小型数控机床主轴控制系统设计毕业论文

装订线毕业设计（论文）报告纸小型数控机床主轴控制系统设计摘 要本论文主要介绍了小型数控车床的主轴控制系统的结构、分类及发展方向；根据电气控制的要求，进行电气方案的确定，设计了的电气原理图，主要包括电源电路、主轴电路、强电控制电路及PLC输入/输出电路等。给出电气元器件的参数计算方法以及变频器的型号选择，确定了图中电气元件的参数，并且列出电气元件的明细表。根据设计要求及强电控制线路和控制要求，编写PLC程序，介绍了FANUC系统内置PLC的地址信号、FANUC系统的指令以及编程；最后，针对所设计的内容进行总结。关键词：CNC;主轴控制系统；PLC AbstractThis paper focuses on the small CNC lathe spindle control system, classifying and development directions; according to the electrical control requirements, electric scheme, designed the electrical schematics, mainly include power circuit, spindle circuit, strong electric control circuit and PLC input/output circuit. Given the parameters of the electrical components, as well as the calculation method for the frequency converter model options, determine the figure in the electrical components of the arguments, and electrical components list. According to the design requirements and strong electric control line and control requirements, write the PLC program, describes the FANUC system built-in PLC address signals, FANUC system of instruction and programming; and finally, for the design of the content of the summary.Key words: CNC; spindle control system; PLC 目 录第1章 概述31.1课题的背景及意义41.2 数控机床主轴控制系统简介5第2章 电气控制系统原理图的设计72.1 电气方案的确定72.2 电气原理图的设计92.3 电气元件参数的设定11第3章PLC程序的设计173.1 FANUC系统PLC信号简介173.2 FANUC系统的PLC指令173.3 PLC程序编程20第4章 结 论23谢 辞24参考文献25附录26第1章 概述 现代化的金属切削机床均用电动机作为动力源.机床主轴转速、位置进给量的调节以及工作循环的控制与操作等离不开相应的电气控制系统.机床的电气控制系统已经成为现代机床不可缺少的重要组成部分.而以电气为主的自动控制系统使机床的性能不断提高,使其工作机构.传动机构大为简化。众所周知，高速主轴系统历来就是数控机床三大高新技术之一(高速主轴、数控系统、送给驱动)。 随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不断地向高速、高精、高效、高智能化发展，内装式电主轴单元已成为最能适宜上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一。尤其是在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，内装式电主轴单元的优异特点是其他类型主轴单元不能替代的。 据中国机床工具工业协会专项信息EMO2003考察报告汇编介绍：2003年意大利米兰欧洲国际机床展览会中，大部分展出的加工中心均采用电主轴配置。其最高转速普遍为12,000-20,000r/min。其中最高的是日本MAKINO铣床公司的J4M卧式加工中心，其配备的电主轴最高转速可达60,000r/min。本次展会电主轴展品琳琅满目，具有不同档次的技术性能，可选择性较大。高速电主轴的最高转速及功率、扭矩普遍提高。有的还采用了传感技术对振动进行监测和诊断。瑞士的IBAG、Step-Tec、Flscher、Starrag-Heckert公司，德国的GMN、Cytec、INA，意大利的Gamfier、Omlat等公司的电主轴都各有特色。 