毕业设计PL700A四轴立式加工中心电气系统设计.doc

西华大学毕业设计说明书 摘 要本设计为了实现加工中心的自动化，应用机床电气控制原理，FANUC 0i-MD数控系统控制原理，进行PL700A立式加工中心的电气设计。为了给系统软件设计、系统调试与维修、安装与连接设计等提供设计基础，画出了CNC控制系统的电气原理图。本设计结合数控加工中心控制系统设计、系统软件PMC设计、以及数控加工中心操作面板设计等，完成了加工中心的电气设计，绘制了该部分的电气原理图。达到了使本加工中心性能更优，性价比和自动化更好的目的。本加工中心的电气设计，主要为加工中心各个部分提供电能。主要控制的电机有冷却电机、排屑电机和液压站电机等。电路原理图中使用了许多常用的电气元器件，如继电器、接触器和电磁阀等，以配合软件共同实现电路的逻辑控制。【关键词】CNC；FANUC；电气设计；加工中心；逻辑控制AbstractIn order to automate the design of machining centers, application machine electrical control principle, FANUC 0i-MD CNC system control principle, the electrical design PL700A vertical machining centers. In order to give the system software design, system debugging and maintenance, installation and connection design to provide the design basis, draw electrical schematics CNC control system. The design combines CNC machining center control system design, system design software PMC and CNC machining center operator panel design, complete electrical design and processing center, draw an electrical schematic diagram of the portion. Reached so that the machining center performance better, more cost-effective and automation purposes. Electrical this machining center is designed primarily to provide power to the various parts of the processing center. The main control motor cooling motor, Chip motors and hydraulic station motor. Circuit diagram used in many common electrical components, such as relays, contactors, and solenoid valves to cope with software common logic control circuit.【Key words】CNC；FANUC；Electrical Design；Logic control; machining centerII目 录摘要IAbstract 1 绪论1 1.1 数控与数控机床1 1.2 数控机床的发展趋势2 1.3 加工中心研发的意义6 1.4 设计任务62 PL700A立式加工中心概述7 2.1 PL700A立式加工中心简介7 2.2 PL700A立式加工中心的整体构成8 2.3 PL700A立式加工中心的工作原理9 2.4 PL700A相关技术参数103 数控加工中心主要电气元器件12 3.1 数控机床常用电气元件12 3.2 主要元器件明细表19 3.3 电机的选型204 数控加工中心的电气设计23 4.1 380V强电控制回路23 4.2 供电电路25 4.3 部分I/O模块26 4.4 交流控制回路27 4.5 电源模块28结论29总结与体会30致谢词31参考文献32附录341 绪论随着计算机技术、微电子技术、大规模集成电路制造工艺的飞速发展，使高性能的微处理器（MPU）在国民经济的各行各业得以大规模的应用。然而加工中心正是集机械、电子、计算机、网络技术、气动、切削工艺等技术于一体的高新技术产品。机械制造技术和信息技术相结合而构成的机电一体化系统，是现代工业机械研究方向和发展趋势1。微机控制的加工中心和数控机床越来越多，柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）不断应用在机械加工中，在根本上改变企业生产面貌。