数控铣床控制系统设计文档格式.docx
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1）、掌握简单数控铣床控制系统的设计过程
2）、掌握常用数控系统NUM102）的操作过程
3）、掌握交流伺服电机的工作方式及应用过程
4）、了解数控系统内置式PLC的实现原理及编程方式
5）、掌握数控系统自动控制功能程序的设计及开发过程
1.2使用设备
1）、NUM102数控系统一套
2）、安川交流伺服电机3套
3）、计算机及梯形图编辑软件一套
1.3设计内容及要求
1）、以实验室现有的设备NUM102数控系统）作为控制器，参照实验室现有的数控铣床的功能，完成一台具有3轴联动功能的数控铣床的电气系统设计过程。
2）、移动轴（3轴）采用实验室现有的交流伺服电机进行驱动，采用半闭环位置控制模式。
3）、主轴采用实验室现有的变频调速器进行设计驱动，系统不要求具备自动换刀功能。
4）、完成PLC输入输出点的分配。
5）、具有行程及其他基本的保护功能。
6）、设计相关功能的梯形图控制程序（要求具有：
手动进给功能、手轮进给功能、MDI功能、自动控制功能及各种基本的逻辑保护功能）
7）、完成设计报告
2NUM1020控制系统设计
2.1功能概述
此三轴联动数控铣床由X、Y、Z轴三轴及主轴组成，X、Y、Z轴采用伺服电
机传动，由伺服驱动器驱动。
主轴采用普通三相异步电机，由变频器驱动。
数控系统采用NUM1020数控系统。
由NUM1020数控系统作为控制核心，三台伺服驱动器通过NUM1020系统的轴卡地址编码控制，主轴变频器由数控系统的
PLC输出模拟量控制，同时变频器反馈速度模拟量输入到PLC系统框图如图1
所示。
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HMI
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图1功能概述图
2.2主要元器件选型
2.2.1电机选型
性能参数设计指标：
（1）工作台质量m=510kg（所受的重力W=5000N）；
（2）主轴部分工作部件质量m=510kg（所受的重力W=5000N）；
（3）工作台的最大行程Lp=600mm；
（4）工作台X轴和Y轴最大移动速度Vmax=9000mm/min；
（5）z轴最大移动速度为3000mm/min；
（6）主轴最大转速n=2000n/min；
（7）最大切削力F=1000N
（8）铣刀最大直径d=20mm；
（9）工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数卩=0.15
（10）位置控制精度0.01mm。
2.2.1.1X轴和Y轴驱动电机选型：
X、丫轴为平动，电机驱动力仅需要克服平动所受到的导轨的摩擦力，因此
电机所需功能较小。
所需驱动功率
假设电机传动效率为n=09贝U电机最小功率为p_仁p/n=0.13kW
2.2.1.2Z轴驱动电机选型：
Z轴电机驱动主轴部件移动时，需要克服工作部件的重力，所需要电机功能
较大
假设电机传动效率为n=09贝U电机最小功率为P_2=P/n=0.28kW
2.2.1.3主轴轴驱动电机选型：
依据性能参数设计指示，最大切削力F=1000N铣刀最大直径d=20mm所需电机最大转矩T
由公式得
查电机型号选型手册，低功率交流电机的转速较大，没有2840n/min及以
下的，因此，此处电机扭矩计算按电机转速3000n/min计算：
假设电机传动效率为n=09贝U电机最小功率为P_2=P/n=3.5Kw
根据以上计算，X、丫、Z轴的伺服电机选用日本安川品牌的交流伺服电机,主轴选用西门子品牌的三相异步电机。
电机型号如下表所示：
轴
型号
转速
功率
扭矩
编码器
X
SGMGH054AAA2S
；
1500r/min
0.45KW
490Nm
17比特
增量式
丫
Z
SGMGH20ACB2S
1000r/min
2.0KW
1176Nm
主轴
Y112M-2
2890r/min
4.0KW
13.2Nm
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课程项目设计报告
