数控车床进给变速控制电路

远 程 与 继 续 教 育 学 院 本 科 毕 业 论 文 设 计 题目 数控车床进给变速控制电路 学习中心 内蒙古学习中心 学 号 090F31133148 姓 名 刘建军 专 业 电气工程及其自动化 指导教师 刘真 2015 年 09 月 18 日 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院毕业设计 论文 1 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院 本科毕业论文 设计 指导教师指导意见表 学生姓名 刘建军 学号 090F31133148 专业 电气工程及其自动化 毕业设计 论文 题目 数控车床进给变速控制电路 指导教师意见 请对论文的学术水平做出简要评述 包括选题意义 文献资料的掌握 所用资料 实 验结果和计算数据的可靠性 写作规范和逻辑性 文献引用的规范性等 还须明确指出论文中存在的问题和不 足之处 指导教师结论 合格 不合格 指导教师 姓名 所在单位 指导时间 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院毕业设计 论文 2 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院 本科毕业设计 论文 评阅教师评阅意见表 学生姓名 刘建军 学号 090F31133148 专业 电气工程及其自动化 毕业设计 论文 题目 数控车床进给变速控制电路 评阅意见 请对论文的学术水平做出简要评述 包括选题意义 文献资料的掌握 所用资料 实验结果和 计算数据的可靠性 写作规范和逻辑性 文献引用的规范性等 还须明确指出论文中存在的问题和不足之处 修改意见 针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见 评阅成绩合格 并可不用修改直接参加答 辩的不必填此意见 毕业设计 论文 评阅成绩 百分制 评阅结论 同意答辩 不同意答辩 修改后答辩 评阅人姓名 所在单位 评阅时间 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院毕业设计 论文 3 论文原创性声明 本人郑重声明 本人所呈交的本科毕业论文 数控车床进给变速控制电路 是本 人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果 论文中引用他人的文献 资料均 已明确注出 论文中的结论和结果为本人独立完成 不包含他人成果及使用过的材料 对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意 本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范 没有侵权行为 并愿 意承担由此而产生的法律责任和法律后果 论文作者 签字 日期 2015 年 09 月 18 日 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院毕业设计 论文 4 摘 要 随着大规模集成电路和微型计算机为代表的微电子技术的迅速发展 传统的机械工业已 逐渐成为综合运用机械 微电子 自动控制 信息 传感测试 电力电子 接口 信号变换 以及软件编程等技术的群体技术 在传统的机械加工设备已经不能满足现代工业制造需求的 情况下 数控机床成为目前机械加工的主体 它在提高生产效率和产品质量 减轻操作人员 的体力劳动等方面起到了极其重要的作用 数控机床集机械 液压 气动 伺服驱动 精密 测量 电气自动控制 现代控制 计算机控制和网络通信等技术于一体 是一种高效率 高 精度 能保证加工质量 解决工艺难题和具有柔性加工特点的生产设备 它正逐步取代普通 机床 数控技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术 采用数控技术控制的机床 或者说 装备了主控系统的机床 称为数控机床 数控机床是机电一体化的典型产品 现代数控系统 又称为计算机数字控制系统 电气控制技术对现代机床的发展有着非常重要的作用 从广义上说 现代机床电气控制 技术的重要标志是自动调节技术 电子技术 检测技术 计算机技术 综合控制技术应用于 机床中 尽管现代机床的种类 功能和加工范围有所不同 但它们都离不开电气控制设备 离不开电气控制技术 电气控制装置的配备情况是现代机床自动化水平的重要标志 关键词 1 数控机床 2 电气控制 3 自动控制 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院毕业设计 论文 5 目 录 前 言 1 一 数控车床的概述 2 一 普通车床 2 1 普通车床电气控制 2 1 普通车床的结构及控制要求 2 2 普通车床的主要运动形式 2 3 普通车床的电气控制电路分析 3 二 数控车床和普通车床的全面对比 4 1 数控车床与普通车床的对比 4 2 数控车床的优越性 5 二 PLC 的概述 6 一 PLC 