我国大型数控铣、加工中心和数控车床实用型电主轴的开发始于1998年。洛阳轴研科技股份有限公司在“九五”期间，以国家重点科技攻关项目为依托，先后开发了装备国产电机的、最高转速为15,000r/min、12,000r/min。10,000r/min、 8,000r/min的内装式电主轴，其最大扭矩为129Nm。十五”期间又继续开展上述科技攻关工作。到2003年止，洛阳轴研科技股份有限公司又先后开发了用于高速数控铣的30,000r/min电主轴和用于加工中心的24,000r/min电主轴。同时又系列开发了转速自5,000r/min到12,000r/min的数控车床用电主轴。与此同时，北京机床研究所数控机床有限公司也相继开发了用日本FUNAC电机组装的15,000r/min、20,000r/min电主轴。北京机电研究院、上海第二机床厂等单位，利用德国REXROTH的电机组装成转速高于10,000r/min的电主轴。北京第一机床厂和日本大隈合作也开发出转速高于10,000r/min的电主轴。近期又有汉川机床厂，济宁博特精密丝杠制造有限公司，大连金功机械有限公司等数家企业相继投入开发电主轴单元的行列。 1.1课题的背景及意义国内外数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是数控车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。从手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，从有触点的继电接触器控制系统发展到以计算机为核心的软件控制系统，电气控制技术是随着元器件的不断更新和计算机技术的发展，并且综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等先进科技成果而迅速发展起来的。由于PLC可靠性很高，平均无故障运行时间可达10万小时以上，可以大大减少设备维修费用和停产造成的经济损失。当前PLC已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置，在工业自动控制领域占有十分重要的地位。1.2 数控机床主轴控制系统简介目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调速电机，他们与逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，多恭喜自动换刀的数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床的变速时按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床主传动主要有三种配置方式。 (1)带有变速齿轮的主传动这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。(2)通过皮带传动的主传动这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。 (3)由调速电机直接驱动的主传动这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。1.2.1主轴控制系统结构和原理主轴是车床最主要的部件之一，整个机器的性能很大程度上决定于主轴的性能，主轴直接承受切屑力，转速的范围很大。所以我们引入主轴控制系统,利用CNC控制器监控主轴的转动速度和方向来完成对工件的精确加工。主轴控制系统由五个部分组成：控制器CNC、变频器、编码器、主轴电机、主轴。 主轴控制系统原理图如图1-1所示 图1-1 主轴控制系统原理图1.2.2主轴控制系统的发展方向随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。第2章 电气控制系统原理图的设计2.1 电气方案的确定2.1.1主轴变速的方式数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是车床构成中的一个重要部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。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，使主轴箱的结构大为简化。由于变频器的高性价比，所以变频器在车床上使用非常普遍。2.1.2车床数控系统 (1)FANUC数控系统 FANUC数控系统由日本富士通公司研制开发，目前在我国得到了广泛的应用。在中国市场上，应用于车床的数控系统主要有FANUC 0i TATBTC和FANUC 0imate MA等。