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数控机床的电气设计 目录摘要31数控机床的发展41.1数控阶段41.2计算机数控阶段41.3数控机床的工作原理42系统连接52.1驱动系统52.1伺服电机62.3电气设计的重要事项82.3.1供电82.3.2电气柜的设计的基本要求92.3.3接地92.4驱动器的连接102.4.1 Sinamic S120 书本型驱动器的连接102.5系统通电112.5.1通电前检查112.5.2第一次通电113.PLC的调试123.1PLC应用程序的设计123.2PLC用户的调试133.3PLC用户报警143.3.1报警的属性143.3.2 激活用户报警144 自动换刀控制程序155变频器16致谢17参考文献18数控机床的电气设计摘要随着科技的高速发展，数控技术在机械领域得到了广泛的应用。数控机床是改造传统机械加工装备产业，构建数字化企业的基础，它的发展一直被人们关注着。它有效的解决了复杂，精密等零件加工所存在的问题，能适应新时代所产生的各种难题。 该设计首先对国内外数控技术的发展情况及趋势做出描述，然后在对数控机床的工作原理，伺服系统进行分析总结。关键字：数控铣床 伺服系统Electrical design of numerical control machine toolAbstract随着科技的高速发展，数控技术在机械领域得到了广泛的应用。数控机床是改造传统机械加工装备产业，构建数字化企业的基础，它的发展一直被人们关注着。它有效的解决了复杂，精密等零件加工所存在的问题，能适应新时代所产生的各种难题。With the rapid development of technology, numerical control technology has been widely used in the field of machinery. Numerical control machine tool is the basis of transforming traditional machining equipment industry, and it has been concerned with the development of digital enterprise. It can effectively solve the problems in the complicated and precision machining, and can adapt to the problems of the new era.该设计首先对国内外数控技术的发展情况及趋势做出描述，然后在对数控机床的工作原理，伺服系统进行分析总结。This design first describes the development situation and trend of numerical control technology at home and abroad, and then analyzes and summarizes the working principle and servo system of CNC machine tools.关键字：数控铣床 伺服系统Key words: CNC milling machine servo system1数控机床的发展1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这项成果表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。六年后，即在1952年，计算机技术被应用到了机床上。从此世界上便诞生了第一台数控机床。传统机床便开始发生了巨大的改变。近50年以来，数控机床主要经历了以下两个大阶段。1.1数控阶段.数控阶段由于前期的计算机运算速度低，对数据处理和计算所造成的影响并不大，但机床实时控制的却不能适应它的要求。因此人们便采用数字逻辑电路的方法来“搭”成一台机床计算机作为数控系统，它被称为硬件连接数控。为了叫法方便，简称数控。1.2计算机数控阶段1970年，出现涌现出大批小型计算机。其运算速度相对于五，六十年代有了大幅度的提升，这与专门“搭”成的专用计算机相比，不仅节约了成本，还提高了可靠性。于是它被移植过来成为了数控系统的核心部件，从此便开始进入了计算机数控阶段。到1972年美国的一家公司在世界上首次把计算机的控制器和运算器，运用大规模集成电路的方法把它集成在了一块小芯片上，并称之为微处理，亦称之为中央处理单元(简称CPU)。1974年CPU被用在了数控系统上。由于CPU仍然是通用计算机的核心部件所以还是被称为计算机数控。