数控机床电气控制系统设计

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）题目：数控机床电气控制系统设计 学习中心： 内蒙古学习中心 学 号： 090F31143059 姓 名： 马鹏飞 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 卢彦林 2016 年 9 月 20 日 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： 马鹏飞 学号： 090F31143059 专业：电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目： 数控机床电气控制系统设计 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 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表 学生姓名： 马鹏飞 学号： 090F31143059 专业：电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目： 数控机床电气控制系统设计 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机床电气控制系统设计，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）：马鹏飞日期：2016年9月25日摘 要数控技术在现代制造业具有重要的作用，数控机床是数控制造业的核心，数控机床作为机电一体化的数字控制自动化机床，早期是依靠继电器逻辑来实现相应的功能，由于继电器逻辑是一种硬接线系统，布线复杂，体积庞大，设备提升改进困难，一旦出现问题，很难维修，系统可靠性往往不高。本文针对早期数控机床的问题进行深入研究分析，采用新的设计电气控制方式实现对数控机床的控制。本文以三菱FX2N微型可编程控制器对CKA6140机床的电气控制部分的改造设计，重点阐述了数控机床PLC的功能、机床的电气控制原理及相应的PLC程序编制与调试等方面的问题，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。完成了主轴控制、坐标轴控制、自动换刀控制、定时润滑控制以及报警处理等功能的PLC控制程序的开发。关键词： 1、数控机床 2、CKA6140 3、可编程控制器 4、电气控制 目 录一、引言1二、数控机床概述2（一）数控机床概念及基本组成2（二）数控机床国内外发展现状3三、CK6140型号数控车床概述6（一）数控车床工作原理6（二） CK6140数控车床运动分析7（三） CK6140数控车床电气系统7四、硬件系统设计选型10（）主轴驱动系统10（二）机床进给伺服系统10（三）电器元件选型11五、数控车床电气控制系统设计14（一）系统电气原理图14(二)数控机床控制过程分析15（三）PLC控制程序的设计16六、结论25致谢26参考文献27 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）一、引言数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好的程序，使机床动作并加工零件。它综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器，在数控机床上应用的传感器主要有光电编码器、直线光栅、接近开关、温度传感器、霍尔传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器、液位传感器、旋转变压器、感应同步器、速度传感器等，主要用来检测位置、直线位移和角位移、速度、压力、温度等。可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的通用工业控制装置,它将传统的继电器接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合 ,集计算机、控制、通讯于一体,具有可靠性高、通用性强、应用灵活、易于使用 维修方便、价格便宜等优点,为工业自动化提供了近乎完美的自动控制装置。根据我国当前的情况，继电器-接触器控制系统依然是机械设备最常用的电气控制方式，许多企业和高校实习工厂的数控机床和设备仍采用传统的继电器-接触器控制系统,由于采用物理电子器件和大量而又复杂的硬接线,使得系统的可靠性差,工作效率低,故障诊断和排除困难,严重影响了工厂的生产效率。随着科学技术发展，可编程控制器的出现，许多以继电器-接触器控制系统的机床组合电路通过改进，采用可编程控制系统，无论在性能上或者效率上都能得到很大提升。因此,采用PLC对数控机床电气控制系统进行技术改造,对于数控机床的改进具有重要意义。二、数控机床概述（一）数控机床概念及基本组成1、数控机床的概念数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。2、数控机床的组成数控机床由输入输出设备、CNC装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量反馈装置组成。机床数控系统电控系统的组成简图如图1所示。