CA系列数控机床电机转换器的参数优化及CAD设计.docx
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CA系列数控机床电机转换器的参数优化及CAD设计
优秀设计
【CA系列数控机床电-机转换器的参数优化及CAD】
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二0一三年六月
摘要：
数控技术发展飞速的今天，数控技术在现代制造业发挥越来越重要的作用，数控机床是数控制造业的核心，本文主要介绍了对数控车床的电气系统设计的过程。
CNCA系列是基于华中数控系统HNC-21的基础上设计制造的新一代的数控车床，对其电气系统设计使尤为重要的，其内容包括强电设计、弱点设计、PLC输入输出及接口设计，绘制出整个机床的电气系统原理图等。
本设计给出了整个机床的原理图绘制过程，重点部分模块化，较详细地介绍了各个部分的功能及用途。
分为380V强电回路，控制回路，PLC输入输出控制，主轴驱动模块和进给伺服驱动模块，并介绍了相关的电气知识。
通过本设计说明书可以基本上掌握数控车床的电气原理，以及基本的电气常识，使读者无论是从整体上还是各个模块中都能够了解到数控车床相关的一系列电气知识。
关键词：
数控系统；数控车床；主电路；控制电路；PLC控制；电气原理图
Abstract
Thenumbericalcontrolsthatthetechniquedevelopmentfasttoday,thenumbericalcontrolstechniqueatthemodernmanufacturingindustryexertivemoreandmoreimportancefunction,numbericalcontroltoolmachineisnumbercontrolamanufacturingindustryofcore,thistextmainlyintroducedlogarithmstocontroltheprocessceedthattheelectricitysystemoflatherdesign.
CNC6136AsisaccordingtoHuanumbercontrolthesystemHNC-21ofthenumberofthenewgenerationofthefoundationtopdesignmanufacturingcontrollather,astoit'stheelectricitysystemdesignmakeisimportant,itscontentsincludesastrongelectricalydesign,weaknessdesign,PLCimportationoutputandInterfacedesign,drawtheelectricitysystemprinciplediagramofathewholetoolmachineetc..
Thisprinciplediagramwhichdesignstothewholetoolmachinedrawsprocessandthepointpartsofmoldpieceturnandcomparedtoindetailintroduceeachfunctionanduseofpart.Isdividedintothe380Vsstrongelectricitybacktrack,controlbacktrack,thePLCimportation
outputsacontrol,theprincipalaxisdrivesamoldpieceandenterstoservodriveamoldpiece,andintroducedrelatedelectronicknowledge.
Throughthisdesignsystermcanbasicallycontrolnumbericalcontroltheelectricityprincipleoflather,andbasicelectroniccommonsense,makethereaderregardlesscanunderstandnumbricalcontrolthelatherrelatedseriesofelectricityknowledgefromwholelythetopstilleachmoldpiece.
KeywordsNCsystem;NClathe;Maincircuit;Controlcircuit;PLCcontrol;Electricprinciplecharts
第一章绪论3
1.1引言3
1.2数控车床的现状与发展方向4
1.3主要技术9
第二章数控车床主要控制电路设计10
2.1数控车床常用电气元件10
2.2380V强电控制回路20
2.3电源回路27
2.4交流控制回路27
2.5直流控制回路29
第三章PLC输入输出控制30
3.1可编程控制器概述30
3.2PLC输入/输出与通信接口34
第四章伺服驱动进给系统设计40
4.1概述40
4.2伺服驱动进给装置的接口设计42
第五章主轴控制系统设计45
5.1概述45
5.1.1主轴驱动变速的三种形式45
5.1.2调速的主要指标45
5.2交流主轴驱动装置的特性47
5.3主轴驱动装置的接口设计48
结论.............................................50
参考文献........................................51致谢.............................................52
绪论
机床是对金属或其它材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何精度和表面质量的机器，机床是用以制造一切机械（包括能制造机床自身）的机器，机床是机械制造业的基本加工装备。
它的品种、性能、质量和技术水平直接影响着其它机电产品的性能、质量、生产技术水平和企业的经济效益。
随着科学技术的高速发展，以电子信息技术为主体，世界机床产业已进入机电一体化时代，其代表产品就是数控机床。
1.1引言：
CNCA数控车床就是典型的现代化设备，它的出现是机械加工设备的新突破。
随着科学技术和市场经济的不断发展，人们对机械产品的质量、生产率和新产品开发的周期提出了越来越高的要求，所以，新一代的数控车床便应运而生。
CNCA数控车床是基于华中数控“世纪星”HNC-21TD系统的数控车床，其中一个主要的环节就是电气系统设计,其中包括强电设计，弱电设计，以及PLC接口设计等。
电气系统是整个车床的控制中心，所以设计工作尤为重要。
1.2数控车床的现状与发展方向
数控车床的现状：
1．床身和导轨
（1）床身
机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件，床身的结构对机床的布局有很大的影响。
一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。
平床身工艺性好，易于加工制造。
由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。
平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。
（2）导轨
车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。
滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。
但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生行现象。
目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。
它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。
导轨刚度的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状。
2．主轴变速系统
经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。
而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。
目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。