的简介 6 1 PLC 的基本组成 6 1 可编程控制器的组成 7 二 PLC 控制数控车床 9 1 I O 地址的分配 10 2 I O 接线图 10 三 数控车床进给系统设备选择 11 一 伺服电动机 11 1 直流伺服电动机 11 2 西门子 1FK7 HI 13 二 光栅尺 13 1 光栅尺 14 2 海德汉直线光栅尺 LIDA 279 14 三 PLC 控制器 15 1 简单介绍 16 2 定位和脉冲输出功能 16 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院毕业设计 论文 6 3 其它功能 16 4 FX1N 性能规格 17 四 转速感应器 19 1 速度传感器 20 2 转速传感器 YHDNJ 2 20 四 数控车床进给系统的电气控制 21 一 电气原理 21 1 电气接线 21 2 横向进给 21 3 纵向进给 22 4 电源控制 23 5 工作流程 23 五 数控车床进给系统的调试 25 一 电机调试 25 1 电机调试过程 25 二 系统调试 25 1 数控车床的系统调试方法 25 2 数控车床进给系统的调试 25 六 结 论 26 致 谢 27 参考文献 28 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院毕业设计 论文 I 前 言 目前 我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期 也是由封 闭型向开放型过渡的时期 我国数控系统在技术上已趋于成熟 在重大关键技术 包括核心技术 已达到国际先进水平 自 七五 以来 国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持 现已开发出具有中国版 权的数控系统 掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术 例如 曾长期困扰我国 并受 到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题 0 1m 当量的超精密数控系统 数 控仿型系统 非圆齿轮加工系统 高速进给数控系统 实时多任务操作系统都已研制成功 尤其是基于 PC 机的开放式智能化数控系统 可实施多轴控制 具备联网进线等功能既可作 为独立产品 又是一代开放式的开发平台 为机床及软件开发商二次开发创造了条件 特别 重要的是 我国数控系统的可靠性已有很大提高 同时大部分数控机床配套产品已能国内生 产 自我配套率超过 60 这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础 我国进行改革开放后 由于政策的开放 使得金属切削行业得以和世界上先进的机床制 造国家进行技术交流 并通过引进技术 到 80 年代初 国产数控机床进入实用化阶段 1991 年数控机床的产值数控化率为 14 3 到 1997 年数控机床产值数控化率为 24 5 目前 我国数控机床 包括经济型机床 品种约有 500 个 但是 与国外数控车床相比 在性能 质量设计 制造等各方面存在较大差异 并存在 许多不足 机械件的材质 加工精度 加工工艺存在较大差距 安全性较差 软硬件保护功 能不够 刀片磨损快 生产成本高 效率低 硬件设计方面不规范 不符合国标 比如使用 电压等级 电线颜色使用 图纸资料的绘制装订 提交等等 有的机床厂家甚至仍然停留在 十年二十年前的设计思想 程序设计方面缺乏标准 不规范 逻辑性不强 故障率高 在物 不符 维修困难 概括来说 精度及可靠性高 性能稳定故障率低 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 2 一 数控车床的概述 一 普通车床 1 普通车床电气控制 1 普通车床的结构及控制要求 下面以 CA6140 普通车床为例进行分析 其结构示意图如图 1 1 所示 图 1 1 CA6140 普通车床结构示意图 1 主轴箱 2 纵溜板 3 横溜板 4 转盘 5 方刀架 6 小溜板 7 尾架 8 床身 9 右床座 10 光杠 11 丝杠 12 溜板箱 13 左床座 14 进给箱 15 挂轮架 16 操纵手柄 2 普通车床的主要运动形式 车床的主运动为零件的旋转运动 由主轴通过卡盘带动零件旋转 是承担车削加 工时的主要切削功率 在车削加工时 要根据被加工零件材料 刀具种类 零件尺寸 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 3 工艺要求等来选择不同的切削速度和切削用量 在车削加工时 通常不要求反转 但 在加工螺纹时 为避免乱扣 要反转退刀 再纵向进刀继续加工 这就要求主轴应具 备正 反转功能 3 普通车床的电气控制电路分析 图 1 3 为 CA6140 普通车床的电气控制原理图 分为主电路控制电路及照明电路三部分 图 1 2 CA6140 普通机床的电气控制原理图 主 1 电路分析 在主电路中 一共有三台电动机 M1 为主轴电动机 带动主轴旋转和刀架作进给 