(2)SIEMENS数控系统 SIEMENS数控系统由德国西门子公司开发研制，该系统在我国应用也相当普遍。目前，在我国市场上，常用的数控系统除SINUMERIK 840DC和SINUMERIK 840DM等。(3)国产系统 国内常用于车床的数控系统有华中数控系统，如HNC21T操作面板等；广州数控系统，如GSK928T、GSK980T操作面板等；北京航天数控系统，如CASNUC 2100等；南京仁和数控系统，如RENHE一321oT100T等。 （4）其他系统除了以上3类主流数控系统外，国内使用较多的数控系统还有日本三菱数控系统和大森数控系统、法国施耐德数控系统、西班牙的法格数控系统和美国的AB数控系统等。2.1.3 电气方案的确定本课题主要设计小型数控车床的主轴控制系统，我们要对内置PLC、FANUC数控系统以及主轴控制系统进行论证。1FANUC的数控系统的优点通过本课题的调研情况综述，我们了解到FANUC的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统。主要体现在以下几个方面: （1）系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换； （2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为045，相对湿度为75； （3）有较完善的保护措施。FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路； （4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求； （5）提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性； （6）具有很强的DNC功能。系统提供串行RS232C传输接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作； （7）提供丰富的维修报警和诊断功能。FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。2可编程控制器的优点（1）可靠性高。 可靠性是用户的首要要求，因而PLC的生产厂家都着力于提高可靠性指标。目前各生产厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时。而且规模较大、要求较高的系统还可以采用多机冗余系统或表决系统，再进一步提高系统的可靠性。（2）编程方便，易于使用。 PLC编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。今年来又发展了面向对象的顺控流程图语言，使编程简单更方便。（3）控制功能极强。 除基本的逻辑控制、定时、记数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为了方便工厂管理又可以上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。（4）扩展及外部联接极其方便。由于具有上述特点，故PLC的应用范围极其广泛。可以说只要有工厂，有控制要求，就会应用PLC。3主轴变频器的优点变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，其靠改变电机电源频率来实现调速的，调速范围大，可减速也可增速，并且可以作为电机的启动器，有节能，提高生产率，提高产品质量，设备合理化，节省维护，工厂自动化，改善环境，耐恶劣环境等很多的优点。通过以上论证，故本课题所设计的数控车床采用了日本FANUC公司POWER MATE 0数控系统，能够实现我们的设计方案。2.2 电气原理图的设计 电气原理图是表达所有电器元件的导电部件和接线端子之间的相互关系。根椐便于阅读和分析线路及简单清晰的原则，电气原理图应该采用标准电气元件图形符号绘制。电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分。主电路是从电源到电动机等通过大电流的电路。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路和保护电路等，辅助电路中流过的是小电流。2.2.1 CNC电路的设计 本课题采用FANUC公司POWER MATE 0数控系统，该系统有以下性能。1） 可控制2台性能价格比好的FANUC 系列交流伺服电动机。2） 采用最新的新硬件技术，控制器小型、紧凑、可靠性更高。3） 内置PLC，可简化外部强电线路。具有螺纹切削、恒线速控制、刀尖半径补偿等车削特有的功能。此外为了简便地制定加工程序，配备了用户宏程序功能，提高加工精度的补偿功能。4） 显示器CRT/MDI画面清晰，操作方便。