应用数字控制技术（Numerical Control）的数控机床可以高精度、高效率、高速度、高柔性化地加工各种复杂零部件，正好满足当今快速多变的市场、竞争激烈的生产工艺发展的需要。所以，微机控制技术在加工中的应用标志着机械行业的现代化，是国家生产能力的标志。1.1数控技术与数控机床1.1.1 数控技术 数控即数字控制，它是相对于模拟控制而言的。数控技术是利用数字量对机械加工的走刀运动的一种智能控制方式。 数控技术（CNC，Computerized Numerical Control），它使用计算机实现数字程序控制。运用计算机按事先存贮编译好的程序来对机械加工设备的运动轨迹的控制4。现在已经是采用计算机控制，替代了原先的硬件逻辑电路，使输入操作的各种控制机能，比如存贮、处理、运算、逻辑判断等的实现，都可以通过计算机软件来实现，计算机处理后，将生成的微观指令传送给伺服驱动模块，从而驱动电动机和液压执行元件等动作，从而带动机械设备运行。为了发展新兴的高新技术产业和顶尖的工业，数控技术是使能技术也是最基本的设备。为了提高制造的水平和能力，全世界各国已经在各行各业广泛使用数控技术，如机械制造行业、汽车行业、电器行业、甚至在信息产业也有涉足。1.1.2 数控机床数字控制机床（Computer numerical control machine tools）简称数控机床，它是一种装有软件程序的控制系统。对机床的控制是数控技术运用最广泛的领域，所以数控机床的发展水平标志着目前数控技术的性能好坏、技术水平高低，也决定了数控技术的发展方向。在一般的工业生产中，占绝大多数的是金属切削类机床，如车削类、铣镗钻类机床。所以它也是数控技术最常用和使用最广范的领域。车削加工时，主运动是机床主轴带动工件的回转运动，用于回转体零件的加工切削，这样的机床就至少需要两个基本运动，即径向和轴向运动。所以需要两个基本的运动轴X/Z。同理，运动铣镗钻类机床因为是通过主轴带动刀具旋转和零件的空间运动来实现金属加工的。所以这样的机床就至少需要三个运动轴，即X/Y/Z轴。为此，数控生产厂家就将数控系统分为了两大系列，即M系列的CNC 至少具有3轴，用于铣镗钻类的控制。而T系列的CNC就至少具有2轴，用于车削类控制。随着科学技术的不断提高，人们对数控技术也提出了更高的要求，如复合车铣加工、FMC等先进技术也得到普及。数控机床的优势和给生产带来的方便将越来越突出。1.1.3 数控机床的电气控制系统 数控机床的基本构成和构成原理如下图。工作台主轴箱换刀装置刀库液压系统冷却系统润滑系统气动系统其他数控装置伺服电机伺服装置主轴控制主轴电机强电柜和PMC操作盘图1-1 数控机床电气控制系统的组成1.2 数控机床的发展趋势 在社会在不断发展中，人们在机械加工中，发现了数控机床任然存在的一些问题，所以对数控机床提出了更高的要求。以下是数控机床未来的发展趋势。1更高精度、更高速度 数控机床的精度和速度是决定其加工能达到的精度和加工效率的两个重要因素，所以许多的数控机床生产和研发企业都在精度和速度上下功夫。现在的一般数控机床的精度已经可以达到5m,在一些超精密加工中精度已经可以达到纳米级了。 为了提高加工速度，现在已经开始使用电主轴和直线电机了，这样的电机，大大提高了其加工效率和加工速度。尤其是直线电机，可以直接将电能转化为驱动导轨等作直线运动，而克服了传统的旋转电机，必须通过齿轮减速器，驱动丝杆等作旋转运动，在由丝杆螺母副带动导轨作直线运动。传统的方式，在减速器和丝杆螺母副等处会产生机械能的损耗以及传动误差。当然速度也就达不到很高。而电主轴和直线电机可以更加直接地传递能量和速度，所以这样的电机大大提高了数控机床的机械效率和加工速度。图1-2 高精度加工2实时智能化 今后的数控机床将具有实时监测一些参数的功能，并对这些参数的变化进行最快速的监测，从而作出及时反映，人工智能地分析引起这些参数变化的机床内部原因和外界环境的变化。从而向CNC发出相应的信号，及时调节相应参数变化到能使加工环境和加工工程处于最优的状态。而数控机床的实时智能化，是依托于智能控制理论的不断发展，尤其是近几年的快速发展。在神经控制、模糊控制、前馈控制等控制领域的发展推进了数控技术智能化的实现。3高柔性化和多主轴加工 数控机床柔性化的目的是提高加工工艺和机床使用效率。最终将达到在人为设置好程序后，可以长时间无需人看管，而稳定、安全、可靠地加工生产零件。它可以实现自动装卸零件，自动换刀，可以在一次装夹过程中实现多个工序的加工。相比较传统的加工方式，极大地减轻人的劳动强度，实现了机械设备更大的自动化。而且以往，在装卸过程、人为换刀等过程中，机床要么空转，要么停止，而现在的柔性加工可以节省这其中的时间，加大了数控机床的使用效率，也提高了生产效率，更加经济高效。多主轴加工，解决了传统的单主轴的许多问题。传统的但主轴加工，只能在工件的一个方向上切削或者磨铣等。所以对于复杂零件，需要较多加工工序的就只有反复装卸，在人工方面，需要多次地装夹又拆卸。而如果这个零件的每个面的加工量很小，即工序很简单，那么工人就要不停地装卸零件，使其加工面处于主轴刀具可以加工的地方。