数控车床电气控制系统设计模板Word文档格式.docx
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摘要
数控机床是典型的机电一体化产品,它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动以及精密机床等方面的技术。
数控机床的高精度、高效率决定了发展数控机床是当前中国机械制造业技术改造的必由之路。
是未来工厂自动化的基础。
CK6140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。
经过本设计说明书能够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。
关键字:
数控车床主电路控制电路PLC控制
第一章概述
1.1什么是数控机床
数控技术是20世纪中期发展起来的机床控制技术。
数字控制（NumericalControl,简称NC）是一种自动控制技术,是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。
数控机床（NCMachine）就是采用了数控技术的机床,或者说是装备了数控系统的机床。
它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械技术等先进技术的典型的机电一体化产品。
国家信息处理联盟（InternationalFederationofInformationProcessing,简称IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义:
数控机床是一种装有程控系统的机床,该系统能逻辑地处理具有特定代码和其它符号编码指令规定的程序。
1.2数控机床的组成
数控机床的种类很多,但任何一种数控机床都是由控制介质、数控系统、伺服系统、辅助控制系统和机床本体等若干基本部分组成。
（1）控制介质
数控系统工作时,不需要操作工人直接操纵机床,但机床又必须执行人的意图,这就需要在人与机床之间建立某种联系,这种联系的中间媒介物即称为控制介质。
在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件位移信息,因此,控制介质就是将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。
控制介质有多种形式,它随着数控装置类型的不同而不同,常见的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘和USB界面介质等。
控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控装置,常见的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机、磁盘驱动器和USB界面等。
除了上述几种控制介质外,还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接输入程序和数据。
另外,随着CAD/CAM技术的发展,有些数控设备利用CAD/CAM软件在其它计算机上编程,然后经过计算机与数控系统通信（如局域网）,将程序和数据直接传送给数控装置。
（2）数控系统
数控装置是一种控制系统,是数控机床的中心环节。
它能自动阅读输入载体上事先给定的数字,并将其译码,从而使机床进给并加工零件。
数控系统一般由输入装置、控制器、运算器和输出装置4部分组成,数控装置结构输入装置接受由穿孔带阅读机输出的代码,经识别与译码之后分别输入到各个相应的寄存器,这些指令与数据将作为控制与运算的原始数据。
控制器接受输入装置的指令,根据指令控制运算器与输入装置,以实现对机床的各种操作（如控制工作台沿某一坐标轴的运动、主轴变速和冷却液的开关等）以及控制整机的工作循环（如控制阅读机的启动或停止、控制运算器的运算和控制输出信号等）。
运算器接受控制器的指令,将输入装置送来的数据进行某种运算,并不断向输出装置送出运算结果,使伺服系统执行所要求的运动。
对于加工复杂零件的轮廓控制系统,运算器的重要功能是进行插补运算。
所谓插补运算就是将每个程序段输入的工件轮廓上的某起始点和终点的坐标数据送入运算器,经过运算之后在起点和终点之间进行”数据密化”,并按控制器的指令向输出装置送出计算结果。
输出装置根据控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统,经过功率放大驱动相应的坐标轴,使机床完成刀具相对工件的运动。
当前均采用微型计算机作为数控装置。
微型计算机的中央处理单元（CPU）又称微处理器,是一种大规模集成电路。
它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。
在微型计算机中,输入与输出电路采用大规模集成电路,即所谓的I/O界面。