CNC电路见其附录图1，W1-A1为CNC装置。CNC装置控制变频器（JA11）、主轴位置编码器(JA12)、手摇脉冲发生器（W1-GP）及强电柜；M1-K1为接通/断开继电器。2.2.2电源电路的设计 电源电路见附录图2,.其中D1-QF1为电源总断路器，电源AC380V供给变频器。D1-TC1为控制变压器，一次侧为AC380V，二次侧为220V，为交流接触器提供电源；D1-VC1为开关电源，为CNC、CRT/MDI、中间继电器提供DC24V电源。D1-FU1、-FU2、-FU3、-FU4、-FU5为电路的断路保护。2.2.3主轴电路的设计主轴电路见附录图3，采用变频器（H1-A1）控制，配置3.7KW、2890 r/min的交流异步电动机（H1-M1），这是一个速度开环控制系统。CNC输出的模拟信号（010V）到变频器13、14端，从而控制电动机的转速，通过设置变频器的参数，实现从最低速到最高速的调速；H1-K1为主轴交流接触器，接通/断开主轴动力电源；主轴上的位置编码器H1-GP使主轴能给驱动同步控制，以便加工螺纹；M3-K2、M3-K3为主轴正反转继电器，通过PLC实现正反转；M1-K2为急停继电器，当按下急停按钮时，断开主轴电路；当变频器有异常情况时，通过1、2端子输出报警信号到PLC。2.2.4强电控制电路的设计强电控制电路见附录图4.当按下急停按钮M1-SB1时，SB2、SB3为CNC接通/断开按钮，发出急停信号-K2停止主轴转动，打开电源钥匙M1-SA1,接通中间继电器-K3，AC220V上电，M3-K1为通过PLC接通主轴电动机接触器H1-K1的信号。2.2.5 PLC输入/输出电路的设计PLC的输入电路见附录图5，M2-SB1、-SB2为主电动机接通/断开按钮；按下急停按钮时发出急停信号M1-K2，机床立即停止工作；当机床设备异常，出现一个报警信号时，报警灯亮。 PLC的输出电路见附录图6，M3-K1为接通主轴电动机继电器，-K2、-K3为主轴正反转继电器。2.3 电气元件参数的设定2.3.1 熔断器的选择1. 熔断器的结构熔断器在结构上主要是由熔断管，熔体及导电部件等部分组成。作为熔体串联与电路中，简单而有效的保护电器。在电路中，当电路发生短路或过载故障时，通过熔体的电流使其发热，但达到熔化温度时，熔体自动熔断，从而分断故障电路，起到过载和短路保护作用。熔断器的类型分为瓷插式、螺旋式和封闭管式三种。2熔断器的主要参数额定电压：指熔断器长期工作时和分段后能够承受的电压，其值一般等于或大于电气设备的额定电压。额定电流：熔断器长期通过的、不超过允许温升的最大工作电流值。熔体的额定电流：指长期通过熔体而不是其熔断的最大电流值。熔体的熔断电流：指通过熔体电流并使其融化的最小电流值。极限分断能力：指熔断器在故障条件下，能够可靠地分断电路的最大短路电流值。3熔断器的选择主要是根据熔断器的种类、额定电压、额定电流、熔体额定电流以及现在电路负载性质决定，具体可按如下原则选择。1） 熔断器的额定电压应大于或等于电路工作电压。2） 电路上、下两级都设熔断器保护时，其上、下两级熔体电流大小的比值不小于1：6：1。3） 对于电感性负载的电动机电路，只做短路保护而不宜做过载保护。4） 在电动机回路中作短路保护时，熔体的额定电流可按下列情况确定。对于单台直接起动电动机，应按下式计算 I=（1.52.5）I式中 I熔体的额定电流; I-电动机的额定电流。对于多台直接起动电动机，应按下式计算 I=（1.52.5）I+I式中I-功率最大的一台电动机的额定电流； I-其余电动机的额定电流之和。 根据接触器所控制负载回路的电压,电流及所需触电的数量来选择接触器.本设计中D1-FU1对用主轴电动机H1-M1短路保护,H1-M1的额定电流为10.5A。计算熔断器D1-FU1的额定电流为：I=10.51.5=15.8A故D1-FU1选用额定电流为25A的熔断器。熔断器D1-FU2的额定电流为：I=(150380)1.5=0.6A故D1-FU2选用额定电流为2A的熔断器。熔断器D1-FU3的额定电流为：I=(100220)1.5=0.68A故D1-FU3选用额定电流为2A的熔断器。熔断器D1-FU4的额定电流为：I=1222201.5=0.16A故D1-FU4选用额定电流为2A的熔断器。熔断器D1-FU5的额定电流为：I=100241.5=6.25A故D1-FU5选用额定电流为6A的熔断器。2.3.2 接触器的选择接触器是用来接通或断开电动机或其它负载主电路的控制元件，它是利用电磁力来使开关打开或闭合的电气，适用于频繁操作、远距离控制大电流电路。接触器按其主触点通过电流的种类不同，分为直流、交流两种，机床上应用最多的是交流接触器。工作原理是当电磁线圈通电后，在铁心产生磁通，将衔铁吸和。主触点在衔铁带动下闭合，接通了主电路，于此同时，辅助触点的动合触点闭合，而动断触点断开，当电磁线圈失电时或电压显著降低时，由于反力弹簧的作用，衔铁被释放，所有触体恢复常态。