为了解决这样的问题，多主轴的数控机床应运而生，它可以实现工件在一次装夹后可以完成多道工序，还有个好处是，这几个主轴在不相互干扰的情况下可以同时完成各自的加工工序，这样就极大地提高了生产效率和减少了人的劳动强度。这样的机床还有个好处是因为是一次装夹实现多道工序，所以如果对刀和参考点选择无误的话，就可以提高加工精度，而传统的多次装夹必然会存在许多对刀和参考原点的误差。总而言之，多主轴机床的诞生，为机械加工的速度、精度、加工效率和经济性等方面的提高都起到很大的促进作用。图1-3 多主轴机床4多轴并联驱动 在机械结构学中，可以将机械结构分为串联结构和并联结构。而传统的机械设备多是使用串联机构，因为串联机构的机械设备比较好生产和控制，编程也较为方便，对那些机械关节也可以很好的控制。比如我们生活中常见的吊车、机械手臂、挖掘机以及一些日常使用的小刀等都是采用的串联机构。然而这样的机构却存在它的一些弊端，比如运动控制不够精确，采用串联机构的加工中心在加工零件时容易发生抖动，即精度差。所以不得不将床身做得非常笨重，增加其材料等。而并联机构的结构大大简化了，顾名思义，并联机构就是有许多并联的机械关节组成的机构，它的机械结构非常简单，但是运动的控制却非常复杂。它不像串联机构只需控制各个分离的结构关节，就可以达到我们需要的运动轨迹。并联机构必须同时控制相并联的多个机械关节，共同完成相应的运动，刀具才能在走出我们需要的运动轨迹，才能加工零件，完成各种复杂形体零件的加工要求。所以并联机构的数控机床必然依托于复杂的数学运算。相比较于串联机构的数控机床，并联机构的数控机床具有许多优点，比如精度提高了，刚度提高了，加工速度提高了，最重要的是它可以很灵活地加工零件。因此，在新的机械加工发展环境下，这样的机床必将慢慢地取代传统的串联机构式数控机床。 图1-4 多轴并联驱动机床5网络化 21世纪已经进入了信息化时代，运用计算机控制和操作机床也已经实现。为了使数控机床更加自动化的生产加工，数控机床正在向网络化方向发展。网络化的实现将标志着，机床可以更加柔性化地生产，并可以远程监控，远程诊断和维修。使每一台数控机床与PC机相联，人们就可以更好地更加便捷地控制机床完成加工生产了。 图1-5 网络化机床1.3 加工中心研发的意义数控机床的发展与人民的生产生活都息息相关，数控技术将会给机械加工领域带来革命性的变革。数控技术会涉及许多的知识，于是对它的研究将会展示人们现在的科学文化发展水平，更是与外国的比较。落后就要挨打，许多科技强国将许多高科技技术封锁。所以我国必将研究好数控技术，也是为了一种国防安全。数控技术是一种高精尖技术，需要各个部门行业的相互配合，共同完成更高技术的研发。朝着性能更优的方向发展，使数控机床正真完全更好地服务人类。1.4 设计任务本次毕业设计任务来源于成都普瑞斯数控机床有限公司的实际开发项目。要求应用机床电气控制原理，数控系统控制原理，进行PL700A立式加工中心的电气设计。机床主要参数：主轴最高转速8000r/min，无级调速；主轴锥度：No.40；X/Y/Z行程：700/410/545（mm）；工作台面积：4201000（mm），最大承重：600Kg；切削进给速度：2-20000mm/min, X、Y轴快速移动速度:32(m/min), Z轴：20(m/min)。 具体要求如下：1）围绕毕业设计的内容和要求进行毕业实习，撰写毕业实习报告；2）收集与毕业设计任务有关的国外资料，完成外文资料翻译，译文不少于3000字；3）熟悉PL700A四轴立式加工中心的主要功能及控制要求；4）了解PL700A四轴立式加工中心的工作原理；5）完成机床强电部分的电气设计，并绘制该部分的电气原理图；6）完成相应的保护电路设计；7）撰写设计说明书。2 PL700A立式加工中心概述加工中心是在数控机床上演化而来的，将数控机床配上自动换刀装置，和一些自动化设备，就成为了加工中心。加工中心可以实现在机械零件的一次装夹中，进行多道工序的加工处理。人们只需将加工过程用机床专用的程序表达出来，并在数控机床的操作面板上键入或者用移动存储器传输进机床的CNC系统，机床就可以按照程序的要求进行一些操作了。比如可以实现主轴的正反转，冷却液的开启，自动换刀具，X/Y/Z轴的动作，并且这些轴的联动就可以实现复杂零件的加工了。所以加工中心是一种高度自动化的产品，在许多行业都得到广泛地应用。相比较以前普通机床，无论在加工精度还是加工效率以及经济性都得到很大改善。极大地代替了人的劳动。以前的零件加工完全靠工人的手工操作，其精度的保证也是凭人的眼睛和经验及熟练程度，对工人的素质要求比较高，不利于实现机床的普及。现在的加工中心可以让其连续进行复杂反复的工作，适合大批量的生产，减轻了人的劳动强度，增加了加工精度等。2.1 PL700A立式加工中心简介 PL700A立式加工中心是成都普瑞斯数控机床有限公司引进欧美先进技术，针对现代自动加工工艺特点，采用现代设计制造技术，精心研发的机电一体化数控产品。它的优势在于将国际先进的自动加工技术成功地应用于中国的机械加工行业，对提高我国的机械加工工艺水平产生了明显的促进作用，在航天、航空、兵工、汽车摩托车、核工业、铁道等领域广泛应用之后，达到了用略高于国内同类产品价格的投入取得进口国际先进设备的效果，因此具有良好的性能价格比。 