运动 M2 为冷却泵电动机 用来输送切削液 M3 为刀架快速移动电动机 接通三相交流电源开关 QK 主轴电动机 M1 由接触器 KM1 控制起动 热继电器 FR1 作过载保护 熔断器 Fu 作短路保护 接触器 KM 还可作失压和欠压保护 冷却泵电动 机 M2 由接触器 KM2 控制起动 热继电器 FR2 作为冷却泵电动机 M2 的过载保护 接触 器 KM3 用于控制刀架快速移动电动机 M3 的起动 由于快速移动电动机 M3 是点动控制 故可不设过载保护 2 控制电路分析 控制电路的电源由控制变压器 TC 二次侧输出 110V 电源电压 主轴电动机 M1 的控制 按下起动按钮 SB2 接触器 KM1 的线圈得电吸合 KM1 主 触点闭合 主轴电动机 M1 起动运行 同时 KM1 的自锁触点和另一副常开触点闭合 按 下停止按钮 SB1 主轴电动机 M1 停转 主轴的正反转采用摩擦离合器实现 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 4 冷却泵电动机 M2 的控制 由于主轴电动机 M1 和冷却泵 M2 在控制电路中采用顺序 控制 所以只有在主轴电机 M1 运转情况下 即 KM1 常开触点闭合 冷却泵电动机 M2 得电才能起动 当 M1 停止运行时 M2 自动停止 如果车削加工过程中 工艺需要使用 冷却液 则可先合上开 SA1 刀架快速移动电动机 M3 的控制刀架快速移动电动机 M3 的起动是由安装在进给操 纵手柄顶端的按钮 SB3 控制 它与交流接触器 KM3 组成点动控制环节 刀架移动方向 的改变 是由进给操纵手柄配合机械装置实现的 按下按钮 SB3 接触器 KM3 得电吸合 电动机 M3 得电运行 带动工作台按指定方 向快速移动 将操纵杆复位 松开 SB3 接触器 K M3 断电 V13 停转 3 照明 信号灯电路分析 照明与信号灯电路中 由控制变压器 TC 的二次侧分别输出 24V 和 6V 电压 作为 机床照明灯和信号灯的电源 E1 为机床的低压照明灯 由开关 SA2 控制 H1 为电源的 信号灯 合上电源总开关 QS H1 亮 表示机床控制电路电源正常 分别由 FU4 和 FU3 作短路保护 二 数控车床和普通车床的全面对比 1 数控车床与普通车床的对比 1 数控车床的优势 制造业企业之间的竞争如果抛开技术环节外 拼的是产品质量和生产效率 数控 车床相对于普通车床来讲 可以大幅提升产品品质和生产效率 但是为什么很多企业 还不愿意使用数控车床呢 数控车床相对于普通车床 在精度 效率 合格率等方面占绝对优势 精度优势 普通车床靠齿轮和普通丝杠螺母传动 由于各运动副间存在间隙 加上手工操作 不准确 因此重复精度较低 普通车床测量时需停车后手工测量 测量误差较大 数控车床靠驱动电机带动滚珠丝杠传动 滚珠丝杠经过预拉伸安装后有过盈量 传动 无间隙 精度主要靠机床本身和程序保证 在加工过程中可以通过编码器进行位置测 量 可以补偿刀具磨损及其他原因产生的误差 所以加工质量好 精度稳定 批量生产效率优势 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 5 一台普通车床需要一个熟练的操作工人 由于使用手动三爪卡盘 并且测量时必 须停车后手工测量 加工效率低下 在批量生产 使用液压卡盘或弹簧夹头夹紧工件的前提下 一个不懂任何技术的工人 可以至少同时操作两台数控车床 生产效率是使用普通车床的 4 倍以上 合格率优势 普通车床由于是手工操作 人为影响非常大 一旦操作工的身体情况不佳或者思 想不集中 产品废品率会急剧上升 数控车床基本靠设备来保证加工精度 操作工基本只起到装卸工件和开关的作用 人 为影响很少 所以产品合格率比较高 劳动力资源优势 普通车床需要熟练操作工人 目前月工资水平是 3000 元 数控车床任何成年人都 可以操作 目前月工资水平是 2000 元 目前 数控车床在采购成本和单件生产成本方 面有一定的劣势 采购成本较高 同样规格的数控车床的价格是普通车床的 1 5 倍以上 但老金人为随着数控系统 价格的下降 数控车床成本上的劣势会越来越小 单件加工成本目前较高 目前的数控车床比普通车床单件加工的生产成本要高时不争的事实 但如果经过 改进 数控车床在单件生产的成本和效率上也将优于普通车床 2 数控车床的优越性 普通机床加工时 其加工成本相对较低 工序较长 且工步中很多具体细节由技 术工人来完成 对技术工人的水平要求相对较高 数控机床加工工艺相比较普通机床 加工工艺的优越性有以下几点 数控加工工艺的 内容十分具体 工艺设计工作相当严密 数控机床加工工艺与 普通机床加工工艺相比较 由于采用数控机床加工具有加工工序少 所需专用工装数 量少等特点 克服了普通传动工艺方法的弱点 一般来说 数控加工的工序内容要比 普通机床加工的工序内容复杂 从编程来看 加工程序的编制要比普通机床编制工艺 规程复杂 数控加工的工艺 复合性 采用数控加工后 工件在一次装夹下能完成镗 铣 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 6 铰 