由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。
主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩。
3．刀架系统
数控车床的刀架是机床的重要组成部分。
刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。
在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。
随着数控车床的不断发展，刀具结构形式也在不断翻新。
刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。
由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。
此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。
按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。
4．进给传动系统
数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。
这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。
数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。
驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。
机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。
检测元件与反馈电路组成检测系统。
进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。
闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。
根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。
半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。
前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。
全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。
开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。
由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。
全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。
因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。
闭环系统中采用的位置检测装置有：
脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。
数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。
伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。
交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。
数控车床发展趋势：
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
当前数控车床呈现以下发展趋势。
1．高速、高精密化
高速、精密是机床发展永恒的目标。
随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。
为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。
另一方面，电主轴和直线电机
的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。
数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。
采用电_乇轴结构可使主轴转速达到10000r／min以上。
直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。
用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙（包括反向间隙），运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极人地提高了伺服精度。
直线滚动导轨副，由于其具有各向问隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。
通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的10～20m／min提高到60～80m／min，甚至高达120m／min。
2．高可靠性
数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。
数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。
3．数控车床设计CAD化、结构设计模块化
随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。
CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。
在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。
采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。
通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。
4．功能复合化
功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。
通过功能的复合化。
可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。
5．智能化网络化、柔性化和集成化
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。
智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：
为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容、以方便系统的诊断及维修等。
网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。
数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。
数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：
从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS，分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。
柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。
其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。
CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。
数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。
网络系统向开放、集成和智能化方向发展。
1.3主要技术
此研究课题在现代数控机床的技术核心基础上，对采用华中数控“世纪星”HNC-21T系统的数控车床的电气系统设计，此设计本着在最大限度地实现数控车床机械设计和工艺的要求，保证数控车床稳定、可靠地运行，便于组织生产、降低生产成本、保证产品质量和加工过程安全的基础上进行设计。