电 气 回 路辅 助 装 置PLC主轴伺服单元 操 作 面 板主轴驱动装置进给驱动装置测量反馈装置进给伺服单元输入/输出设 备计算机数 控装 置机 床 本 体图1数控系统组成框图输入/输出设备输入装置将各种加工信息传递于计算机的外部设备。在数控机床产生初期，输入装置为穿孔纸带，现已淘汰，后发展成盒式磁带，再发展成键盘、磁盘等便携式硬件，极大方便了信息输入工作，现通用DNC网络通讯串行通信的方式输入。输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。加工程序载体数控机床工作过程，将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元。数控装置数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNC（Computer Numerical Control）形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能。数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。伺服与测量反馈系统伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。机床主体机床主机是数控机床的主体，包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。（二）数控机床国内外发展现状1、国外发展现状及趋势1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，经过50多年的发展，数控系统由当初的电子管式起步，经历了分立式晶体管式小规模集成电路式大规模集成电路式小型计算机式超大规模集成电路微机式的数控系统。数控装置也由NC向CNC发展，广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；驱动装置向交流、数字化方向发展，CNC装置向人工智能化方向发展，新型的自动编程系，数控系统可靠性不断提高。数控系统功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高。国外新一代数控系统采用开放式体系结构，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。开放式体系结构利用多CPU的优势，能够实现故障自动排除，增强通信功能，提高进线、联网能力。充足的软、硬件资源使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力支持，为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。数控系统控制性能逐步向智能化发展，引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。现在，实际用于工业现场的数控系统主要有传统数控系统，如FANUC0系统、MITSUBISHIM50系统等，这是一种专用的封闭体系结构的数控系统，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。PC嵌入NC结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK 840D系统、Num1060系统、AB9/360等数控系统。由于NC部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。NC嵌入PC结构的开放式数控系统。由开放体系结构运动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等。SOFT型开放式数控系统是一种最新开放体系结构的数控系统，提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。2、国内发展现状及趋势我国数控技术起步于1958年，发展历程大致可分为三个阶段。封闭式发展阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。第三阶段是实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。目前我国数控技术的发展已由研究开发阶段向推广应用阶段过渡，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。纵观我国数控技术50多年的发展历程，我国数控技术在发展上取得了多方面的跨越，可供应网络化、集成化、柔性化的制造设备，可服务器上实现加工对象的实体造型，并生成加工程序，自动传送到各台机床进行加工。5轴联动联动的数控机床更加成熟；。进入世界高速数控机床生产国行列。机床采用电主轴，主轴最高转速达200000r/min；。进入高精度、高精密数控机床生成国行列。进入全数控化螺旋齿轮切齿机生产行列，使中国成为继美国、瑞士、德国之后的第四个能生产这类机床的国家。关联杆系（虚拟轴）开始走向实用化。三、CK6140型号数控车床概述（一）数控车床工作原理CK6140数控车床将被加工零件图纸的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理、分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。