1接触器的主要技术参数1） 额定电压 指的是主触头的额定工作电压，选用时必须使额定电压与所控电路的电压相符。交流继电器的额定电压一般为220V、380V；直流继电器的额定电压有220V、440V、660V等。辅助触头的额定电压一般为交流380V，直流220V。2） 额定电流 是指主触头的额定工作电流。它在一定条件下（额定电压、使用类别、额定工作制、操作频率等）规定的，保证电气正常工作的电流值。若工作条件改变则额定电流也将发生变化。目前中国生产的接触器额定电流的范围为6-4000A。3） 接通和分断能力 指接触器主触点在规定条件下能可靠地接通和分断电流值。在此电流值下，接触器接通时主触点不应发生熔焊；接触器分断时主触点不应发生长时间的燃弧。若超出此电流值，其分断则是熔断器、断路器等保护电器的任务。4） 额定操作频率 指每小时的操作次数。交流接触器最高为600次/h，而直流接触器最高为1200次/h。操作频率直接影响到接触器的电寿命和灭弧罩的工作条件，对于交流接触器还影响到线圈的温升。2 交流接触器的选择选择交流接触器时主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率等。1） 根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器。2） 交流接触器的额定电压（指主触点的额定电压）一般为500V或380V两种，应大于或等于负载电路的电压。3） 根据电动机的功率和操作情况来确定接触器主触点的电流等级。1. 接触器的额定电流（指主触点的额定电流）有5A、10A、20A、40A、60A、100A和150A等几种，应大于或等于被控制回路的额定电流。2. 电动机类负载可按下列经验公式计算 I=P/KU式中 I-接触器的主触点电流，单位为 A； P-电动机的额定功率，单位为 KW； U-电动机的额定电压，单位为 V； K-经验系数，K=11.4。5） 接触器线圈的电流种类（交流和直流两种）和电压等级应与控制电路相同。交流接触器线圈电压一般为36V、110V、127V、220V、280V等几种。触点数量和种类应满足主电路和控制电路。本设计中，M1-K1控制强电电路220V电源，需要主触点三对、辅助触点一对，主触点电流为5A，线圈电压为220V。依此类推，H1-K1需要主触点三对，主触点电流为10A，线圈电压为220V。 2.3.3 继电器的选择它是一种自动操纵远程设备的电器，广泛应用于自动控制系统、遥控、遥测系统、电力保护系统以及通信系统中，起着控制、检测、保护和调节的作用，是现在电器装置中最基本的电器之一。虽然继电器与接触器都是用来自动接通或断开电路，但是他们仍有很多不同之处。继电器可以对各种电量或非电量的变化作出反应，而接触器只有在一定的电压信号下动作；继电器用于切换小电流的控制电路，而接触器则用来控制大电流电路，因此继电器触点容量较下（不大于5A）。继电器用途广泛，种类繁多。按反应的参数可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等；按动作原理可分为电磁式、电动式、电子式等。按输入信号的不同可以分为电压继电器、中间继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器等。本设计中，采用的中间继电器M3-K3、-K4控制主轴电动机H1-M1的正反转，M1-K2控制主轴电机的急停；变频器的速度设定电压指令为010V。所以M3-K3、-K4选用的中间继电器常开常闭触点各四对，额定电流为5A，吸引线圈额定电压为24V，M1-K2选用的中间继电器常开常闭触点各四对，额定电流为5A，吸引线圈额定电压为24V。M1-K1控制NC的起动/停止，选用的中间继电器常开常闭触点各四对，额定电流为5A，吸引线圈额定电压为24V；控制电机接通的M3-K1选用的中间继电器常开常闭触点各四对，额定电流为5A，吸引线圈额定电压为24V。2.3.4控制变压器的选择变压器式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。选择变压器的主要依实际情况选择。 1) 根据实际情况选择一次额定电压U1（380V、220V），在选择二次额定电压U2(二次额定值是指初级加额定电压时，二次的空载输出电压，二次带有额定负载时输出电压下降5%，因此选择输出额定电压时应略高于份额在额定电压)。 2) 根据实际负载情况，确定各二次绕组额定电流I。一般绕组的额定输出电流应大于或等于额定负载电流。 二次额定容量由总容量确定。根据经验公式 P=KP式中 P-电磁元件的吸持功率和灯等负载消耗的功率，单位为 kW； K-变压器的容量储备系数，K=1.11.5。