包括380V强电回路设计，交流、直流控制回路设计，PLC输入、输出以及接口设计、主轴驱动单元以及伺服驱动进给单元设计。
整台数控车床全部的电气控制系统如图1-1所示。
图1-1数控机床电气控制系统
第二章数控车床主要控制电路设计
2.1数控车床常用电气元件
1．低压断路器
低压断路器又称为自动空气开关，是将控制和保护的功能合为一体的电器。
它常作为不频繁接通和断开的电路的总电源开关或部分电路的电源开关，当发生过载、短路或欠压等故障时能自动切断电路，有效地保护串接在他后面的电器设备，并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件。
（1）塑料外壳式断路器
图2-1塑料外壳式断路器外形图、电气图形及文字符号
塑料外壳式断路器由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统组成，均安装在塑料外壳内组成一体，如图2-1所示。
机床作为配电、电动机的过载及短路保护用，亦可作为线路不频繁转换及电动机不频繁启动之用。
（2）小型断路器如图2-2所示
图2-2小型断路器外形图、电气图形及文字符号
机床作为过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁的通断电器装置和照明线路。
2．接触器
接触器是一种用来频繁地接通或分断电路带有负载（如电动机）的自动控制电器。
接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。
如图2-3（a）、2-3（b）所示，其工作原理是当线圈通电后，铁芯产生电磁吸力将衔铁吸合。
衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。
当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触点系统随之复位。
按其主触点通过电流的种类不同，可分为直流、交流两种。
机床上应用最多的是交流接触器。
图2-3（a）交流接触器外形图
图2-3（b）交流接触器电气图形及文字符号
3．继电器
继电器是一种根据输入信号的变化接通或断开控制电路的电器。
继电器的输入信号可以是电流、电压、等电量，也可以是温度、速度、等非电量，输出为相应的触点动作。
继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：
电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器等。
按工作原理可分为：
电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器等。
（1）电磁式继电器，如图2-4（a）、2-4（b）所示
图2-4（a）电磁继电器外形图
图2-4（b）电磁式继电器电气图形及文字符号
电磁式继电器的结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是有电磁机构、触点系统和释放弹簧等部分组成。
根据外来信号（电压或电流）实衔铁产生闭合动作，从而带动触点动作，使控制电路接通或断开，实现控制电路的状态改变。
但是，继电器的触点不能用来接通和分断负载电路。
由于电磁式继电器具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等一系列优点，故在数控车床电气控制系统中应用最为广泛。
电磁式继电器按吸引线圈电源种类不同，有交流和直流两种。
按功能分分为电流继电器、电压继电器和中间继电器。
（2）时间继电器如图2-5所示
时间继电器是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器，按其动作原理与构造不同，可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等类型。
机床控制电路中应用较多的是空气阻尼式时间继电器，晶体管式时间继电器也获得愈来愈广泛的应用。
数控机床中一般由计算机软件实现时间控制，而不采用时间继电器方式来进行时间控制。
图2-5时间继电器电气图形及文字符号
（3）热继电器如图2-6（a）、2-6（b）所示
图2-6（a）热继电器外形图
图2-6（b）热继电器电气图形及文字符号
热继电器是一种利用电流热效应工作的保护电器。
热继电器由发热元件（电阻丝）、双金属片、传导部分和常闭触点组成，当电动机过载时，通过热继电器中发热元件的电流增加，使双金属片受热弯曲，带动常闭触点动作。
热继电器用于电动机的长期过载保护。
（4）固态继电器如图2-7所示
图2-7固态继电器电气图形及文字符号
固态继电器，简称SSR,是一种新发展起来的新型无触点继电器。
固态继电器使用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。
因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。
4．变压器
变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器。
（1）机床控制变压器如图2-8（a）、2-8（b）所示
机床控制变压器适用于频率50Hz～60Hz，输入电压不超过交流660V的电路。
常作为各类机床、机械设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器、局部照明及指示灯的电源。
图2-8（a）机床控制变压器外形图
图2-8（b）双绕组变压器电气图形及文字符号
（2）三相变压器如图2-9（a）、2-9（b）所示
在三相交流系统中，三相电压的变换可用三台单相变压器也可用一台三相变压器来实现。
从经济性和缩小安装体积等方面考虑，可优先选择三相变压器。
在数控机床中三相变压器主要是给伺服驱动系统供电。
图2-9（a）三相变压器外形图
图2-9（b）三相变压器电气图形及文字符号
5．直流稳压电源如图2-10（a）、2-10（b）所示
直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。
在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器、信号指示灯等提供直流电源。
图2-10（a）开关电源外形图
图2-10（b）直流稳压电源电气图形及文字符号
6．熔断器
熔断器是一种广泛应用的最简单的有效的保护电器。
在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔断体能自动迅速的熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏。
熔断器主要由熔断体（俗称保险丝）和熔座（俗称保险座）两部分组成。
如图2-11（a）、2-12（b）所示。
图2-11（a）熔断器及熔断隔离器外形图
图2-11（b）熔断器电气图形及文字符号
7．开关电器
（1）行程开关如图2-12（a）、2-12（b）所示
行程开关是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器，用来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护。
图2-12（a）行程开关外形图
图2-12（b）行程开关电气图形及文字符号
（2）接近开关如图2-13（a）、2-14（b）所示
接近开关是非接触式的监测装置，当运动着的物体接近它到一定距离范围内，就能发出信号。
从工作原理看，接近开关有高频振荡型、感应电桥型、霍尔效应型、光电型、永磁及磁敏元件型、电容型、超声波型等多形式。
图2-13（a）接近开关外形图
图2-13（b）接近开关电气图形及文字符号
2.2380V强电控制回路
图2-14380V强电回路（a）
图2-14为数控车床的主电路的一部分，也是机床的动力电路，断路器QF1为机床电源的总开关，亦用来对整个动力线路进行过载及短路保护，交流接触器KM2和KM3采用互锁连接用来控制主轴电动机M1的正反转，断路器QF3作为主轴电动机的过载及短路保护；伺服变压器TC1是将交流380V电压转换为交流220V电压给伺服模块供电，QF2作为伺服强电的过载及短路保护，KM3用作开关控制，灭弧器RC1、RC2用来保护交流接触器的主触
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