所谓加工中心，是指在数控机床的基础上加上刀库及自动换刀装置或多个工作台，集合铣床、镗床、钻床于一体，并由计算机控制的机床。数控系统根据加工的需要，自动有选择刀具和合适的主轴转速及进给量，依次完成零件的所有加工过程。由此可看出加工中心的优越性，它可以缩短零件加工的时间，具有很好的经济效益，适用于零件形状比较复杂的，精度要求比较高的，加工工序比较多的小批量生产。PL700A立式加工中心是成都普瑞斯数控机床有限公司主要的产品，也是比较实用的机械零部件生产的产品。它的结构紧凑，外观美观，功能强大，调试方便，所以得到许多客户的青睐。其技术参数如表，可以根据表的技术参数进行主轴电机和伺服电机等的计算和选型。客户可以根据其精度来选择，PL700A的精度可以达到8m级。图2-1为PL700A立式加工中心外观图。图2-1 PL700A立式加工中心外观图2.2 PL700A立式加工中心的整体构成 PL700A与一般的加工中心一样，都由基础部件、主轴部件、伺服系统、数控系统（CNC）、自动换刀系统（ATC）、辅助装置等组成。现分别介绍介绍如下：1基础部件 基础部件由床身、立柱和工作台组成，是加工中心的基础结构，主要承受加工中心的静载荷和切削负载，因此对它的刚度要求比较大，所以P7800A的基础部分用铸铁制造。基础部件的合理的布局才能够使数控机床的整个结构更加紧凑和实用，同时也使数控机床整体看起来更加美观。2伺服系统 伺服系统指的是机床的进给系统，主要是把数控系统的信号传到伺服电机，控制伺服电机转动，从而达到所需要的运动。它对机床来说是一个很关键的指标，直接影响到零件的加工精度。伺服系统又分为开环、半闭环、闭环伺服系统。加工中心普遍对精度要求比较高，多为半闭环、闭环系统。PL700A是半闭环伺服系统。3数控系统（CNC） PL700A的数控系统采用的是FANUC数控系统，由CNC装置、电源模块、主轴模块、伺服驱动模块以及MDI等组成。它相当于人的大脑，是一个控制中心。数控机床的所有动作全部由它来进行控制。4主轴部件 主轴部件由主轴、主轴箱、主轴轴承和主轴电动机等组成。所有动作由数控系统控制主轴电机动作。通过主轴的上下移动来实现刀具的进给运动，从而实现加工。主轴部件的好坏对零件最后的形成有重要的影响。5自动换刀系统（ATC） 换刀系统由刀库和机械手等组成。需要换刀时，在数控系统的控制下，机械手运动到刀具附近，取下刀具，然后运动到刀库附近，将刀具装入到相应的刀库中，机械手在从刀库中取出所需要的刀具，然后装入主轴孔中，就完成了整个换刀的过程。6辅助装置 辅助部分有冷却系统、润滑系统、液压系统等组成。这些都对机床起保护作用，对机床能否长久健康的工作，起到了很大的作用，是任何一个机床不可或缺的一部分。2.3 PL700A立式加工中心的工作原理 机械加工是由切屑的主运动和进给运动一起完成的。控制主运动以得到合适的切屑速度，控制进给运动以得到各种不同的加工表面。数控机床加工，就是把刀具与工件的坐标运动分割成最小位移量，根据加工程序的要求，数控系统使一个个最小量叠加起来，实现刀具与工件相对运动的控制，从而完成零件的加工。图2-2 机床加工运动 现用二维空间的曲线来说明数控机床的加工方法。如图所示如图2-2，要加工曲线L的零件，要求刀具加工出曲线L。将L分割成一段一段的距离很小直线中L0、L1、L2所示。，当直线与曲线弧的误差很小时，在误差允许的情况下，可认为此时加工的直线就接近了曲线。由数控系统控制，计算和分配，通过X和Y的合成，不断控制刀具连续运动，从而加工出所需要的曲线。 插补技术真是实现这种运动的核心技术。根据零件轮廓的已知点，在按照系统的各个速度要求及相关参数，从而计算出中间点位置坐标的位置，这就是插补，插补就是分割，把直线分割成一段一段的最小位移量，也叫脉冲当量。插补运算具有实时性，它的运算速度和精度直接影响到加工精度。2.4 PL700A相关技术参数 通过在普锐斯数控机床有限公司的参观学习，以及查阅相关技术手册，现将PL700A的主要技术参数如下列出：1 工作台相关参数1） 工作台面积 4201000 mm 2） T型槽 5-18100 3） 工作台最大承重 600kg 2 行程相关参数 1） X坐标（纵向）行程 700mm 2） Y坐标（横向）行程 410 mm 3） Z坐标（垂向）行程 550 mm 4） 主轴端面到工作台表面距离 125-675 mm 5） 主轴中心线到立柱导轨表面距离 468mm 3 主轴相关参数 1） 主轴转速范围 40-8000 rpm2） 主轴孔锥度 BT40 3） 主轴电机功率 7.5/11 kW 4 进给相关参数 1） 进给伺服电机扭矩 X、Y：32m/min Z：20m/min 2） X、Y轴快速移动 32 m/min 3） Z轴快速移动 20 m/min 4） 切削进给速度（X、Y、Z） 2-20000 mm/min 5 刀库 1） 刀库形式 斗笠 2） 刀库容量 22把 3） 最大刀具直径 75（80） mm 4） 最大刀具长度 250（300） mm 5） 最大刀具重量 6（8） kg 6） 换刀时间 约5.5（2.8） sec(T-T) 7） 选刀方式 最短路径（预选） 6 动力源相关参数 1） 机床电气总容量 214kVA 2） 气压要求 5.5 bar 3） 冷却泵流量 66 L/min 7 机床尺寸相关从参数 1） 机床外型尺寸 2100226525602） 机床重量（约） 4200 kg 3） 机床防护罩 全封闭 8 精度相关参数 1） X、Y、Z定位精度（ISO230-2全长） 0.008 mm 2） X、Y、Z重复定位精度（ISO230-2） 0.004 mm 3 数控加工中心主要元器件3.1 数控机床常用电气元件1低压断路器低压断路器一被称为空气开关或者空气开关，是非常普遍使用的保护电器。