微型计算机拥有较大容量的寄存器,并采用高密度的存储介质,如半导体存储器和磁盘存储器等。
存储器可分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两种类型,前者用于存放系统的控制程序,后者存放系统运行时的工作参数或用户的零件加工程序。
微型计算机数控装置的工作原理与上述硬件数控装置的工作原理相同,只是前者采用通用的硬件,不同的功能经过改变软件来实现,因此更为灵活与经济。
（3）伺服系统
伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成,它是数控系统的执行部分。
伺服系统接受数控系统的指令信息,并按照指令信息的要求带动机床本体的移动部件运动或使执行部分动作,以加工出符合要求的工件。
指令信息是脉冲信息的体现,每个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。
机械加工中一般常见的脉冲当量为0.01mm/脉冲、0.005mm/脉冲、0.001mm/脉冲,当前所使用的数控系统脉冲当量一般为0.001mm/脉冲。
伺服系统是数控机床的关键部件,它的好坏直接影响着数控加工的速度、位置、精度等。
伺服机构中常见的驱动装置,随数控系统的不同而不同。
开环系统的伺服机构常见步进电机和电液脉冲马达;
闭环系统常见宽调速直流电机和电液伺服驱动装置等。
（4）辅助控制系统
辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。
它接受数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号,经过必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件,以完成各种规定的动作。
另外,有些开关信号经过辅助控制系统传输给数控装置进行处理。
（5）机床本体
机床本体是数控机床的主体,由机床的基础大件（如床身、底座）和各种运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。
它是完成各种切削加工的机械部分,是在普通机床的基础上改进而成的。
其具有以下特点:
（1）数控机床采用了高性能的主轴与伺服传动系统、机械传动装置。
（2）数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度和耐磨性。
更多采用了高效传动部件,如滚珠丝杠副、直线滚动导轨。
（3）与传统的手动机床相比,数控机床的外部造型、整体布局,传动系统与刀具系统的部件结构及操作机构等方面都发生了很多变化。
这些变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点,因此,必须建立数控机床设计的新概念。
1.3数控机床工作原理和结构简介
原理:
按照零件加工的技术要求和工艺要求,编写零件的加工程序,然后将加工程序输入到数控装置,经过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动以及工件的夹紧与松开,冷却、润滑泵的开与关,工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作,从而加工出符合图纸要求的零件。
结构:
（1）控制介质控制介质以指令的形式记载各种加工信息,如零件加工的工艺过程、工艺参数和直线运动等,将这些信息输入到数控装置,控制数控机床对零件切削加工。
（2）数控装置数控装置是数控机床的核心,其功能是接受输入的加工信息,经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理,向伺服系统发出相应的脉冲,并经过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。
（3）伺服系统伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成,一般所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成,因此说伺服系统是数控系统的执行系统。
数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。
每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统,有的伺服系统还有位置测量装置,直接或间接测量执行部件的实际位移量,并反馈给数控装置,对加工的误差进行补偿。
（4）机床本体数控机床的本体与普通机床基本类似,不同之处是数控机床结构简单、刚性好,传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动,主轴变速系统简化了齿轮箱,普遍采用变频调速和伺服控制。
1.4CK6140数控车床主简介