CK6140数控车床的主要技术参数如表1所示。表1CK6140数控车床的主要技术参数项目参数项目参数床身上最大工件回转直径400mm快速进给速度X/Z:6000/8000mm/min拖板上最大工件回转直径1000mm每转切削进给量0.005-100mm/r最大车削长度850mm进给电机扭矩(功率)X向4Nm，Z向6Nm主轴转速范围(变频) 可实现无级调速及恒线速切削401800r/min定位精度(全程)X向0.01mm，Z向0.01mm主轴通孔直径52mm重复定位精度X向 0.007mm，Z向 0.01mmX向行程220mm尾架套筒内孔锥度莫氏5号Z向行程1000mm脉冲当量0.001mm最高加工精度IT6表面粗糙度Ra1.6四工位电动刀架刀杆截面尺寸25mm25mm主轴电动机M17.5KW 1000r/min刀台电动机M20.18KW 1500r/min尾座套筒压紧力90000N润滑电动机M30.09KW 1400r/min尾座套筒直径85mm冷却电动机M40.12KW 2900r/min尾座套筒行程110mm（二） CK6140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。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。主运动传动由交流主轴电动机配备变频器实现无级变速调速。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，各轴都由交流伺服电动机直接驱动。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。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。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。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。数控车床尾座一般是在加工时对工件起辅助支撑作用，由尾座体和尾座套筒两部分组成。尾座套筒前安装顶针，套筒可以自动伸出和缩回，实现顶尖对工件的支撑作用。（三） CK6140数控车床电气系统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、主轴系统及强电控制部分等构成。CNC主控制装置、伺服驱动装置及主轴系统，采用德国SIEMENS公司的产品，机床电气控制系统框图如图2所示。图2 CK6140数控车床电气控制系统框图1、机床电气容量及要求 机床容量及要求如表2所示。表2机床容量及要求项目电源总容量满载电流电源总熔断电流防护等级参数24KVA34A40AIP542、机床电气技术要求 机床供电电源要求采用三相四线制，380V 50Hz交流电，电缆或电线的截面积应采用不小于6mm2导电率高的铜线。保护地线还必须与机床所设置的专用接地螺钉牢固、接地电阻R10。主要参数如表3所示。表3机床电气主要技术要求项目电网电压电网频率工作环境温度相对湿度参数交流380V(10%)50Hz（1Hz）540度25时80%3、机床电气的构成 数控系统CNC选用日本FANUC公司的FANUC Oi MATE系列。伺服驱动装置及伺服电动机及控制单元如表4所示。表4伺服驱动装置及伺服电动机及控制单元伺服驱动装置及伺服电动机伺服驱动装置伺服电动机备注X轴-SVM1-20aC12/2000本伺服电动机配有绝对值编码器，在加工过程中有断电保护功能。Z轴-SVM1-20aC12/2000伺服电动机X轴理论最大进给速度6000m/minZ轴理论最大进给速度8000m/min强电控制单元主轴电动机M11.5KW 1000r/min 变频电动机刀台电动机M20.18KW 1500r/min润滑电动机M30.09KW 1400r/min冷却电动机M40.12KW 2900r/min控制变压器TC1：交流380V/220V/24V/26V/28V 630VA。主要为控制回路和冷却风扇提供220V电源；为整流桥提供26V交流电源；为稳压电源GS1提供220V交流输入稳压电源GS1：为控制回路提供稳定的220V交流。控制变压器TC2：交流380V/220V 2200VA。主要为稳压电源GS2、伺服驱动装置和伺服电动机提供220V交流。稳压电源GS2：主要为CNC装置、LCD/MDI、I/O LINK、PLC I/O、伺服驱动装置等提供24V稳定的直流电源。接触器构成该车床电气输出执行元件；继电器构成该车床电气输出放大元件；各种压力开关、防护开关、脚踏开关、按钮等构成该车床电气输入元件。电柜与车床接地线用6mm2黄绿双色线；电柜与其它部件接地线用13mm2黄绿双色线。四、硬件系统设计选型（）主轴驱动系统目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动控制的方式。1、主轴电动机选型查机电一体化手册车削功率在0.8-2kw之间根据切削功率PC与主传动链的总效率估算,。主传动链的功率效率=0.70.85， 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1.43kw2.86kw.