本课题中选择的接触器、继电器一般功率12W，系统输入输出小于100W,由于本课题中控制变压器的容量P可根据由它供电的最大工作负载所需要的功率来计算并留用一定的余量.所以本设计中的控制变压器D1-TC1的容量为：P=(100+124)1.2=150VA因此控制变压器D1-TC1的容量选择为150VA。2.3.5 电源开关的选择电源总空气开关D1-QF1主要给主轴电动机H1-M1提供电源, 而在控制变压器二次侧的NC、强电控制电路等在变压器一次侧产生的电流相对较小,因此电源总空气开关D1-QF1的额定电流的选择主要考虑主轴电动机H1-M1的额定电流，其额定电流分别为10A。低压断路器对于电动机负载，通常按起动电动机的1.7倍整定，以此可以计算D1-QF1的额定电流为：I=1.710A=17A因而，电源总空气开关的额定电流就选择在20A左右。2.3.6变频器的选择随着变频调速技术的成熟，控制芯片和模块的硬件水平不断提高，变频器成本的不断下降。这就使得变频器的应用也就越来越广泛，和其它调速方式相比，变频调速以其极高的性价比得到了普遍认可，成为电机调速领域的主力军。根据生产机械的负载特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，决定选用那种控制方式的变频器，在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数：(1)电动机的极数。一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量就要适当加大。(2)转矩特性、临界转矩、加速转矩。在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取。(3)电磁兼容性。为减少主电源干扰，使用时可在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。一般当电动机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。数控车床用变频器特点如下：(1)体积小，属于迷你型产品，占用控制柜空间较小; (2)控制方式为正弦波SPWM(提供无速度反馈矢量控制)，控制性能较以前的VF控制方式性能上有很大的改善，特别是在低速转矩上满足机床主轴的需求，5Hz时起动转矩能够达到150%以上;(3)载波频率范围015kHz，减小电机的电磁噪音; (4)提供标准的010V模拟量接口(输入阻抗47k，输出阻抗250k)，能够与大多数数控系统接口兼容，通用性强; (5)过载能力强，150%以上额定输出电流超过一分钟; (6)提供多功能的输出端子信号，例如零速信号，运转中信号，速度到达信号，故障指示，满足系统对于主轴速度状态的监控; (7)自动转矩补偿，满足机床主轴在低速情况下的加工需求; (8)提供三组异常纪录，供维修人员从侧面了解机床主轴实际的运行状况; (9)电机参数自动整定功能，在线识别电机参数，保证系统的稳定性和精确性。按照课题的要求，本课题选用的是FR-S540E-3.7K-CH 型号的变频器。 2.3.7 其他元气件的选择1.直流稳压电源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、直流继电器及信号指示灯等提供直流电源。在数控机床中主要使用开关电源。直流稳压电源的功率为100W。2.按钮的选择 根据需要的触电数目,动作要求,使用场合及颜色等进行按钮的选择。一般用红色表示停止，绿色表示启动。本设计中 按钮M1-SB1为急停按钮，红色；M1-SB2和M2-SB1选择按钮的颜色为绿色, 按钮M1-SB3、M2-SB2选择的颜色为红色。共 31 页 第 33 页第3章PLC程序的设计3.1 FANUC系统PLC信号简介FANUC POWER MATE 0系统PMCPA1型PLC，PLC的输入/输出信号是来自机床侧的直流信号。信号地址表明了信号的位置。这些地址信号包括机床的输入/输出信号和CNC的输入/输出信号、内部继电器、非易失性存储器等。其信号地址由地址号（字母和其后四位之内的数）和位号（07）组成，格式如图4-1所示。主要的地址类型如表4-1所示。 地址类型表4-1 符号符号类型X由机床至PLC的输入信号（MTPLC）Y由PLC至机床的输出信号（PLCMT）F由CNC至PLC的输入信号（CNCPLC）G由PLC至CNC的输入信号（PLCCNC）R内部继电器 图4-1 信号地址的格式D非易失性存储器 PLC的内部R与非易失性存储器D都是系统内部存储器，但是他们之间有所区别。R地址中的数据在断电后会丢失，在上电时候其中的内容为0，而D地址中的数据断电后可以保存，因而常用来做PLC的参数或者用做数据表。3.2 FANUC系统的PLC指令数控机床用FANUC PLC有PMC-A、PMC-B、PMC-C、PMC-D、PMC-G和PMC-L等多种型号，它们分别适合用于不同的FANUC数控系统，组成内装式的PLC。