它的操作简便，并且工作性能可靠，在电机等用电设备出现故障或电路出现故障时能及时有效的断开电路，起到很好的保护作用。空气开关有许多型号和品种，这里仅说明几种常用的。（1）塑料外壳的空气开关图3-1 塑料外壳式的外形图、电气图形及文字符号说明这种断路器一般用在不太频繁启停的场合，它可以承载比较大的电流，分断能力和分断灵敏度较高。（2）小型的空气开关 图3-2 小型空气开关的外形图、电气图形及文字符号 这种空气开关是在机床上最常用的。它用在电机的控制中，在电机或者其它原因引起的故障时能很好地保护电机不受到损伤。本次毕业设计也使用这种断路器，用来控制电路的通断。空气开关的选择有如下要求和公式。电路图中对空气开关的选择即遵循下面的要求和计算。断路器的选择： 断路器所能承受的电压和电流应该大于或等于它所控制的线路所有电器和设备同时工作时的总电压和总电流。 在选用断路器时，其脱扣器额定电流应按下列公式计算： 第一个公式适用于一台电机的计算。k是安全系数，一般可取1.51.7。是电动机的起动时的电流。第二个公式适用于多个电机的情况。是功率最大的电机的起动电流，为其他电机的额定电流。2. 接触器39接触器常与继电器联合使用，以控制电路的分断和闭合。由于接触器可以带很大的负载，所以可以直接控制电机等负载。它的分断能力较强，具有常开和常闭两种触点，可以很好的实现电路的逻辑控制。接触器的种类很多，但其工作原理相似。本次设计选用的接触器为交流接触器，其基本原理是电磁感应原理。当接触器的铁芯通电后，会将其常开触点吸合，将常闭触点释放，就可以控制电路了。选择接触器时需要知道其控制的电机的额定功率，从而推算出接触器需要的额定电流。对于有经验的工程技术人员，有许多小技巧可以很快地选出所需接触器。以下是所选交流式接触器的外观和图形符号： 图3-3(a) 交流接触器的外观图 吸引线圈 常开触点 常闭触点图3-3(b) 交流接触器的电气符号及文字符号3继电器 继电器和接触器相似，只不过它是控制小电流回路，而且由于科学技术的发展，它的基本工作原理也不仅仅局限于电磁感应。继电器的输入信号也不仅仅是电流或电压，还可以是温度、压力、速度和液位信号等。当然其工作原理也就不相同了。比如温度继电器就是利用的有些受热金属会随温度的变化而发生变形。 在本次设计中，继电器的输入信号是直流电压，所以属于电磁式的。使用PCB板上嵌入的小继电器的动和或者动断触点来控制接触器线圈和电磁阀的得电和失电，即是应用了弱电控制强电的思想，这样既可以保护电路又能防止触电危险，还可以实现软件控制逻辑的通断电。下面是几种继电器的介绍：（1） 电磁式的继电器，如图3-4(a)、3-4(b)所示电磁式的继电器的工作原理与接触器相似，只不过继电器不能直接控制强电电路，所以往往继电器和接触器联合使用，用继电器的触点来控制接触器线圈，再由接触器线圈去控制接触器的触点，这个触点采取接通或者断开强电部分的电路。图3-4（a） 电磁原理继电器外形图 吸引线圈 常开触点 常闭触点图3-4（b） 电磁原理继电器电气符号和文字符号（2）时间继电器 如图3-5所示 时间继电器多用于一些需要定时的场合。比如本设计的润滑泵，需要启动一定时间后，又暂停一段时间，之后再启动，如此反复。而如果要实现自动化，就必须设置两个时间继电器来控制启动时间和暂停时间。现在多数采用的是电子控制时间，使用的是拨码开关来调节所需要的时间。还有一种是数字式的，这种时间继电器会更加精确的延时，具有许多优点，已经为广大用户所使用。时间继电器的外观图和电气图形符号如图： 图3-5（a） 电子式时间继电器图3-5(b) 时间继电器电气图形及文字符号（3）热继电器 如图3-6(a)、3-6(b)所示 热继电器是利用某些金属元件在受热过程中会变形的原理而工作的，它串联在电机等回路中，可以长期起过载保护。 而有些电机需要正反转运行和经常启动和停止，这是就不宜使用热继电器来保护电路过载。因为电机启动时会产生高电流，可能会使热继电器断开。图3-6(a) 热继电器外形图图3-6(b) 热继电器电气图形及文字符号4. 变压器 变压器指可以将交流的压的电压值改变，而其频率仍然相同。PL700A加工中心有一个独立的较大的变压器是将三相380V的交流电压转变为三相200V的交流电压，以供一些电机和电路使用。机床上常用以下的变压器。（1）控制机床的变压器 如图3-7(a)、3-7(b)所示它用于输入端的电压不超过660V，频率为50Hz60Hz。