1.3数控机床的工作原理(1) 把编好的加工程序通过操作面板上的键盘或者输入机将数字信息运送给数控装置。(2)数控装置把所接收的信号进行处理后，再将处理结果用脉冲信号的形式进行分配：一种是向进给伺服系统发出进给等执行命令，另一种是向可编程序控制器发出S，M，T等指令信号。(3)可编程序控制器接到S，M，T等指令信号后，控制机床主体则立即执行这些指令，并将机床主体执行的情况实时反馈给数控装置。(4)伺服系统在接到进给执行命令后，则立即驱动机床主体的各坐标轴(进给机构)严格按照指令要求进行准确的位移，自动完成工件的加工。(5)在各坐标轴位移过程中，检测反馈装置将位移的实测值迅速反馈给数控装置，以便与指令值进行比较，然后再以极快的速度向伺服系统发出补偿执行指令，直到实测值与指令值吻合为止。(6)在各坐标轴位移的过程中，如果发生“超程”现象，则限位装置就可以向可编程序控制器或直接向数控装置发出某些坐标轴超程的信号，数控系统就一方面通过显示器发出报警信号，另一方面则向进给伺服系统发出停止执行命令，以实施超程保护。2系统连接2.1驱动系统SINAMICS S120 系统是西门子最新的一代驱动应用系统。S120 驱动系统运用了世界上最先进的硬件、软件以及通讯技术等。运用高速驱动的接口，与之配套的1FK8永磁同步伺服电机并具有独立的电子铭牌，系统不仅可以自主识别所配置的驱动系统，更具有超高的动态控制特性和控制精度以及可靠性。和802D sl配套使用的驱动系统产品包括：书本型驱动器和用于单轴的 AC/AC 模块式驱动器。 书本型驱动器，其电源模块和电机模块的非开构成了它的结构形式，而且直流母线上被电机模块所连接（一个或多个），同时3相交流电源还会被一个电源模块整流成540V或600V的直流电。单轴 AC/AC 模块式驱动器，其结构形式为电源模块和电机模块集成在一起。（802D sl value 采用该类型驱动器）SINAMICS S120 书本型驱动器由独立的电源模块和电机模块共同组成。电源模块全部采用馈能制动方式，其配置分为调节型电源模块（Active Line Module 缩写为 ALM） 和非调节型电源模块（Smart Line Module 缩 写为 SLM）。无论选用 ALM 或 SLM，均需要配置电抗器。电机模块（Motor Module 缩写为 MM）。 2.2伺服电机SINAMICS S120 书本型驱动器的电源模块、电机模块均需要外部 24V 直流供电。 Sinamics S120 AC/AC 模块式驱动器由两部分组成：控制单元适配器 CUA31 和功率模块 PM340。 控制单元适配器 CUA31 上指示灯的含义： 图5Sinamics S120 AC/AC 模块式驱动器不需要独立的 24V 直流供电。2.1.3802D各单元间的连接SINUMERIK 802D数控系统是基于PROFIBUS总线的数控系统。信号都是通过PROFIBUS传送的。2.3电气设计的重要事项2.3.1供电1. 24VDC 电源的容量确定 802D sl 的 PCU210.3 和输入输出模块 PP72/48，以及各驱动部件均需要 24V 直流供电。 PP72/48 的输出信号也需要 24VDC 供电，所需的电流要根据输出点的个数以及输出信号的同时系数来确定：输出信号所需的电流 = 输出点数 * 0.25 * 同时系数（A）。 在确定系统的配置，以及输入输出的负载情况后，确定 24V 直流电源的输出能力。 使用俩个独立的24V直流电源，可以提高系统的稳定性。其中一个电源用在 802D sl 的 PCU210.3、PP72/48 和输入信号的公共端，另一电源则为驱动部件和 PP72/48 的输出信号供电（X111、X222、X333 端子 47/48/49/50）。两个 24VDC 电源的0V 应连通。 2. 24VDC 电源的选择 使用24V直流电源。3.驱动器供电 交流电源由电抗器、滤波器、电源开关等部件接到进线电源模块上，电抗器是必须存在的配件。2.3.2电气柜的设计的基本要求电气柜应具有 IP54 防护等级； 各部件应安装在没有涂漆的镀锌板上； 变频器，驱动器以及其他强电电气不能和弱电部件（如 PCU、PP72/48）等在一起安装；200mm 的间距是其在安装上的最小间距； 用于 PCU 和 PP72/48 的 24VDC 电源的共地与浮地连接； 系统可以采用浮地连接，但推荐采用共地连接。共地可以保证系统稳定可靠运行，但前提条件是具有良好的地。2.3.3接地接地标准及办法需遵守国标 GB/T 5226.1-2002（等效 IEC 204-1:2000） 工业机械电气设备 第一部分: 通用技术条件 ； 中性线不能作为保护地使用！ PE 接地只能集中在一点接地，接地线截面积必须6mm2，接地线严格禁止出现环绕。 