221.4控制精度验算:
设齿轮传动比，丝杆导程为t=6mm，贝U控制精度为
符合设计精度指示要求。
2.2.2伺服驱动器与变频器选型
因驱动电机选取的是安川品牌的伺服电机，为了使系统性能更优，方便维护，选取安川品牌的伺服驱动器，型号与伺服电机对应。
变频器选型台达品牌的通用型号。
如下表所示：
伺服器与变频器型号
品牌
安川
SGDM05AD
Y
SGDM20ADA
2KW
变频器
台达
VFD750B43A
5KW
2.3电路原理设计
2.3.1电源供电设计
图2所示是铣床数控系统输入电源电路部分。
其中L1、L2、L3为火线，构成三相交流380V供电线；
N为零线；
PE为地线。
一台伺服电机额定电流8A,整个系统估计30A,初定40A,选用14平方铜线。
电源总开关采用断路器，对电路过载及过流保护。
通过三相隔离变压器，将三相交流380V电压转换成三相交
流220V电压对伺服电机的供电，三台伺服电机的总功率是2.9KW变压器功率
选4.5KW加入220VAC-24VD（电源模块，将两相220V交流电压转换成24V直流电压，对NUh系统及其PLC输入输出部分供电。
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图2电源供电设计
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图3驱动电路设计
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2・3・2驱动电路设计
如图3所示，X、Y、Z轴伺服电机连接伺服驱动器，主轴电机连接变频器，变频器的电路接通及正反转控制由NUM系统的PLC输出电路控制。
主轴电机由接入变频器，由AC380V供电。
冷却液泵采用三相AC380V的电机驱动，功率为40W。
电路中采用断路器对电路进行过载及短路保护。
2.3.3电机编码器与伺服驱动器连接设计
如图4所示，为电机编码器与伺服驱动器连接，采用速度控制模式
X、Y、Z轴的接线方式相同
图4电机编码器与伺服驱动器连接电路
2.3.4手轮与轴卡连接设计
■:
■I:
IlOiL1
2.3.5铳床控制电路设计
冷却
Y轴
Z5+H
伺JR
液开
HJK
伺服
ON
正转
反转
启
增动
启动
03010
05011
O5C'
4
0500.5
□500.4
OWC5
外那运
1UU
强电允订
图6铣床控制电路
如图6所示，继电器部分KA>
~KA10为直流24V中间继电器，由输出开关量
控制，主要控制主轴正反转、冷却电动机及伺服控制等。
图中S1、S3分别为X
轴的正、反超程限位开关的常闭触点；
S3、S4分别为Y轴的正、反超程限位开关的常闭触点；
S5、S6分别为Z轴的正、反超程限位开关的常闭触点，它们结合伺服系统的运行标志位来控制系统的运行允许继电器。
伺服ON是来自伺服
电源模块与伺服驱动模块的故障连锁。
2.4控制系统设计
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Z4血力I电
睜初|汕开氓主鞘电机iE转主轴电机廉转
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图7PLC接口
如图7所示，根据系统控制对PLC的输入输出端口进行分配，输入开关量主要有进给装置、主轴装置、冷却液等的状态信息，输出开关量控制是相应的
继电器工作
2.4.1控制系统功能设计
字段值
定义
%M
存储型公共变量
%V
非存储型公共变量
%I
输入/输出（I/O）接口读变量
%Q
输入/输出（I/O）接口写变量
%R
CNC俞入/输出（I/O）接口读变量
%W
CNC俞入/输出（I/O）接口写变量
%S
公共字变量
%Y
局部变量
2.4.2参数设置
数控机床存在很多的参数，不同的参数起到不同的控制作用，系统庞大，
故在此只设置一些参数起到我们想要的参数，下面是NUM1020典型参数设置
表：
参数序
号
系统设置
值
观察到的
结果
更改值
更改后的对系
统的影响
备注
P2
07
三轴都有
测量误差
05
Y轴不再显示测量误差