攻丝等多种加工 因此 数控加工工艺具有复合性特点 也可以说数控加工工艺 的工序把传统工艺中的工序 集成 了 这使得零件加工所需的专用夹具数量大为减 少 零件装夹次数及周转时间也大大减少 从而使零件的加工精度和生产效率有了较 大的提高 数控加工工艺设计是对工件进行数控加工的前期准备工作 无论是手工编 程还是自动编程 这项工作必须在程序编制工作以前完成 为了优化数控程序设计 提高编程效率 合理使用数控机床 我们必要对数控加工工艺设计等技术问题加以分 析 研究 以做好数控加工前的技术准备工作 数控加工取代传统加工占据生产制造的主导地位已成为一种趋势 但由于历史的 原因 传统的加工设备与先进的数控机床并存 是目前乃至今后很长一段时间内大多 数制造企业的设备现状 如何从工艺的角度根据各企业的设备现状 产品生产规模 零件结构形成与加工精度要求等方面来合理地进行产品工艺方案设计 充分发挥企业 现有数控设备与传统设备的加工效率 使企业设备资源与人力资源得到充分利用 需 要从多个方面来探讨 数控工艺与普通工艺结合的好环境直接影响到数控机床与普通 机床加工效率的发挥 进而影响到生产计划的高精度 高效率 高质量加工必须解决 的问题之一 因此 寻求传统加工工艺与数控加工工艺的合理衔接途径与措施 对于 提高企业的经济效益是非常有意义的 二 PLC 的概述 一 PLC 的简介 1 PLC 的基本组成 可编程控制器的结构多种多样但其组成的一般原理基本相同都是以微处理器为核 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 7 心的结构其功能的实现不仅基于硬件的作用更要靠软件的支持实际上可编程控制器就 是一种新型的工业控制计算机 1 可编程控制器的组成 PLC 是以 CPU 为核心的电子系统 实质上就是一种工业控制用的专用计算机 PLC 系统的组成与微机系统基本相同 它也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的 一 般小型 PLC 的硬件系统组成框图 其基本组成主要由 CPU 内存 输入模块 输出模块 电源模块 I O 扩展接口 外设 I O 接口以及编程器等部分组成 PLC 的软件系统也 包括系统程序和用户程序 中央处理单元 中央处理单元 CPU 是 PLC 的核心部件 整个 PLC 的工作过程都是在中央处理器的 统一指挥和协调下进行的 它的主要任务是在系统程序的控制下 完成逻辑运算 数 学运算 协调系统内部各部分工作等 然后根据用户所编制的应用程序的要求去处理 有关数据 最后在向被控制对象送出相应的控制 驱动 信号 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 8 图 2 1 PLC 的硬件结构框图 存储器 存储器是 PLC 用来存放系统程序 用户程序 逻辑变量及运算数据的单元存储器 的类型有可读 可写操作的随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM PROM EPEOM 和 EEPROM 输入 输出接口 输入 输出 I O 是 PLC 与工业控制现场各类信号连接的部件 PLC 通过输入接口 把工业现场的状态信息读入 输入部件接收的是从开关 按钮 继电器触点和传感器 等输入的现场控制信号 通过用户程序的运算与操作 对输入信号进行滤波 隔离 电平转换等 把输入信号的逻辑值准确 可靠地传入 PLC 内部 并将这些信号转换成 中央处理单元能接收和处理的数字信号 把结果通过输出接口输出给执行机构 PLC 通过输出接口 接收经过中央处理单元处理的数字信号 并把它转换成被控制 设备或显示装置能接收的电压或电流信号 从而驱动接触器 电磁阀和指示器件等 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 9 图 2 2 PLC 的等效工作电路 电源模块 电源部件是把交流电转换成直流电的装置 它向 PLC 提供所需要的高质量直流电 源 可编程序控制器时电源包括各工作单元供电的开关稳压电源和掉电保护电源 一般 为电 PLC 的电源与普通电源相比 其稳定性好 抗干扰能力强 许多 PLC 还向外提 供 DC24 V 稳压电源 用于对外部传感器供电 编程器 编程器是 PLC 必不可少的重要外围设备 它的主要作用是编写 输入 调试用户 程序 还可用来在线监视 PLC 的工作状态 与 PLC 进行人机对话 它是开发 应用 维护 PLC 不可缺少的设备 其他接口 其他接口包括外存储器接口 EEPPROM 写入器接口 A D 转换接口 D A 转换接口 远程通信接口 与计算机相连的接口 打 EP 机接口 与显示器相连的接口等 二 PLC 控制数控车床 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 10 1 I O 地址的分配 根据该系统的控制要求 输入输出设备 确定了 I O 点数 根据需要控制的开关 设备大约输入点为 9 个 输出点为 6 个需进行控制 现将 I O 地址分配如表所示 表 2 