在保证生产效率和产品质量的同时实现了多刀头更换功能，不仅可以满足大多数用户的加工需求，而且节约了手动换刀所需时间。实现了生产自动化程度的提升，不仅可以降低安全风险，而且可以降低生产成本、提高生产效率、降低产品价格，从而提高产品市场占有率。

一、系统总体结构和控制方案

铝材钻铣机主要由床身和自动换刀系统两部分组成。床身作为构成整个机床的基本结构，承载着各种运动部件和执行部件。而自动换刀系统是用来储备一定数量的刀具，并且可以按照不同的加工需求为主轴提供不同刀具的装置。

床身是铝材钻铣机的基础支承部位，承载着整个机床的重量和加工负荷。床身是铝材钻铣机的主体，主要用于装夹和定位加工工件并进行钻铣加工。床身一般由上、下两部分组成，上床身要放置导轨、电机和主轴等关键部件，具体机械结构。上床身通过滑道和导轨与下床身连接，下床身则是通过脚座与地面连接，以确保机床在静止和加工两种状态下都能够得到足够的支撑和固定。

床架用来支撑铝材钻铣机各个关键部件，包括主轴支架、三个轴的导轨、主轴夹持、主轴以及伺服电机等，床架的稳定性和精度对加工成品的质量和效率具有重要影响。主轴支架是主轴的支撑部件，使主轴获得稳定的支撑，保证主轴在运转过程的稳定性和高精度性。导轨在铝材钻铣机中起着精密定位作用和导向作用，通过旋转丝杠实现导轨上工件的精准直线运动，丝杠由伺服电机驱动，将伺服电机输出的旋转运动转换为铝材钻铣机需要的直线运动。主轴主要用来夹持刀具，刀具夹持在主轴上，由伺服电机驱动使刀具旋转对工件进行加工。铝材钻铣机上床身机械结构如图所示。

二、控制系统的工艺流程

首先将需要加工的铝型材安装和固定在床架的加工台上，确定装夹稳定、牢固后对加工刀具进行选择，根据不同的加工需求选择不同的刀具。刀具选择完毕后，X、Y轴导轨运动，使需要加工的铝型材原料处于主轴的正下方，移动的过程中由光栅尺位移传感器和编码器对加工台上铝型材原料进行位置检测。移动完毕后，主轴电机驱动刀具旋转，准备对铝型材进行钻铣加工。主轴竖直向下运动到铝型材正上方进行钻铣加工，加工过程中X、Y方向的导轨会同时运动，来确保加工出来的效果可以满足工艺需求。加工完毕后，主轴会走过安全的归位路径，进行自动归位。

三、系统控制方案的确定

以PLC作为控制核心，结合工况参数搭建铝材钻铣机控制系统，实现多刀头切换功能，精度误差控制在±20丝内。伺服驱动器选用EtherCAT型小体积伺服驱动器，采用EtherCAT通讯协议，对PLC进行通讯和控制。PLC通过控制X、Y、Z三个坐标轴电机和主轴电机运动，来实现对铝材的钻铣加工。通过伺服驱动器连接光栅尺位移传感器和伺服电机编码器，来对铝材钻铣机上工件和刀具的位置进行实时监测、调整和控制，从而确保工件加工的精度和稳定性。如果需要满足其他加工需求，此时PLC会控制自动换刀系统进行换刀，将需要用到的刀具换到主轴上，再对工件进行钻铣加工。

四、伺服电机选型（以M2电机为例其它电机同理）

本设计采用运动部件重量为M=5kg，丝杠导程P_h=1cm,丝杠直径D_B=5cm，导轨其他部件重量为M_B=10kg。重力加速度g=9.8m/s²，机械效率η=0.9，滑动表面摩擦系数μ=0.2，负载移动速度V=15m/min，全程移动时间t₁=1.4s，静止时间t₂=0.3s，加减速时间t₃=t₄=0.1s。

（1）负载折算到电机轴上的转动惯量为：

 

（2）丝杆转动惯量为:

 

（3）总负载惯量为：

 

（4）电机转速：

电机所需要的转速V应该控制在电机额定转速n_nom之内。

 

（5）电机驱动扭矩：

电机克服负载和自重所需转矩：

 

电机加速度a=15/60/0.1=0.25m/s²，铝材加速时所需转矩：

 

丝杠加速时所需要转矩：

 

加速总转矩：

 

使用中最大转矩:

 

电机功率：

 

由以上结论科可知，本设计需要电机的额定转矩不得低于5.54N.m，并且电机的额定功率不得低于0.87kW。出于安全角度和经济角度考虑，选用汇川MS1H3-13C15CD-A63*R型号伺服电机。

五、部分程序

六、部分电路图

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