可以将这样的电压转变为机床需要的一些电压值，比如用于电柜的灯和机床上其它照明灯的供电，还可以用于一些控制回路的供电，比如为电磁阀和接触器线圈供电等。图3-7(a) 机床控制变压器外形图图3-7(b) 双绕组变压器电气图形及文字符号（2）三相变压器 如图3-8(a)、3-8(b)所示 三相变压器主要用于三相交流电的变压，主要为伺服驱动系统等供电。常常将它独立出来，做成一个单独的模块，安装在数控机床的床身上，输入和输出都有相应的接线电路。 图3-8(a) 三相变压器外形图图3-8(b) 三相变压器电气图形及文字符号5直流稳压电源 如图3-9(a)、3-9(b)所示本设计的加工中心使用了两个直流稳压电源，它是将变压器转变过来的220V交流电，转变为24V的直流电，主要为电源模块、主轴驱动模块、X/Y轴驱动模块、四轴驱动模块、I/O模块等模块供电，也为一些指示灯和直流继电器供电。图3-9(a) 开关电源外形图图3-9(b) 直流稳压电源电气图形及文字符号6 开关电器（1）行程开关 如图3-10(a)、3-10(b)所示行程开关是为了控制X/Y/Z轴等的移动范围，当这些轴的位置以达到极限位置时就必须停止轴的运动，否则将会撞上机身而损坏机床甚至发生严重事故。所以一般的机床常采用三种方式同时进行行程控制和保护。第一软件限位，机床上安装有检测轴位置的元件，如光栅编码器，当轴达到极限位置时，通过软件控制的方式控制轴停止动作。第二限位开关，在机床轴的极限位置安装有限位开关，当轴达到那个位置时，将会触及限位开关的触点，限位电路将接通而使轴停止运动。第三死挡板，这是为了防止软限位和行程开关都失效的时候，最后一道防线，防止轴上的螺母与机床床身相撞，也是防止工作台与床身相撞。图3-10(a) 行程开关外形图图3-10(b) 行程开关电气图形及文字符号（2）接近开关 如图3-11(a)、3-11(b)所示 这是用于检测物体移动位置的开关，而不需要直接接触物体。它的原理有霍尔效应、光电、超声波等。这次为了检测四轴的夹紧与松开等用到了将近开关。在其它不便于接触的场合经常使用接近开关。但由于它是非接触式的，所以相比较限位开关其灵敏度和准确度较低。图3-11(a) 接近开关外形图图3-11(b) 接近开关电气图形及文字符号3.2 主要元器件明细表 本设计还是用了压力开关、液位开关等。由3.2所介绍的低压元器件和实际的加工中心，对一些主要元器件选型如表3-1。表3-1 主要元器件明细表代号名称型号规格件数QF1断路器DZ47-60 3P60A1QF2断路器DZ47-60 3P3A1QF3断路器DZ47-60 3P3A1QF4断路器DZ47-60 3P5A1QF5断路器DZ47-60 2P10A1QF6断路器DZ47-60 3P5A1QF7断路器DZ47-60 3P5A1QF8断路器DZ47-60 2P1A1QF9断路器DZ47-60 3P32A1 续表3-1代号名称型号规格件数QF10断路器DZ47-60 2P1A1QF11断路器DZ47-60 1P1A1QF12断路器DZ47-60 1P3A1QF13断路器DZ47-60 1P5A1QF14断路器DZ47-60 1P5A1QF15断路器DZ47-60 2P10A1KM1接触器3TF46380V1KM2接触器3TF46220V1KM3接触器3TF46220V1KA1-KA16继电器HJR-21FF-S-224VDC16TC1变压器SG-400KVA380V-200V1TC2变压器SG-100KVA380V-220/110V1TC3变压器BK-50380V-220V1PSU1-PSU224V直流电源ADD-2460D24VDC2EL1电柜灯RH025220V1EL2机床工作灯DEJY37-436W1EL3松刀灯DEJY37E-324W1YV0-YV3电磁阀SY5120110V4SQ接近开关LW18BF05DLOY24VDC6SL液位开关YH30024VDC2SP压力开关MC2010-D24VDC3SQ行程开关LZ7312220V13.3 电机的选型3.3.1伺服电机 本加工中心选用i系列伺服电动机，i系列电机是FANUC高性能的伺服驱动产品。它具有可靠性很高和加减速性能优异的特点，其最高转速在6000r/min左右，最大输出转矩在500N*m,常用在高速、高精度的加工中心伺服进给驱动中。4 i系列外观图片如图3-12所示。图3-12 i系列伺服电机外观图 i系列电机按电枢电压等级可分为标准型200V和高压型400V两大类。在结构特性上，可分为iS和if两大类。iS电机是最常用的电机产品，它的规格很多，在工业机器人、印刷、纺织等行业得到广泛的应用。iF系列是日本FANUC公司最近推出的中等惯量伺服电机，它主要用在大中型加工中心和数控机床的伺服驱动以及冶金和工程机械等行业负载具有中大惯量的驱动中。在实际应用中，i系列电机配套使用了编码器，以实现高精度的位置检测。还可以在电机内部置制动器。本次设计的加工中心采用iF系列电机，它一般与i系列驱动器联合使用。