1PLC 控制系统 I O 分配表 输入信号 PLC 地址 输出信号 PLC 地址 反接制动按钮 SB1 I0 0 X 轴电动机 M1 正转 KM1 Q0 0 X 轴电动机 M1 的正转按钮 SB2 I0 1 X 轴电动机 M1 反转 KM2 Q0 1 X 轴电动机 M1 的反转按钮 SB3 I0 2 Y 轴电动机 M2 正转 KM3 Q0 2 Y 轴电动机 M1 的点动按钮 SB4 I0 3 Y 轴电动机 M2 反转 KM4 Q0 3 Y 轴电动机 M2 停止按钮 SB5 I0 4 X 轴电动机 M1 起 停 KM5 Q0 4 X 轴电动机 M1 起 停开关 SQ1 I0 5 Y 轴电动机 M2 起 停 KM6 Q0 5 Y 轴电动机 M2 起 停开关 SQ2 I0 6 速度继电器正转常开触头 KS1 I0 7 速度继电器正转常开触头 KS2 I1 0 2 I O 接线图 根据 PLC I O 端子的分配 画出了车床 PLC 控制系统 I O 接线图如图所示 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 11 图 2 3 车床 PLC 控制系统 I O 接线图 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 12 三 数控车床进给系统设备选择 一 伺服电动机 图 3 1 伺服电机实物图 西门子 1FK7 HI 1 直流伺服电动机 由于数控机床对进给伺服驱动装置的要求较高 而直流电动机具有良好的调速特 性 因此在半闭坏 闭坏伺服控制系统中 得到较广泛地使用 直流进给伺服电动机 就其工作原理来说 虽然与普通直流电动机相同 然而 由于机械加工的特殊要求 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 13 一般的直流电动机是不能满足需要的 首先 一般直流电动机转子的转动惯量过大 而其输出转矩则相对较小 这样 它的动态特性就比较差 尤其在低速运转条件下 这个缺点就更突出 在进给伺服机构中使用的是经过改进结构 提高其特性的大功率 直流伺服电动机 主要有以下两种类型 小惯量直流电动机 主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小 因此在结构上 与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽 以此表现为转子的转动惯量 小 仅为普通直流电动机的 1 10 左右 因此 响应特别快 机电时间常数可以小于 10 ms 与普通直流电动机相比 转矩与惯量之比要大出 40 50 倍 且调速范围大 运转 平稳 适用于频繁起动与制动 要求有快速响应 如数控钻床 冲床等点定位 的场 合 但由于其过载能力低 并且电动机的自身惯量比机床相应运动部件的惯量小 因 此应用时都要经过一对中间齿轮副 才能与丝杠相连接 在某些场合也限制了它广泛 地使用 大惯量直流电动机 又称宽调速直流电动机 是在小惯量电动机的基础上发展起 来的 在结构上和常规的直流电动机相似 其工作原理相同 当电枢线圈通过直流电 流时 就会在定子磁场的作用下 产生带动负载旋转的电转矩 小惯量电动机是从减 小电动机转动转量来提高电动机的快速性 而大惯量电动机则是在维持一般直流电动 机转动惯量的前提下 尽量提高转矩的方法来改善其动态特性 它既具有一般直流电 动机便于调速 机械特性较好的优点 又具有小惯量直流电动机的快速响应性能 因 此 可归纳为以下特点 转子惯量大 这种电动机的转子具有较大的惯量 容易与机床匹配 可以和机床 的进给丝杠直接连接 省掉了减速机构 故可使机床结构简单 即避免了齿轮等传动 机构产生的噪声和振动 又提高了加工精度 低速性能好 这种电动机低速时输出转矩大 能满足数控机床经常在低速进给时 进给量大 转矩输出大的特点 如能在 1 r min 甚至 0 1 r min 下平稳运转 过载能力强 动态响应好 由于大惯量直流电动机的转子有槽 热容量大 同时 采用了冷却措施后 提高了散热能力 因此可以过载运行 30 分钟 另外 电动机的定 子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料 可使电动机过载 10 倍而不会去磁 这就显著地 提高了电动机的瞬间加速力矩 改善了动态响应 加减速特性好 调速范围宽 这种电动机机械特性和调速特性的线性度好 所以调速范围宽而运 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 14 转平稳 一般调速范围可达 1 10000 以上 大惯量直流电动机尽管有上述优点 但仍有不如其它驱动元件的地方 如运行调 整不如步进电动机简便 快速响应性能不如小惯量电动机 这种驱动系统可直接接有 高精度检测元件 如一些测量转速和转角等检测元件 实现半闭坏 闭环伺服系统的 精确定位 2 西门子 1FK7 HI 在现代化机械设备和系统设计过程中 运动功能越来越多样 越来越复杂 因此 电机必须满足各种不同的应用需求 