不同制造厂商制造的CKA6140数控车床选用FANUCOTD,FANUC0i-MATETC,FANUC0i-TA,FANUC0i-TB、安川J50L、SIEMENS802D,FAGOR8025T,FAGOR8055T等世界知名公司的数控系统。
本次设计的CKA6140数控车床采用FANUC0i-MATE数控装置;
FANUC通用变频器主轴变速;
SVM1-20进给驱动装置等数控系统。
该机床为万能型通用产品。
特别适合于军工、汽车、拖拉机、冶金等行业的机械加工。
主要承担各种轴类及盘类零件的半精加工及精加工。
可加工内、外圆柱面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体,可对工件可进行多次重复循环加工。
基本配置:
（1）机床采用卧式平床身结构,床身及床腿采用树脂砂铸造,时效处理,导轨采用高频淬火,整体刚性强。
（2）主传动采用变频电机,可实现手动三档,档内无级调速。
（3）进给系统采用伺服电机,精密滚珠丝杠,高刚性精密复合轴承结构。
定位准确、传动效率高。
（4）配置立式四工位刀架。
（5）配有独立的集中润滑器对床鞍及机床滑板进行自动润滑。
主轴箱配有独立润滑系统。
（6）机床配有独立的冷却系统。
（7）主控制系统为FANUC0i-MATE。
（8）大孔径主轴,其主轴通孔直径Φ60,能经过较大直径的棒料。
主轴扭矩大,刚性强,可强力切削。
（9）独立放置的操纵箱可纵向滑移,便于操作者就近对刀,操纵箱面板采用触摸式按键,美观可靠。
（10）配有内冷却,不抬起刀架更有利于加工工件及防止冷却液飞溅。
（11）床鞍及滑板导轨结合面采用”贴塑”处理,移动部件可实现微量进给,防止爬行。
第二章CK6140数控车床主轴驱动系统
2.1CK6140数控车床运动分析
数控车床的运动系统包括,主轴驱动系统,对主轴的控制,进给系统,各个坐标轴的控制,包括各坐标轴伺服电机速度、位置控制,刀具库（对于数控车床指电动刀架）、润滑系统、冷却系统、液压系统等辅助功能的控制。
1、主运动传动
数控车床的主运动传动链的两端部件是主电动机与主轴,它的功能是把动力源（电动机）的运动及动力传递给主轴,使主轴带动工件旋转实现主运动,并满足数控车床主轴变速和换向的要求。
2、进给运动传动
进给运动传动是指机床上驱动刀架实现纵向（Z向）和横向（X向）运动的进给传动,在CK6140车床上,各轴都由交流流伺服电动机直接驱动。
3、刀架传动
刀架运动是指实现刀架上刀架的转动和刀架的开定位、定位与夹紧的运动,以实现刀具的自动转换。
刀架运动是由换刀交流电动机实现的。
4、冷却系统
数控机床的冷却系统主要包括用于在切削过程中的冷却刀具和工件,同时也起冲屑作用,由冷却泵实现。
5、液压系统
CK6140数控车床液压系统主要进行主轴变速换挡,中心跟刀架电机排屑器
6、润滑系统
CK6140数控车床中的润滑系统为对机床导轨、滚珠丝杠等的润滑。
润滑形式有电动间歇润滑泵和定量式集中润滑泵。
7、尾座
数控车床尾座一般是在加工时对工件起辅助支撑作用,它由尾座体和尾座套筒两部分组成。
尾座体可在床身上移动和固定。
尾座套筒前安装顶针,套筒能够自动伸出和缩回,实现顶尖对工件的支撑作用。
2.2CK6140数控车床电气系统简述
CKA6140数控卧式车床的电气控制系统是由CNC主控制装置、交流伺服驱动系统、主轴系统、强电控制部分等构成。
CNC主控制装置以及伺服驱动装置,采用日本FANUC公司的产品,使机床性能价格比十分优越;
主轴系统采用日本FANUC变频器主轴变速,方便灵活。
机床电气控制系统框图如图1-1所示。
2.3主轴驱动系统概述
主轴驱动系统也叫主传动系统,是在系统中完成主运动的动力装置部分。
主轴驱动系统经过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度,配合进给运动,加工出理想的零件。
它是零件加工的成型运动之一,它的精度对零件的加工精度有较大的影响。
本课题数控车床主轴驱动系统采用交流主轴电动机配备变频器控制的方式。
2.3.1主轴电动机
主轴驱动部分是数控机床的大功率执行机构,其功能是接受数控系统（CNC）的S代码速度指令及M代码辅助功能指令,驱动主轴进行切削加工。
在数控机床上,同样由主轴夹持工件或刀具旋转,直接参加表面成形运动。
主运动的最高与最低转速、转速范围、传递功率和动力特性,决定了数控机床的切削加工效率和加工工艺能力。
主轴组件的回转精度、刚度、抗振性和热变形,直接影响加工零件的尺寸、位置精度和表面质量。
2.3.2主轴电动机选型的要求
一般要求
1.调速为了适应不同工件材料及刀具等各种切削工艺要求,主轴必须具有一定的调速范围,以保证加工时选用合理的切削用量,从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。
调速范围的指标,主要由各种加工工艺对主轴最低速与最高速的要求来确定。