Y轴被关闭
P0
03
Z轴不再有显
Z轴被关闭
个轴分别占有从低位到高位的三
个位置。
系统设置为07时，在X、丫、Z所占的位子上显示的数都为
1,所以三轴都测量。
当改成05时在Z的位置上显示的为0,所以只有冷丫轴测量
（2）P0是指在显示屏中显示的轴。
同理当三轴都显示的时候系统设置为
07。
当改为03时，Z轴不显示。
（3）P10是指轴的测量方向，当系统设置为04时，Z轴是1、X、Y轴是
0。
应该X、Y轴的转动方向一致。
但由于决定电机转动方向的还有电
机的三根线的接线方式。
所以会导致在观察的时候X、Z轴的转动方向一致。
13
（4）P11轴的测量单位转换系数、俗称电子齿轮。
通过改变其的设置值可
以改变电机的转速。
（5）P12是手轮的测量方向，在系统中给首轮分配了两个位。
当设置值为
00时，顺时针转动手轮时显示轴转动方向的值为正值。
当设置值为01
时，顺时针转动手轮时显示轴转动方向的值为负值。
（6）P23是参数的设置可改变最大跟随误差，当超过跟随误差时，屏幕出现报警。
2.4.3程序设计
程序初始化:
%w5.7为屏幕保护功能选择，设定其为0即禁止屏幕保护。
％w4.0当其为1时允
许所有轴进给，不为1时所有轴都不能进给。
％w100.0为控制轴组
1（X、Y、Z）的进给，%w100.1复位时，处于MDI模式或自动模型，其运行后
其他指令不再运行，直接回到原来程序继续运行。
其中%
w4.0、%w4.3%w100.5%100.2、%100.1等均为无条件执行，梯形图：
如L3
（1
1
4W100.5
r、
1丿
^WIOO.1
1J
^oWlOO.G
i\
MDI手轮和手动选择程序
V102.B-161^22.W
采用％M10.w作为分支条件，根据其等于1或者2转到相关的子程序执行。
图中%
16.B代表手动方式和回零方式。
％15.B代表手动增量类型和手轮进给。
手轮控制
%1100.0手动进给轴选择x,%1101.0代表手动正向进给，％1501.0代表正向行
程开关限制，％w9.0代表手动正向进给（电机正转）；
％1101.0代表手动负向进给，％1501.1代表负向行程开关限制，％w9d.0弋表手动负向进给（电机反转）。
Y、Z轴的方向控制同X轴。
此外，为了解决正转和反转同时转动的问题，用了
互锁原理，当%101.0作用时，只有正转；
当%101.1作用时，只有反转，当两个
①％R122.0%R122.1%R122.2分别代表主轴的顺时、逆时转动和主轴停;
%Q5O1.0弋表主轴顺时转动的灯亮，％Q501.1逆时针转动的灯亮；
％1503.6代表
出故障，％w100.5代表系统至于等待状态，不处理正在执行的程序段中的下一
个功能。
自动加工循环程序
%1103.1循环启动按钮输入，当输入为1时，循环启动模型开启；
％W3•劄作向
NC系统提出循环加工请求；
%R3.2为PLC检测到NC系统响应了循环加工请求后就动作，梯形图：
%11D3.1伽3.2
TI（卜
KI103,0XW3.1
TIi卜
1-VQ100.0
HI（P
电机报警
亂沁顛大举
/SM.VCKJU1.VLFiSITY
且％500.2%500.3%500.4都不工作，％M700.运行。
3总结
这个课程设计项目综合了《数控技术》和《机电传动控制》两门课和内容,是一个综合的应用。
通过本次课程设计，使我了解熟悉了简单的数控铣床控制系统的设计过程和常用数控系统（NUM102）的设计过程。
由于临近期末考试，时间紧迫，设计的准备工作内容量较大，因此这个课程
设计由我和另两位同学组队完成。
项目中，我负责电机的选型及电气原理图设计。
这次课程项目设计，极大的提高了我能力。
因为时间问题，这个项目在两天时间内基本完成了，组员分工明确，及时交流查找到的信息，互相帮助解决各自遇到的问题，有效的提高了项目进程。
项目设计中，核心部件选用的是外国的产品，因国产的伺服电机运行不稳定，可靠性远比不上外国的产品，数控系统可靠性较差等等这些原因使我们放弃选用国产的产品。
我们都知道，核心零部件的价值是最高的，这对于我国的工业化生产带来极大的损失。
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