从机械设备的实际使用条件出发，合理、经济、安全地考虑电动机能可靠而安全的工作，现对各伺服电机选型如下： X轴电机：iF8/3000 Y轴电机：iF8/3000 Z轴电机：iF12/2000 4轴电机：iF4/40003.3.2主轴电机4在金属切削中起运动驱动的电机叫主轴电动机，现在使用的大多数交流主轴电机都是感应电机，所以，它一般与主轴驱动模块联合使用。和一般感应电动机使用变频器调速相比较，专用的主轴驱动系统不仅拥有很好的加减速性能、调速范围更大、调速精度更高、并且可以在较低转速时输出较大的转矩。所以，交流的 主轴伺服驱动系统可以像伺服驱动系统一样实现全闭环的位置控制，从而满足了数控机床的主轴定位、螺纹加工、刚性攻丝、Cs控制等的功能技术要求 。根据实际主轴的性能要求，选用主轴电机型号为：8/8000i，系列的主轴电机的外观如图3-13。图3-13 主轴电机的外观图3.3.3 外围电机 机床本身的性能要求决定了外围电机的选择，根据加工的要求可作出如下的电机选择。电机明细如表3-2。表3-2 外围电机明细表代号元件名称型号规格件数M1冷却电机PMY-75A-40.370KW 2800r/min1M2排屑电机YS400W-4P0.4KW1M3液压站电机WRY-H100m/h1M4主轴油冷电机LY-3582X(G)3.5KW1M5贯穿刀具冷却电机TFO3.7KW1M6液压站风扇AH-0607-CA110V1M7润滑泵MMXL220V14 数控加工中心的电气设计4.1 380V强电控制回路图4-1（a） 部分强电回路图为380V强电控制的一部分电路，从电网输入的380V/50HZ的电压作为输入电压。EL1为电柜灯，断路器QF10控制电柜点电路，变压器TC2可以将380V电压转变为220V的交流电，给电柜灯供电，使用空气开关QF11控制电柜灯电路的通断，当打开电柜时，EL1应该点亮，所以使用了一个行程开关SQ1。断路器QF1控制总电路的通断，其额定电流经过计算选用60A。接触器KM1的常开触点控制冷却电机回路。空气开关QF2、QF3、QF4分别用来控制冷却电机、排屑电机和液压站电机，并且可以保护其电路的欠压、过载和短路等。根据电机的额定功率，计算出空气开关的额定电流，空气开关QF2、QF3、QF4的额定电流分别为1.6A、1.3A、3.5A。图4-1（b） 部分强电回路 图为加工中心强电控制的另一部分电气图，QF5是控制两相380V电压回路的断路器，成为后面变压的电路。三相变压器TC1将电网380V三相交流电转变为200V三相交流电为一些电机和照明灯以及电源伺服模块供电。接触器KM2的动和触点控制贯穿刀具冷却电机的通断。接触器KM3的线圈的得失电受电源模块的控制，当伺服模块出现故障时，KM3将不会闭合，电源模块就不会得电，保护了伺服模块。空气开关QF6、QF7、QF8分别控制主轴油冷电机、贯穿刀具冷却电机和机床工作灯，并可以保护其电路的欠压、过载和短路等。空气开关QF9控制和保护为伺服模块供电的200V三相电压电路。机床灯EL2是机床工作时的照明设备。4.2 供电电路图4-2 供电电路 图为原理图的供电部分，变压器原边接两相380V交流电压，副边分别接两相110V和220V交流电压。110V交流电压为交流控制电路提供电源，即给接触器线圈和电磁阀供电。液压站风扇电机也用110V交流电压。断路器QF12用来保护110V电路的欠压、过载和短路等。220V交流电路给润滑泵供电，润滑泵一般是靠小功率电机驱动，所以选用220V交流电供电。由于液压泵的功率不大，所以电路电流也较小，所以可以直接用继电器触点控制其通断，灭弧器RC7用来保护交流继电器的主触点，可以防止其主触点在关断时，在动、静的触点之间产生较为高的电弧，烧坏了其触点。 24V直流稳压电源的输入端接在220V交流电路中，加工中心中使用了两个24V直流稳压电源。第一个直流稳压电源主要为I/O模块供电，提供24V的直流电压。断路器QF14保护电路的欠压、过载和短路等。第二个直流稳压电源主要为松刀灯和三色报警灯提供24V的直流电压。第二个直流电路中有一个继电器KA17。当按下打开电源的开关ON时，回路中继电器KA17线圈得电，它的一个与开关按钮ON并联的常开触点闭合，形成自锁，可以使KA17线圈一直得电，直到按下了关断按钮OFF,回路才断电。继电器的另一个常开触点控制24V电压的通断。继电器的第三个常开触点控制第一个直流电路的24V电路的通断。逻辑上是当ON按了一下，则两个直流回路就可以供电。当OFF按下时，则两个直流回路就断电了。断路器QF13用来保护整个220V交流电压电路的欠压、过载和短路等。4.3 部分I/O模块图4-3 部分I/O模块接线图 本设计选用FANUC系统的I/O模块，I/O模块由直流电源供电。输入信号包括液位、压力、过载、限位等，输入地址从X0.0编排，具体对应含义如图所示。由于I/O模块可以直接输出低压电压，可以直接驱动小功率继电器。这些继电器的触点将会去控制接触器线圈或者电磁阀的得失电，运用的是弱电控制强电的思想。4.4 交流控制回路图4-4 交流控制回路图为部分交流控制回路，由电磁继电器控制的触点来接通电磁阀或者接触器的线圈。图中的电磁阀YV0、YV1 、YV2、YV3分别是控制松刀、主轴松刀吹气、4轴制动松开、风冷刀具等阀。