2.功率要求主轴有足够的驱动功率或输出扭矩,能在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或转矩,特别是满足机床强力切削时的要求。
而且有一定的超载能力和较硬的调速机械特性,即在负载变化的情况下（如断续切削时）,电动机转速波动较小。
即要求在大力矩、强超载能力的基础上实现宽范围无级变速
3.精度这里主要指主轴回转精度。
并具有足够的刚度和抗振性,具在较好的热稳定性,即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小。
4.动态回应性要求主轴升降速时间短,调速时运转平稳。
对有的机床需同时能实现正反转切削,则要求换向时均可进行自动加减速控制,即要求有四象限驱动能力。
2.3.3主轴电动机选型
查机电一体化手册车削功率在5-8kw之间根据切削功率PC与主传动链的总效率η估算,即P=
。
主传动链的功率效率η=0.7—0.85,数控车床多采用调速电动机和较短的机械传动链,效率较大,因此取
=0.78,则估计P在6.41kw~10.25kw.之间。
数控车床的加工范围一般都比较大,切削功率PC可根据有代表性的加工情况,由其主切削抗力
PC=
KW
---主切削力的切向分力,N;
---切削速度N••
;
查金属切削手册知,以硬质合金刀具车削合金结构钢为例,数控车床有代表型的主切削力的切向分力
大约在2500左右,切削速度取90—250r/min,则知道
PC=2500
120/60000=5kw
P=
=6.4kw
考虑到空转运转的功率损失,如各传动件在空转运行时的摩损功耗,传动件的搅油和克服空气阻力功率以及其其它动载荷的摩擦损耗等。
CK6140数控车床床是中等规格数控车床,参照国内外同类机床的电动机功率,此机床能够选取7.5kw的电动机,考虑到数控机床变速范围比较大,选用交流变频电动机TLD12-YVP112,标称功率7.5kw,额定转矩60N•m。
2.4变频器电动机主轴驱动装置
2.4.1FANUC0iMate主轴驱动装置
主轴系统主要由主轴驱动装置及主轴电动机组成。
FANUC0iMate数控装置提供了模拟主轴和串行主轴界面供用户选择。
当用户选择模拟主轴时,一般选用通用变频器作为主轴驱动装置;
当用户选择串行主轴时,FANUC0iMate数控系统提供了SPM系列专用主轴驱动装置。
本机床采用通用变频器作为主轴驱动装置。
（1）变频器的工作原理:
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频）,先把工频交流电源经过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
（2）变频器的调速:
基于调速方便、节能、运行可靠的优点,变频调速器已逐渐替代传统的变极调速、电磁调速和调压调速方式。
在推出PWM磁通向量控制的变频器数年后,1998年末又出现采用DTC控制技术的变频器。
ABB公司的ACS600系列是第一代采用DTC技术的变频器,它能够用开环方式对转速和转矩进行准确控制,而且动态和静态指标已优于PWM闭环控制指标。
直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。
该模型每隔25μs产生一组精确的转矩和磁通实际值,转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较,以确定最佳开关位置。
由此能够看出它是经过对转矩和磁通的测量,即刻调整逆变电路的开关状态,进而调整电机的转矩和磁通,以达到精确控制的目的。
2.4.2设备的选型方法
1、根据负载特性选择变频器。
如负载为恒转矩负载可选择西门子MMV/MDV变频器,FANUC变频器,ABB公司ACS400系列变频器等;
如负载为风机、泵类负载可选择西门子ECO、MM430变频器,ABB公司ACS800系列变频器等。
2、选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据,电机的额定功率只能作为参考。
另外,应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波,会使电动机的功率因数和效率变坏。
因此,用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较,电动机的电流会增加10％而温升会增加20％左右。
因此在选择电动机和变频器时,应考虑到这种情况,适当留有余量,以防止温升过高,影响电动机的使用寿命。
3、变频器若要长电缆运行时,此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响,避免变频器出力不够。
因此变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。
4、当变频器用于控制并联的几台电机时,一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。