对于一般的低精度和低动态响应要求的应用状况 标准的感应电机就能够满足需求 而特别优化设计的同步电机能更好的实现运动控制 的要求 1FK7 系列伺服电机 是西门子针对运动控制应用而设计的 覆盖主要应用功 率范围段的同步电机 超高动态响应性 高过载能力 紧凑的结构设计 高质量稳定 性 长寿命 以及方便的安装调试性是这一系列电机的标志特性 力矩范围从0 18 到 48Nm 1FK7 电机是应用简便和高性价比运动控制应用的首选 1FK7 HI大惯量型电机 对比紧凑型电机 它拥有更高的转子转动惯量 在驱动大 惯量负载使时 特别增大的转子转动惯量能够提供一个稳定的动态响应 当使用大惯 量电机作为进给轴的驱动时 即使负载转动惯量大 或者是可变转动惯量 控制器的 默认设置就能够确保实现良好的工件表面质量 例如 机床进给轴负载的转动惯量大或者转动惯量可变的情况 大惯量电机包括6 个规格3 种轴高 力矩范围从3 到20Nm 额定转速最大可达6000rpm 二 光栅尺 图 3 2 光栅尺实物图 LIDA 279 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 15 1 光栅尺 光栅尺也称为光栅尺位移传感器 光栅尺传感器 是利用光栅的光学原理工作的 测量反馈装置 光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中 可用作直线位移或者 角位移的检测 其测量输出的信号为数字脉冲 具有检测范围大 检测精度高 响应 速度快的特点 例如 在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测 来观察和 跟踪走刀误差 以起到一个补偿刀具的运动误差的作用 2 海德汉直线光栅尺 LIDA 279 直线光栅尺测量直线轴位置时不存在任何 附加的机械传动元件 因此 它能消除 以 下潜在误差源 由于滚珠丝杠温度特性导致的位置误差 反向误差 滚珠丝杠 螺距误差导致的运动特性误差 因此 直线光栅尺已成为高精度定位和高 速加工不可 或缺的必备条件 敞开式直线光栅尺设计用于需要高精度测 量的机床和系统 典型 应用包括 半导体工业的测量和生产设备 PCB 电路板组装机 超精密机床 例如加 工光学元件的金刚 石刀具车床 加工磁盘的端面车床和加 工铁氧体元件的磨床 高 精度机床 测量机和比较仪 测量显微镜和其它精 密测量设备 直接驱动 机械结 构 敞开式直线光栅尺包括光栅尺或钢带光栅 尺和扫描头 光栅尺和扫描头间无 机械 接触 敞开式直线光栅尺的长光栅直接固定在安 装面上 安装面的平面度直 接影响直线光 栅尺精度 图 3 3 海德汉直线光栅尺 LIDA 279 详细参数 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 16 三 PLC 控制器 图 3 4 三菱 FX1N 40MT 001 实物图 图 3 5 三菱 FX1N 40MT 001 示意图 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 17 1 简单介绍 FX1N 系列是功能很强大的微 PLC 可扩展到多达 128 I O 点 并且能增加特殊功 能模块或扩展板 通信和数据链接功能选项使得 FX1N 在体积 通信和特殊功能模块等 重要的应用方面非常完美 2 定位和脉冲输出功能 一个 PLC 单元能同时输出 2 点 100KHz 脉冲 PLC 配备有 7 条特殊的定位指令 包 括零返回 绝对位置读出 绝对或相对驱动以及特殊脉冲输出控制 3 其它功能 表 3 1FX1N 40MT 001 功能 内置式24V 直流 电源 24V 400mA 直流电源可用于外围设备 如传感器或其它元件 时钟功能和小 时表功能 在所有的 FX1N PLC 中都有实时时钟标准 时间设置和比较指 令易于操作 小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信 息 持续扫描功能 为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期 输入滤波器调 节功能 可以用输入滤波器平整输入信号 在基本单元中 x000到 x017 元件注解记录 功能 元件注解可以记录在程序寄存器中 在线程序编辑 在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 18 4 FX1N 性能规格 表 3 2FX1N 40MT 001 性能指标 项目 规格 备注 运转控制方式 通过储存的程序周期运转 I O 控制方法 批处理方法 当执行 END指令时 I O 指令可以刷新 基本指令 0 55至0 7 s运转处理时间 应用指令 3 7至几百 s 编程语言 逻辑梯形图和指令清单 使用步进梯形图能生成 SFC 类型程序 程序容量 内置8K 步 EEPROM 存储盒 FX1n EEPROM 8L 可选 指令数目 基本顺序指令 27 最大可用177条应用指令 包括 所有的变化 I O 配置 最大硬体1 0配置点128 依赖于用户的选择 