1）L1，L2，L3 三相中未被其他设备使用的两相； 2）只有 PE 接地良好时才能连接，如果不能确定 PE 是否良好，禁止连接； 3）接地线截面积必须 6mm，以确保接地效果； 4）接地线截面积必须 10mm，以确保接地效果。 2.4驱动器的连接2.4.1 Sinamic S120 书本型驱动器的连接 书本型驱动器是由电机模块和进线电源模块这俩部分所组成。其中进线电源模块的作用是将360V 交流电源变为 580V 直流电源，以方便为电机模块供应所需电量。进线电源模块则可以分为调节型和非调节型这两种。母线电压为直流580V的是调节型的。母线电压和进线的交流电压相关的就是非调节型。无论是调节型的亦或是非调节型的进线电源模块均采用的制动方式是馈电式-制动的能量馈回电网。 调节型进线电源模块（Active Line Module 缩写为 ALM） ALM具有 DRIVE CLiQ 接口，由802D sl X1接口引出的驱动控制电缆 DRIVE CLIQ 连接到ALM的 X200 接口，由ALM的 X201 连接到相邻的电机模块的 X200，然后由此电机模块的X201连接至下一相邻电机模块 的 X200，按此规律连接所有电机模块。 注意：功率大的电机模块应与电源模块相邻放置。 非调节型进线电源模块（Smart Line Module 缩写为 SLM） SLM 没有 DRIVE CLiQ 接口，由 802D sl X1 接口引出的驱动控制电缆 DRIVE CLIQ 直接连接到第一个电机模块的 X200 接口，由电机模块的 X201 连接到下一个相邻的电机模块的 X200，按此规律连接所有电机模块。 注意：功率大的电机模块应与电源模块相邻放置。 2.5.1通电前检查检查 24VDC 回路有无短路； 如果使用两个 24VDC 电源，检查两个电源的0V 是否连通； 检查驱动器进线电源模块和电机模块的 24V 直流电源跨接桥是否可靠连接； 检查驱动器进线电源模块和电机模块的直流母线是否可靠连接（直流母线上的所有螺钉必须牢固旋 紧）； 检查 DRIVE CLiQ 电缆是否正确连接； 检查 PROFIBUS 电缆是否正确连接，终端电阻的设定是否正确。2.5.2第一次通电如果通电前检查无误，则可以给系统加电。合上系统的主电源开关，802D sl 的 PCU210.3、PP72/48，以及驱动器均通电： 如果PP72/48 上标有POWER 和EXCHANGE 俩个单词的绿灯全部变亮- 那么就表示 PP72/48 模块已经准备绪，且会伴随总线数据交换的发生。 注意：总线连接有问题的表现方式是是EXCHANGE绿灯没有亮。 802D sl 进入主画面 这时已经进入了 802D sl 的系统画面，先找到 PLC 的状态表。所有输入信号的状态都会在PLC状态表上看到。 注意：如果看不到输入信号的状态，请检查总线连接或输入信号的公共端。 驱动器的电源模块和电机模块上的指示灯： READY： 桔色 - 正常，表示驱动器未设置；红色 - 故障 DC Link：桔色 - 正常；红色 - 进线电源故障 若无指示灯亮，则表示无外部直流电源 DC 24V 供电 3.PLC的调试在 802D sl 的各个部件正确连接后，PLC的控制逻辑的设计和调试应该放在第一位。最重要的是在开始调试驱动器和 802D sl 参数之前，必须确保所有有关的PLC的安全功能是全部正确的，没有错误的。 3.1PLC应用程序的设计利用 PLC 子程序库可非常迅速地建立一个 PLC 应用程序。在开始设计 PLC 应用程序之前，请详细阅读 802D sl PLC 子程序库说明；PLC 编程软件的使用请参阅软件内的在线帮助，PLC 与 NCK 的接口信号定义见第 15 章，PLC 指令集见第 16 章。 802D sl 为用户提供了三种类型的 PLC 机床参数。它们是 32 个 16 位整型数 -MD145100 31、32 个 8 位十六进制数 - MD14512031和 8 个 32 位浮点数 -MD1451407。PLC 机床参数可以使 PLC 应 用程序更加灵活。但必须注意的是，如果使用了 PLC 机床参数，一定要在 PLC 应用程序中考虑其取值范围。 为简化系统设计，可利用 PLC 应用程序对驱动器电源模块的控制端子进行控制。控制功能由子程序 33 - EMG_STOP 实现。 注意 出于安全原因，请对所使用的子程序库中的子程序进行全面测试，确保子程序的功能在与您的程序联在一起后正确无误！3.2PLC用户的调试首先利用准备好的直连网线把802D sl 的 X5 和计算机连接起来；然后开启 PLC 编程工具，再设定802D SL的参数， 默认地址为 169.254. 11.22。首先要拥有一个编译准确的 PLC 应用程序，然后才可以把该应用程序通过 PLC 编程工具软件将下载到 802D sl 中；下载完成后，应该重新启动PLC程序；通过内部地址状态的监控；通过交叉引用表来检查地址是否有冲突。