如果超过规定值,要放大一档或两档来选择变频器。
另外在此种情况下,变频器的控制方式只能为V/F控制方式,而且变频器无法实现电动机的过流、超载保护,此时需在每台电动机侧加熔断器来实现保护。
5、对于一些特殊的应用场合,如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等,此时会引起变频器的降容,变频器需放大一档选择。
6、使用变频器控制高速电机时,由于高速电动机的电抗小,会产生较多的高次谐波。
而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加。
因此,选择用于高速电动机的变频器时,应比普通电动机的变频器稍大一些。
7、变频器用于变极电动机时,应充分注意选择变频器的容量,使其最大额定电流在变频器的额定输出电流以下。
另外,在运行中进行极数转换时,应先停止电动机工作,否则会造成电动机空转,恶劣时会造成变频器损坏。
8、驱动防爆电动机时,变频器没有防爆构造,应将变频器设置在危险场所之外。
9、使用变频器驱动齿轮减速电动机时,使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的制约。
润滑油润滑时,在低速范围内没有限制;
在超过额定转速以上的高速范围内,有可能发生润滑油用光的危险。
因此,不要超过最高转速容许值。
10、变频器驱动绕线转子异步电动机时,由于绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比,绕线电动机绕组的阻抗小,因此,容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象,因此应选择比一般容量稍大的变频器。
11、变频器驱动同步电动机时,与工频电源相比,会降低输出容量10％～20％,变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺值的乘积。
12、变频器驱动潜水泵电动机时,因为潜水泵电动机的额定电流比一般电动机的额定电流大,因此选择变频器时,其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。
13、当变频器控制罗茨风机或特种风机时,由于其起动电流很大,因此选择变频器时一定要注意变频器的容量是否足够大。
14、选择变频器时,一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。
否则现场的灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。
15、单相电动机不适用变频器驱动。
2.4.3变频器主轴伺服驱动电路
如图上图3-1所示,采用三相交流380V电源供电;
速度指令由0、L脚输入（在数控车床上一般由数控装置或PLC的模拟量输出界面输入）,指令电压范围是0-10V;
主轴电动机的启动/停止以及旋转方向由继电器KA1、KA2控制,当KA1闭合时电动机正转,当KA2闭合时电动机反转,若KA1、KA2同时都断开或闭合则电动机停止,也能够定义为KA1控制电动机的启动和停止,KA2控制电动机的旋转方向。
变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电压,控制电动机旋转。
第三章CK6140数控车床进给伺服系统设计
3.1机床进给伺服系统概述
伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽,其性能是影响数控机床精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。
机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。
对于数控机床伺服控制系统,按其反馈信号的有无,分为开环和闭环两种位置控制方式。
位置控制系统是由伺服驱动器中的位置控制模块、速度控制模块、位置检测及反馈控制等各部分组成。
开环位置控制不需要位置检测及反馈,闭环位置控制需要位置检测及反馈。
位置控制反馈能够精确地控制机床运动部件的运动,快速而准确地跟踪指令运动。
根据其位置检测信号所取的位置不同,它又分为半闭环与全闭环两种。
所谓半闭环控制系统即采取的反馈检测元件是与伺服电机同轴连接地旋转编码器,其直接与伺服电机转子后部相连接,与伺服电机构成一体。
因为编码器不能直接反映机床各个进给轴的实际位置,而是反映电机的旋转速度和圈数。
此种控制方式的机床其机械运动部分（如传动丝杠和工作台）的机械误差没有因反馈而获得改进。
可是对于这些机械误差,能够在CNC系统中经过反向间隙补偿和螺距误差补偿来大大减小,因此使用这种控制方式的机床也可达到很高的精度。
对于全闭环系统需要采用直线位置
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