最大软件可设定 地址输入128 输出 128 100 毫秒 范围 0至3276 7秒200点 T0至 T199 10毫 秒 范围 0至327 67秒46点 T200至 T245定时器 T 1毫 秒 范围 0 001至32 767秒4 点 T246至 T249 RUN STO 开 关 面板上运行 停止开关易于操作 远程维护 远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测 上载或卸载 程序和数据 密码保护 使用一个八位数字密码保护您的程序 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 19 C0至 C15 一般 范围 0至32767数16点 类型 16位上计数器 C16至 C199 类型 16位上计数器 计数 器 C 锁定 184点 子系统 类型 32位双向计数器 高速 计数器 范围 2147483648至 2147483647数 C 单相 选择多达4个单相计数器 组合计数频率不大于 C235至 C238 4点 单相 c w 起始 5KHz C241 C242和 C244 停止 输入 或选择一个双相或 A B 相 计数器 组合计数频率不大 3点 数据 寄存器 D0至 D127 D 一般 128点 类型 32位元件的16位数据存 储寄存器 D128至 D7999 锁定 7872点 类型 32位元件的16位数据存 储寄存器 D1000至 D7999通过3块500程式 步的参数设置 文件 7000点 类型 16位数据存储寄存器 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 20 外部 调节 范围 0至255 2点 数据从外部设置电位器移到寄 存器 D8030和8031 指标 P 用于 CALL 128点 P0至 P127 用于 中断 6点 100 至130 上升触发 1 下降触发 0 16位 32768至 32768十进 位 K 32位 2147483648至 2147483647 16位 0000至 FFFF常数 十六 进位 H 32位 00000000至 FFFFFFFF 四 转速感应器 图 3 6 转速传感器 YHDNJ 2 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 21 1 速度传感器 转速传感器由磁敏电阻作感应元件 是新型的转速传感器 核心部件是采用磁敏 电阻作为检测的元件 再经过全新的信号处理电路令噪声降低 功能更完善 通过与其 它类型齿转速传感器的输出波形对比 所测到转速的误差极小以及线性特性具有很好 的一致性 感应对象为磁性材料或导磁材料 如磁钢 铁和电工钢等 当被测体上带有 凸起 或凹陷 的磁性或导磁材料 随着被测物体转动时 传感器输出与旋转频率相 关的脉冲信号 2 转速传感器 YHDNJ 2 YHDNJ 2型转速传感器采用现场总线设计技术 先进实用的设备组网功能 能够使 产品适用于更加广泛的工业现场 能够使转速检测快速 便捷的在各类工业控制测量 系统中得以实现 广泛应用于数控车床 航空 航天 汽车 钢铁 纺织等诸多行业 使用户对转速的数据检测轻松实现网络化测试和传输 表3 3YHDNJ 2工作指标 供电电源 12VDC 电流 0 3A 使用环境 温 度 20 50 湿 度 90 RH 大气压 90 106KPa 过载能力 150 F S 不准确度 0 1 0 5 F S 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 22 四 数控车床进给系统的电气控制 一 电气原理 1 电气接线 图 4 1 电气原理接线图 2 横向进给 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 23 图 4 2 X 轴实物控制图 3 纵向进给 图 4 3Y 轴实物控制图 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 24 4 电源控制 图 4 4 电源控制图 该电路图左边接两个伺服电机 M1 M2 右边是将通过变压器将 380V 的电流变为 220V 24V 12V 5V 的电流 再通过两个整流器将交流电变为直流电 供给 M1 M2 电 机 PLC 控制器 转速传感器以及光栅尺 5 工作流程 1 进给速度控制流程图 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 25 图 4 5 进给速度控制流程图 2 进给位置控制流程图 图 4 6 进给位置控制流程图 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 26 五 数控车床进给系统的调试 一 电机调试 1 电机调试过程 将已经写好的程序下载到 PLC 模块中 运行 PLC 将 PLC 参数送给转速传感器 传 感器进行速度反馈 进而控制电机的转速 然后用同轴编码器 讲速度信号改变成脉 冲信号 送回个 PLC 的 