PLC变成使用惯用的继电器符号和简单的逻辑指令、功能指令编制梯形图，其读/写存储器RAM主要用于存放随机变化的数据、表格等，接有备用锂电池能实现断电自保，输出负载能力小于5VA，最大可达25VA。FANUC PLC的输入信号式来自机床侧的直流信号，规格为30V，16mA。在FANUC系列的PLC中，有基本指令和功能指令两种指令，型号不同时，只是功能指令的数目有所不同，除此以外，指令系统是完全一样的。表4-2基本指令No.指 令处 理 内 容 1RD读出指定信号状态,在一个梯级开始的触点是常开触点时使用 2RD.NOT读出指定信号的“非”状态,在一个梯级开始的触点是常闭触点时使用 3WRT将运算结果写入到指定的地址 4WRT.NOT将运算结果的“非”状态写入到指定的地址 5AND执行触点逻辑“与”操作 6AND.NOT以指定信号的“非”状态进行逻辑“与”操作 7OR执行触点逻辑“或”操作 8OR.NOT以指定信号的“非”状态进行逻辑“或”操作 9RD.STK电路块的起始读信号，指定信号的触点是常开触点使用 10RD.NOT.STK电路块的起始读信号，指定信号的触点是常闭触点使用 11AND.STK电路块的逻辑“与”操作 12OR.STK电路块的逻辑“或”操作功能指令用到END1、END2两种信号，处理的内容是第一级程序和第二级程序结束。功能指令见表4-3。表4-3 功能指令序号指令助记符指令代码处理内容1END1SUB1第一级程序结束2END2SUB2第二级程序结束3TMRBSUB24固定定时器处理4DECBSUB25二进制译码END1在程序中必须指定一次，其位置在第一级程序的末尾，当无第一级程序时，则在第二级程序的开头指定。END2在第二级程序末尾指定。定时器指令TMR和TMRB在数控机床梯形图中，是不可缺少的指令，功能相当时间继电器。（1） TMR定时器。它是设定时间可以更改的通电延时型定时器，如图4-2所示，在保持型存储器的T区设定时间，T区共有80字节，两个字节诶一个定时器，定时器号为140，其中18号定时器的单位为48ms最大为1572.8s，940号定时器的单位为8ms ，最大为262.1s。定时器号图4-2 TMR指令控制原理：当ACT=0时，定时器关断，输出W1=0；当ACT=1时，定时器开始计时，达到预定的时间后，输出W1=1。（2） TMBR固定定时器。TMBR是设定时间固定的通电延时型定时器，如图4-3所示，通过功能指令参数来指定所需的延时时间。预设定时间以十进制来表示，以毫秒为单位（最大值为262136ms）。定时器号为1100。图4-3 TMBR指令（3）二进制译码指令DECB 数控机床在执行加工程序的运行中，除各轴要按程序指令运行外，还要执行程序指令规定的M功能、S功能和T功能.CNC以二进制代码形式输出M、S、T代码信号。这些信号需要经过译码才能从二进制编码状态，转换成具有特定功能含义的一位逻辑状态。DECB指令是对有CNC至PLC的1字节、2字节或4字节的二进制代码译码，如图4-4所示。图4-4中，格式说明为1（或2、4）指定了1字节（或2字节、4字节）的二进制代码；译码信号地址是指需译码的二进制代码的起始地址；译码规定数是指与译码有关的八个连续数的第一个；译码结果输出地址的第0位到第7位与译码规定数开始的八个连续数想对应,第0位对应第一个数,第一位对应第二个数,以次类推,第7位对应第八个数。当控制条件ACT=1时,对二进制代码进行译码,若译码出数据与译码规定数开始的八个连续的数中任意一个数符合时,译码结果输出地址中相对应的位被置为1,否则,对应的位被置为0。图4-4 DECB指令3.3 PLC程序编程3.3.1 PLC程序梯形图 PLC程序梯形图3.4.2 PLC程序信号地址说明PLC程序信号地址表如44。表44 PLC程序信号地址表序号名称信号地址序号名称信号地址1急停X1000.411复位F1.1:4手动方式X1003.014手动方式R0.1:5电机通X1000.715主轴正转R10.3:6电机断X1001.016主轴反转R10.4:7电机通Y1000.0:17主轴停R10.5;8主轴正转Y1000.2:18急停G8.49主轴反转Y1000.3:19主轴停G29.63.3.3 PLC程序功能的说明按下急停按钮，发出急停信号X1000.4，线圈G80.4通电，第一层结束。机床准备好时，线圈R0.0通电；常开触点R0.0接通，线圈Y1001.6通电，正常灯亮。按下手动按钮，常开触点X1003.0接通，机床手动方式打开。机床准备好，常开触点R0.0接通，按下电机接通按钮，发出电机接通信号X1000.7，线圈X1000.0通电，电机接通。 机床准备好，且无任何报警信号产生时，电机接通，按下主轴正(反)转按钮，线圈X1000.2通电，主轴正(反) 转并自锁。