之间。 （公式4-1）主切削力的切向分力，N；切削速度Ncm；查金属切削手册知，以硬质合金刀具车削45#钢为例，数控车床有代表型的主切削力的切向分力大约在1000N左右，切削速度取90250r/min，则 PC=100090/60000=0.98kw （公式4-2）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，此机床可选1.5kw的电动机，考虑到数控机床变速范围大，因此选用SIMOTICS 1LE0标准电机。（二）机床进给伺服系统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。数控机床伺服控制系统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。CK6140数控车床调速范围宽，调速范围是指进给电动机提供的最低转速和最高转速之比，即。为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围（通常大于1：10000），尤其在低速（如转速小于0.1r/min）时，要仍能平滑运动而无爬行现象。要求进给驱动系统具有较好的静态特性和较高的刚度，从而达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差（本设计对伺服系统的分辨率的要求是达到0.01mm)，同时进给驱动系统要有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。还要求有良好的快速响应特性，以缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。要求伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4-6倍而不损坏。同时要求数控机床的进给驱动系统可靠性高，工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰能力。因此，本设计综合考虑多种因素，最终选用带有再生回馈功能的SINAMICS V60伺服驱动系统，配置SIEMENS公司的1FL5系列的伺服电机X轴伺服电机与Z轴伺服电机都选用SIMOTICS 1FL5型号伺服电机。（三）电器元件选型1、断路器选型选用断路器时，断路器的额定电压应不小于被控线路的额定电压，断路器的额定电流应不小于其所安装的过流脱扣器和热脱扣器的额定电流。断路器额定电压线路额定电压；断路器额定电流线路计算负荷电流；断路器脱扣器额定电流线路计算负荷电流；断路器极限通断能力线路中最大短路电流；线路末端单相对地短路电流不小于1.25 倍的自动开关瞬时（或短延时）脱扣整定电流；断路器欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。2、电动机保护自动开关选型长延时电流整定值电动机额定电流；6倍长延时电流整定值的可返回时间电动机起动时间；鼠笼形瞬时整定电流为815 倍脱扣器额定电流；绕线形瞬时整定电流为36 倍脱扣器额定电流。3、熔断器选型熔断器由熔体（熔丝或熔片）和安装熔体的熔管（或熔座）组成。当电路发生短路流时，熔体中电流产生热量，当其产生之热量达到熔体的熔点时，熔体熔断，切断电路。熔体的额定电压应不小于被控线路的额定电压，熔断器的额定电流应不小于其所安装熔体的额定电流。熔体的额定电流如下计算： （公式4-3）式中：为容量最大的一台电机的额定电流为其余电机的额定电流；其余电动机额定电流之和。4、接触器的选型 交流接触器是利用电磁线圈的吸力特性使触头闭合或断开大电流电路，其可频繁接通或断开电机或其它负载。交流接触器的额定电压，其额定电压应不小于负载回路的电压。交流接触其的额定电流应不小于被控回路的额定电流。交流接触器的额定电流应依照以下公式计算： （公式4-1）式中：IKM接触器主触头电流；Pn负载的额定功率；Un负载的额定电压；K经验系数，取11.4。5、热继电器的选型（1）长期工作或间断长期工作电动机热继电器的选型按电动机起动时间选择：Tf热继电器在6Ie 下的可返回时间Td热继电器在6Ie 下的动作时间（2）按电动机额定电流选择：Iz（0.951.05）IedIz热继电器整定电流Ied电动机额定电流（3）按断相保护要求选择：对于星形接法的电动机，采用三极热继电器即可；对于三角形接法的电动机，应采用带断相运转保护装置的热继电器。6、中间继电器中间继电器是继电器的一种，内置常开和常闭触点，其根据外界输入的一定电信号，使其线圈导通，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对强电回路的控制，以达到弱电控制强电的目的。主要开关电器型号、规格如表5所示。表5 主要开关电器型号、规格名称型号整定值用途供货QM2MS116-10.75A台动电动机ABB公司QM3MS116-0.630.4A润滑电动机QM4MS116-0.40.32A冷却电动机QF13NMD1-63D3P20A变频电动机上海信良QF14NMD1-63D3P10A伺服电动机QF1NMD1-63D2P3ATC1原边QF2NMD1-63D1P3ATC1副边220VQF3NMD1-63D1P5ATC1副边24V/26V/28VQF5NMD1-63D1P5A+24VQF6NMD1-63D1P1ATC1副边220V五、数控车床电气控制系统设计（一）系统电气原理图系统电气原理图，即是机床的动力电路如图3所示。