I0 1 输入端 PLC 中的高速计数器探测到脉冲信号后 与给定 值进行比较 如果测得的脉冲信号大于给定的脉冲信号 那么电机将减速 反馈的脉 冲信号减小 高速计数器再次探得信号与给定值比较转速将上升 直至输出一个稳定 的转速 如果测得的脉冲信号小于个给定的脉冲信号 那么用它们的差值减去减速时 候的脉冲信号 倘若结果为正 电机则输出设定的值 倘若结果为负 则电机转速将 下降 反馈信号将减小 同理使得转速回升 直至一个稳定的速度 二 系统调试 1 数控车床的系统调试方法 调试的时候主要看看机床的基本性能是否有问题 因为机床经过改装时从新组建 的 可能会有不合适的地方 具体调试的有 转速 刀架进给 速度是否正常 电机 声音是否正常 超程报警是否安装合理 机床是否可以及时报警 还有就是试车 车 一下外圆看看工件大小头 车一下端面看看勾撇 再有就是车螺纹看看螺距是否正确 检测的时候还要看看刀架的重复定位是否准确 参数根据需要时需要改动的 作为调 试员应该具有修改参数的技术 2 数控车床进给系统的调试 车床改造完毕后 进行了 X 轴电机正反转测试 Y 轴电机正反转测试 直线光栅尺 测试 PLC 控制速度传感器的测试 结果电机正反转正常 通过 PLC 控制变速正常 光 栅尺的测试也正常 经过系统调试 证明本次设计合理 成功 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 27 六 结 论 本次设计的是数控车床进给变速控制电路设计 并对其进行一系列的校核 各项 性能指标完全满足要求 说明设计的结构是合理的 选择轴承和电机 并设计了床身 由于专业知识的限制 无法对复杂的数控系统进行设计 但是 通过选择合适的数控 系统 对数控原理有了一定的了解 并掌握了数控系统的一些连接方法 最后完成了 进给变速控制电路设计 对程序的代码加深了印象 并对现代数控编程增进了了解 进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节 是数控机床的重要 组成部分 它包含机械 电子 电机 早期产品还包含液压 等各种部件 并涉及到强 电与弱电控制 是一个比较复杂的控制系统 要使它成为一个既能使各部件互相配合 协调工作 又能满足相当高的技术性能指标的控制系统 的确是一个相当复杂的任务 提高伺服系统的技术性能和可靠性 对于数控机床具有重大意义 研究与开发高性能 的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一 数控机床是促进国民经济发展的巨大源动力 它给机械制造业带来了高倍率的效 益增长和现代化的生产方式 随着数控技术的发展 高品质 高可靠性 高性价比的 CNC 系统具有丰富的功能 为数控技术的发展提供了充足的物质技术条件 同时 也给 数控机床的机械结构提出了更高的要求 因此 研究一台数控车床对现代加工具有重 要的意义 数控车床具有结构简单 价格便宜 故障率低 维修简单方便 效率高 操作编 程简单等诸多优点 所以数控车床在很多加工行业都会成为应用的主体 随着数控技 术和机床行业的发展 数控车床将有着广阔的发展前景 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 28 致 谢 首先感谢我的指导老师 本论文是在老师的指导下和同学们的帮助下修改完成的 在此 我要向他们的细心帮助和指导表示由衷的感谢 在这段时间里 我从他们身上 不仅学到了许多的专业知识 更感受到他们工作中的兢兢业业 生活中的平易近人 此外 他们严谨的治学态度和忘我的工作精神值得我去学习 非常感谢大家在我的毕业设计中 给予我极大的帮助 使我对整个毕业设计的思 路有了总体的把握 并耐心的帮我解决了许多实际问题 使我有了很大的收获 同时 他们在整个开发过程中提出了许多建设性意见 并给我解决了一些专业性问题 感谢多年来传授我知识的老师们 更要感谢那些对我学习上支持和鼓励的人 同 时感谢所有关心帮助过我的同学 老师和学校 总之 在以后的学习生活中我将以加倍的努力对给予我帮助的学校 老师及同学 们的回报 中国地质大学 武汉 远程与继续教育学院本科毕业设计 论文 29 参考文献 1 王爱玲 现代数控原理及控制系统 M 北京 国防工业出版社 2002 1 2 师鸿飞等 我国数控车床的现状和发展趋势 N 现代制造 2002 3 周毅 数控车床在汽车制造业中的应用 N 市场纵横 2005 4 白恩远 现代数控机床伺服及检测技术 M 北京 北京工业出版社 2002 1 5 许兆丰等 车工工艺学 M 北京 机械工业出版社 1980 6 中华人民共和国机械工业部统编 M 科学普及出版社 7 谢红 数控机床机器人机械系统设计指导 M 上海 同济大学出版社 2004 8 8 山东济宁博特精密丝杠制造有限公司 博特产品系列 9 SIEMENS 公司 西门子 驱动系统和电机 2002 13 赵宝生 CNC32 数控车床的床身设计 N 机械管理开发 2004 8 14 戴曙主编 金属切削机床 北京 机械工业出版社 1995 10 15 赵健 如何选择数控车床 N 机械工程师 2001 3