继电器KA5 、KA8的动和触点分别控制接触器KM1、KM2线圈。需要自锁的接触器，控制它的继电器在编程时已在程序中设置好了。即控制相应继电器线圈的I/O模块的输出端一直输出高电平，使继电器线圈一直得电，而其动和触点则一直闭合，使其控制的接触器线圈一直得电，从而实现了自锁。并联在电磁阀和接触器旁的灭弧器RC，用来保护电磁阀和接触器线圈，可以防止其在断电时，产生较高的电弧，起灭弧的作用。4.5 电源模块图4-5 电源模块接线图电源模块的作用是为伺服模块提供直流电。它后面连接有主轴伺服模块、X/Y轴伺服模块、Z轴伺服模块和4轴伺服模块。电源模块是通过电抗器RA连接200V三相交流电，还需要通过断路器QF15连接两相200V的交流电压。CX3处连接有接触器KM3，为了故障保护。结论 这次毕业设计，我主要围绕设计的具体要求，完成了机床强电部分的电气设计，基本能运用于相关的机床上。在工作过程中，我通过查阅相关的资料，学到了许多关于数控机床的知识，巩固和提高了以前学习的数控技术相关的知识。熟悉了加工中心的基本工作原理和工作过程，以及它的一些功能要求。因为要对整个机床的电气进行控制，所以我也了解了机床的常用电气元件、各种电机的选型、电气原理图的画法规则等。但在设计中出现过许多错误的地方，在老师的指导下，得以改正。PL700A立式加工中心是高尖技术，控制较为复杂，需要受过专业培训的人员操作。国内自主知识产权的数控技术和国外还存在差距，数控机床的性能还有待改进。总结与体会 本次毕业设计，我们是被安排到成都普瑞斯数控机床有限公司，根据实际的加工中心进行的一些设计。我们在公司首先实习了两周，在这段时间中，我们分组先后了解了普瑞斯公司的三个主要部门：电气控制、加工中心装配和毛坯加工部门。我初步了解了加工中心的电器柜内的电气元器件的连接；整个加工中心整体的装配和调试，以及毛坯零件、机座和电机箱壳等的加工。第三周我们就得到指导老师的具体任务分配，和给我们了一些参考资料。我就开始查找资料和认真阅读。在网上文库中看一些相关的论文，在图书馆我先后借了十多本书。通过阅读这些资料。我了解了数控技术的原理，数控机床的相关知识，以及加工中心的工作原理。虽然我负责的是电气设计，但我也看了PMC编程技术和一些逻辑程序。在查阅资料的同时，我们每周会定时去公司结合实际的机床观看，并请教实习公司的技术人员，这样喔就解决许多在看资料时遇到的问题。这样就充分运用实际的资源解决了问题。前几周我都会去图书馆阅读数控机床相关的书籍，为后续的工作做好准备。开始一段时间，由于我们是合作分工，共同完成整个加工中心的设计，所以我们对自己的具体任务不是很清楚。后来在指导教师的讲解下，我们清楚了目标和任务。带着我的任务，我就能很有目的性的查找数控机床电气设计的资料。于是我就围绕参考资料，开始对加工中心的电气进行设计了。加工中心的电机和伺服驱动模块需要交流供电，它们需要的电压值不相同，所以需要一些变压器，进行电压的变压。主要使用的交流电压有三相380V，两相380V,三相200V，两相200V等。还有一部分电路需要24V的直流电压，所以使用了两个直流稳压电源，为信号灯等提供电能。在多次请教老师和反复修改下，我所做的电气原理图完成了。通过这次对加工中心的电气的设计，我已经较为详细的了解了数控机床电气部分，对以后这方面的设计将会为我提供基础知识。在查阅资料的过程中，我也收获了许多以前没接触的知识。比如主轴电机、直线电机的原理，一些机床上用到的位置和速度检测器件及其工作原理。总而言之，这次毕业设计后，我学到了许多有用的知识，提高了自己解决实际问题的能力，充分综合、运用、巩固了大学四年所学知识，为以后工作打好了一次良好的基础。致谢词这次毕业设计中我遇到了许多困难和问题，感谢我的指导老师张恕远耐心地指导和提示。他为我提供了许多参考资料，为我指明查资料和学习的方向。并在每次检查时，张老师都会仔细而耐心地看我画的原理图，指出问题和不足，并为我提供参考的改进方案。另一位公司的王海岩老师，结合实际生产现场，为我讲解实际而详尽的数控机床电气控制的例子。她多次给我讲解机床工作原理，让我更加明白了机床的整体构成。我在自己阅读中遇到的问题，也可以在她那里找到答案。在工厂实习和完成毕业设计中，同学们也给予我很大的帮助。在此，深切地感谢老师们的无私奉献和同学们的热情帮助！【参考文献】1 吴晓苏. 数控机床结构与装调工艺. 北京：清华大学出版社，2010.2 张维津. 数控原理. 北京：机械工业出版社，2012.3 张永飞. 数控机床电气控制. 大连：大连理工大学出版社，2006.4 龚仲华. FANUC-0iD 选型与设计. 北京：机械工业出版社，2013.5 王炳实. 机床电气控制. 北京：机械工业出版社，2004.6 杨克冲. 数控机床电气控制. 湖北：华中科技大学出版社，2005.7 王贵成. 数控机床故障诊断技术. 北京：化学工业出版社，2005.8 王贵明. 数控实用技术. 北京：机械工业出版社，2000.9 李宏胜. 机床数控技术及其应用. 北京：高等教育出版社，2001.10 丁数模. 机械工程学. 北京：机械工业出版社，2003.11 李思桥. 数控机床与应用. 北京：大学出版