图3系统电气原理图图3将三相电源经空气断路器Q1和Q2引入，单相电容运转主轴电动机M1用接触器KM3和KM4形成的互锁电路控制正反转。变压器T1为X轴、Z轴步进电机驱动器提供AC55V供电电源；变压器T2为强电控制电路提供AC220V电源；变压器T3和整流电路为弱电控制电路和主控电路板提供DC24V供电电源。图4 互锁控制线路图4中启动按钮SB2、SB3使用复合按钮，复合按钮的常闭触点用来断开转向相反的接触器线圈的通电回路，两个接触器的常闭触点KM1、KM2起互锁作用，即当一个接触器通电时，其常闭触点断开，使另一个接触器线圈不能通电。(二)数控机床控制过程分析1、启动过程启动时，合上Q1，引入三相电源。按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈通电吸合，则KM1的主触头闭合，电动机接通电源直接启动运行。与此同时，在超程解除（X33）有效状况下闭合继电器RA2，且使X31有效（控制器收到主电路接通信号），则继电器RA1通电，RA1的触点闭合，接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合，为步进电机驱动器供电，且主轴电机也通电。在控制面板上采用的是旋钮开关，拨到“开” 的位置后能一直保持接通状态，从而使得KM1能够持续闭合，为控制电路供电。2、主轴正反转该车床采用两个接触器KM3和KM4来实现对电动机的正、反转控制。在电路中，为了防止两个接触器同时动作而造成短路，将实现正、反转的KM3和KM4进行互锁。所以，电动机的正反转控制电路实际上是由互锁的两个方向相反的单向运行线路组成的。继电器RA3闭合，RA3常闭触点断开。接触器KM3闭合，KM4由互锁电路断开（即使RA4误动作也不会闭合），主轴电机正转。继电器RA4闭合，RA4常闭触点断开。接触器KM4闭合，KM3由互锁电路断开（即使RA4误动作也不会闭合），主轴电机反转。正如上面所指出的那样，在该正反转控制电路中，两个接触器的常闭触头KM3和KM4互锁。所以在进行电动机的换向操作时，必须先按下停止按钮才能反向启动。3、停止过程按下急停按钮SB1，则继电器RA2断电，RA2的辅助触点断开，从而使得与之串联在一起的继电器RA1断电，RA1的辅助触点断开。与RA1的触点串联的接触器KM2线圈断电，同时接触器KM1的触头也断开。KM2线圈断电使步进电机断电。KM2的触头也会随KM2线圈的断电而断开，则主轴控制电路断电。KM1触头的断开也会使控制电路断电。若是行程开关接通，也会使继电器RA2断电，同理，整个控制电路也将会断电。（三）PLC控制程序的设计1、PLC程序模块划分由于车床的操作过程复杂，机加工控制对象每一工作循环周期的控制关系比较复杂，在本次设计中，综合数控车床的特点，在开发该机床的PLC控制程序的过程中将PLC程序划分为7个模块，即公用程序模块、主轴模块、坐标轴控制模块、润滑控制模块、自动换刀模块、报警模块和冷却控制模块。 2、I/O分配本次程序开发所用I/O分配见表6所示。表6 PLC I/O端子分配表输入端输出端输入设备输入端子号输 出输出端子号旋钮开关X0X13循环启动Y0循环启动按钮X14进给保持Y1进给保持按钮X15单 段Y2单段按钮X16机床锁住Y3机床锁住按钮X17快 进Y4主轴正转按钮X20主轴正转Y5主轴反转按钮X21主轴反转Y6主轴停按钮X22主轴停Y7X向退按钮X23X向退Y10X向进按钮X24X向进Y11Z向退按钮X25Z向退Y12Z向进按钮X26Z向进Y13快进按钮X27NC报警Y14急停按钮X30超程报警Y15超程解除按钮X33X回参考点Y16Z正向行程开关X34Z回参考点Y17Z反向行程开关X35进行润滑Y20X正向行程开关X36润滑故障报警Y21X反向行程开关X37换刀完成Y22冷却开按钮X40刀架正转Y23冷却关按钮X41驱动指示Y24润滑电机起动按钮X42冷却开Y25润滑油路压力继电器X43X轴驱动使能Y2614号刀到位X44X47Z轴驱动使能Y27换刀按钮X503、梯形图设计在本次程序开发采用FXGP_WIN-C编程软件。FXGP_WIN-C是在Windows操作系统下运行的FX系列PLC的专用编程软件，操作界面简单方便，在该软件中可通过梯形图、指令表及SFC 符号来编写PLC程序。创建的程序可在串行系统中与PLC进行通讯、文件传送、操作监控以及完成各种测试功能。公用程序公用程序如图5所示。图5 公用程序梯形图 回原点程序在正式进行数控加工之前，刀架应当先回零，回零之后刀架在机床坐标系中的位置就定下来了。归零程序如图6所示。 图6 回原点控制程序梯形图图6所示为刀架自动回原点的梯形图。 拨开回原点起动按钮X12，M14变为ON, 刀架开始向X和Z两个方向退，退到X正向行程开关时X36为ON，刀架向Z方向退，到Z向限位处时，X34变为ON, Z方向也停止并将M14复位。这时原点条件满足，M0为ON，在公用程序中，初始步M0被置位。主轴控制程序数控机床主轴控制包括主轴正反转控制和主轴停转控制等。主轴控制程序如图7所示。图7 主轴控制梯形图在梯形图中，主轴正、反转之间有逻辑互锁关系，以免控制功能切换时发生故障。除此之外，必须采用PLC内部的时间继电器进行延时控制，否则会造成正、反转接触器同时接通而引起电源短路。