译码指令DECT对电机通主轴正、反转信号进行译码。主轴正反转，输出信号R10.3（R10.4），线圈Y1000.7通电，线圈G5.0通电，主轴正反转结束,第二层结束。第4章 结 论在完成这次毕业论文过程中，我认识到了很多，我查阅了大量的现有国内外有关经济型数控车床的参考文献资料，深刻理解现有数控车床控制系统的运动原理以及控制方法，设计过程中充分借鉴现有的优良结构，在此基础上进行创新性设计。同时我不仅复习了理论知识，把自己以前在学习中似是而非的问题弄懂弄明白，也很好的与实践相结合，做到了学以致用。同时知道了自己的不足，让我了解到自己所学习到的知识还不够全面。在对论文的反复修改中，学会了写论文的一些基本知识以及如何才能写出一份合格的论文，同时，也深刻认识到做学问的严谨性，不得有半丝含糊。设计过程中指导老师和同学的帮助尤其重要，在我遇到困难时，他们总能给我鼓励和帮助，经过努力才能完成设计。这让我明白在设计中遇到问题，就要好好地分析问题，做到相互协调合理，才能解决问题，增长经验。在这次设计中我还学会了谦逊、团结、互助只要我们努力，我们总会得到意想不到的结果！谢 辞恩若救急，一芥千金。在完成毕业设计期间，我得到了夏燕兰老师的倾心指导，夏老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，她会及时地纠正我在设计中的错误，无论每次我遇到了什么样的难题，她都尽量地帮我解决，指导我正确地走向下一步。经过查询资料、整理材料、写作论文，今天终于可以顺利的完成我的毕业论文了，感触颇多，于是写下这一段感谢词，感谢大学三年期间，老师们在学习和生活中对我的淳淳教诲。想想大学的学习生活的点点滴滴历历在目。三年的努力与付出，随着论文的结束，终于让我的大学的生活，得以划下了完美的句点了。 参考文献1 夏燕兰主编 数控机床电气控制.北京：机械工业出版社，2006.22 王炳实主编 电气控制技术.北京：机械工业出版社，20043 方承远主编 工厂电气控制技术.北京：机械工业出版社，20004 赵明，许缪编主编 工厂电气控制设备.北京：机械工业出版社，19995 郁汉琪主编 电气控制与可编程序控制器应用技术.南京:东南大学出版社,20066 姚锡禄主编 变频器控制技术与应用. 福州:福建科学技术出版社,2005 7 王仁祥主编 常用低压电器原理及其控制技术.北京：机械工业出版社，2002 8 王侃夫主编 数控机床控制技术与系统. 北京：机械工业出版社，2001 9 张柱银主编 数控原理与数控机床.北京：化学工业出版社，2003 10吴祖育 秦鹏飞主编 数控机床（第三版）.上海：上海科学技术出版社，2000附录CNC电路见图1图1 CNC电路图电源电路图见图2图2 电源电路图主轴电路图见图3图3 主轴电路图强电控制电路见图4图4 强电控制电路图PLC输入电路见图5图5 PLC输入电路PLC输出电路见图6图6 PLC输出电路09/20 11:46 102机体齿飞面孔双卧多轴组合机床及CAD设计09/08 20:02 3kN微型装载机设计09/20 15:09 45T旋挖钻机变幅机构液压缸设计08/30 15:32 5吨卷扬机设计10/30 17:12 C620轴拨杆的工艺规程及钻2-16孔的钻床夹具设计09/21 13:39 CA6140车床拨叉零件的机械加工工艺规程及夹具设计83100308/30 15:37 CPU风扇后盖的注塑模具设计09/20 16:19 GDC956160工业对辊成型机设计08/30 15:45 LS型螺旋输送机的设计10/07 23:43 LS型螺旋输送机设计09/20 16:23 P-90B型耙斗式装载机设计09/08 20:17 PE10自行车无级变速器设计10/07 09:23 话机机座下壳模具的设计与制造09/08 20:20 T108吨自卸车拐轴的断裂原因分析及优化设计09/21 13:39 X-Y型数控铣床工作台的设计09/08 20:25 YD5141SYZ后压缩式垃圾车的上装箱体设计10/07 09:20 ZH1115W柴油机气缸体三面粗镗组合机床总体及左主轴箱设计09/21 15:34 ZXT-06型多臂机凸轮轴加工工艺及工装设计10/30 16:04 三孔连杆零件的工艺规程及钻35H6孔的夹具设计08/30 17:57 三层货运电梯曳引机及传动系统设计10/29 14:08 上盖的工工艺规程及钻6-4.5孔的夹具设计10/04 13:45 五吨单头液压放料机的设计10/04 13:44 五吨单头液压放料机设计09/09 23:40 仪表外壳塑料模设计09/08 20:57 传动盖冲压工艺制定及冲孔模具设计09/08 21:00 传动系统测绘与分析设计10/07 23:46 保护罩模具结构设计09/20 15:30 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