这是因为PLC执行程序的速度要比接触器动作速度快得多。程序中用定时器T0和T1来完成5s的转换延时。另外，还利用PLC内部的辅助继电器M03和M04作为正反转控制的辅助继电器。坐标轴控制程序坐标轴控制设计的核心是围绕坐标轴驱动允许而展开，包括超程、驱动故障、坐标轴紧停、坐标轴正常停止等的控制。一方面为PLC给出坐标轴可以运动的信号，另一方面又控制着电机运行。坐标轴控制程序梯形图如图8所示。图8 坐标轴控制梯形图报警处理程序在PLC 控制系统发生事故、故障时都应发出报警信号,一般是声光报警信号。此处用PLC基本逻辑指令实现报警功能,其梯形图如图9所示。图9 报警控制梯形图当反向行程开关X35、X37被碰到时，继存器M13接通。同时，特殊继存器M8013周期性的通断，与之相连的报警指示灯闪烁，当按下“超程解除” 按钮X33，继存器M12接通，报警指示灯熄灭当反向行程开关接通报警后，将会控制整个机床停止运动。定时润滑控制程序在正常工作时，按下润滑电机起动按钮后，系统即开始进行润滑，运行10秒后停止，停止30分钟后重新开始进行润滑，如此循环往复下去。PLC还对润滑系统的状态进行监测。具体的梯形图如图10所示。图10 润滑控制梯形图PLC在润滑系统开始进行润滑后即通过润滑油路压力继电器检查润滑油路中润滑油的流动是否正常，若压力继电器一直闭合，说明油路有堵塞。润滑的5秒定时时间到了之后，开始30分钟的间隔，此时如果油路中还有油，说明油路有泄露。在这两种情况下，PLC都会报警，润滑就会停止。冷却程序冷却是根据加工任务来选用的，通过操作面板上的冷却启动和停止按钮来进行控制。在急停生效时，冷却输出禁止。梯形图如图11所示。图11 冷却控制梯形图自动换刀控制程序数控机床要求能够准确、快速地换刀。为提高换刀的效率和定位精度，该控制的设计充分利用了PLC具有丰富的数据功能指令的优点，用数据指令来进行判断比较。假设T0是实际刀号,T1为待换刀号。数据寄存器D6存放实际刀号，D5存放待换刀号。D7存放待换刀号与实际刀号的差值。用比较指令CMP进行数据比较。比较结果使M17，M18，M19中的一个接通。当D5大于D6时，M17接通；D5等于D6时，M18接通；D5小于D6时，M19接通。在程序中首先对D5和D6中存放的值进行比较，判断是否到位。当D5D6时，表示刀号相符；当D5D6时，将D5D6的值存放到D8中，当D5D6时，将D5D64的值存放到D8中。D8中存放的是旋转刀位数，将它作为计数器的计数值，由计数器对转过的刀位进行计数，当计数值到，表示换刀结束。程序如图12所示。 图12 自动换刀控制梯形图程序设计完成后，对梯形图程序进行了相关性能的调试，并对于调试中出现的问题逐一进行了排除,不仅对程序设计进行了检验修正，同时还可从实际运行中改进、优化、完善整个程序的设计工作。六、结论实现机床数控化是我国当前正在机械行业进行的一项大的信息化工程，这对于提升我国工业装备水平有着重要的意义。PLC 作为先进的自动控制装置，可以应用于多种自动化控制系统中。在车床电气控制系统中的应用，属于PLC 的一种典型控制。本文采用模块化设计思想，分八个模块详尽地进行了PLC控制程序的开发过程。各模块的程序设计方法也是各不相同的，PLC控制程序设计中的经验设计法、顺序设计法和继电器控制线路移植法这三种常用方法都根据不同情况有所采用。通过调试程序，判断程序的可行性，进一步提高程序的正确性和可靠性。本人在基于CK6140的PLC控制程序的开发，以机床为典型对象，深入了解了电气自动控制技术的基本原理、方法和应用，并重点分析了该车床的电气控制电路，熟悉了被控对象的工作原理。利用三菱PLC完成了PLC控制程序的开发以代替原继电器接触器控制方式，完成了程序的修改、调试、运行等工作。通过对此项目的设计研究、调试运行，对数控机床，特别是车床有了深刻的了解，车床的工作原理、组成结构、电气控制等方面的知识进行了全面的学习。系统地学习了PLC的相关知识。阅读了大量有关PLC的书刊及相关技术资料，为今后从事控制系统设计工作奠定了基础。训练了综合运用知识的能力，锻炼了实践操作能力。致谢本设计数控车床电气控制系统的毕业设计工作是在卢彦林老师的精心指导和悉心关怀下完成的，指导老师严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理，在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！衷心地感谢在百忙之中评阅我的毕业设计参加答辩的各位老师！参考文献1.宋健.数控机床模拟主轴控制系统设计与分析J.制造业自动化,2010(03)）:55-56.2.张鸿飞,赵秉全.有关PLC机床的电气控制系统设计与分析探究J. 企业文化,2016(05):78.3.谭俊林.数控机床的电气控制系统设计J.工业设计,2016(06):41-43.4.王永华.现代电气控制及PLC应用技术(第二版)M.北京航空航天大学出版社.2008.5.王志伟.数控机床控制系统设计研究J.山东工业技术,2015(21):25-26.6.王永华.现代电气控制及PLC应用技术(第三版) M.北京:北京航空航天大学出版社,2008.7.董祥兵.数控机床的电气控制系统设计J.城市建设理论研究, 2016(11):30-32.8.姜培刚.盖玉先. 机电一体化系统设计M. 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