注意 在利用西门子机床控制面板时，PLC 程序中对于手动增量功能选择的编程应注意 - 不论是增量点动还是连续点动，都必须通过信号接口选择。 3.3PLC用户报警最有效的诊断手段之一便是PLC 报警。在下图 所示的例子中，利用继电器和接触器的辅助触点作为检测信号，这样一旦冷却泵不工作，通过 PLC 用户报警，可以给操作人员或维护人员明确的诊断信息。 SINUMERIK802D sl 报警系统有多个PLC 用户报警。与报警相关的是报警变量即与与之对应的报警文本有关，也就是说设定一个报警机床便对应着一个报警。参数 MD14516。3.3.1报警的属性1清除条件 当不满足报警的情况时，重新上电可以将报警取消 当不满足报警的情况时，摁下清除或复位健可以将报警取消当不满足报警的情况时，报警会自动清除2报警响应 PLC 停止 当PLC不在进行扫描时，接口信号失去作用，所有输出变会无效 急停 接口信号被报警激活产生“急停”进给保持 接口信号被报警激活产生“进给保持 读入禁止 接口信号被报警激活产生“读入禁止 启动禁止 接口信号被报警激活产生 “启动禁止 只显示 报警不能做出反应，但能显示文本和报警号3.3.2 激活用户报警 用户拥有多个系统提供的用户报警。PLC拥有多个NCK地址位。它与每个用户报警相对应。参见 PLC 接口说明。 激活报警的地址位是“1”,清除报警的地址位是“0”。64位的报警变量可以对应所有的报警: VD16001000 到 VD16001252。变量值可以按照报警文本的定义随意输入.报警变量的类型如下所示： %d：十进制；%x：十六进制；%b：二进制；%o：八进制；%u：无符号整型；%f：浮点数 报警文本中可插入报警变量，用于将可变得信息显示在报警文本中。例如，700012 0 0冷却启动信号生效，但接触器 KM %d 没有吸合！4 自动换刀控制程序数控机床要求能够准确、快速地换刀。使用电动刀架来替代原来使用的手动刀架，不仅提高了换刀的速度和定位的准度，更可以达到在一次装夹时完成多道工序的要求。也提高了物品加工时的效率和反复定位的准度，完成自动换刀和回转。在此处选用四刀位电动刀架，因为他的结构简单，价格便宜，刚性好，体积小等多个优点。另外，采用电动刀架,也可使机械结构简单,省去大量液压管路。选用自动转位电动刀架，刀架上同时安装四把不同的车刀，可在一个工序中依次用四把车刀自动完成几个表面的加工。这对于加工形状复杂、加工表面较多、相对位置精度要求较高的零件是特别适宜的。发出换刀指令自动换刀的控制流程如图14。 T0D6T1D5D5 = D6 ?换刀完成 是 D5 D6 ? 否 是 否D5D64 D8D5D6 D8刀架正转计数器计数换刀完成图14自动换刀控制流程图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。5变频器(1)主回路：由于变频器可能产生高次谐波，而高次谐波会通过电源输出回路流经到电网来影响别的受电设备，因此，为了避免这种情况的发生就需要添加电抗器，从而保护电路的安全。当变频器远离电机时，为了达到减少变频器产生高次谐波的目的，这时就要在变频器的输出端装上一个滤波器。由于变频器对缺相保护的不太乐观，即使它本身有各种各样的保护功能，这时我们也需要安装一个可以在回路中起到缺相保护，过载保护等作用的断路器。断路器的型号选择与变频器的容量有关。 (2) 为了奎在变频故障时实现手动工频的运行，因此控制回路需要有手动切换工频变频的功能。固工频和变频设置有互锁功能的原因是应为输出端不能加电压。目前，市场上充斥着各种各样的变频器，这表示着变频器技术已经相当的发达了。其中的代表公司有德国西门子公司，日本三菱公司等。其中西门子公司生产的变频器，因对电源电压的严格要求而闻名于世界。而日本通用的额定电压则是200V,220V等。由于工厂电压波动大，因此需要变频器的输入电压可以在规定允许的范围内波动。最后性价比最高的变频器就要数安川CIMRG7A45P5型变频器了。致谢 值此论文完成之际，首先向我的指导老师王家忠老师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢。王老师严谨的治学态度，对工作一丝不苟的精神给我留下了很深的印象。王老师在百忙之中对我的学习和实践进行的指导和帮助，给了我独立思考和学习的方法。同时向各位老师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢，感谢四年以来各位老师对我的辛勤教导，教会了我多方面地知识，以及严谨的学习态度和科学的学习方法，使我受益匪浅。 在本论文完成的过程中因为有王老师和各位老师对我的精心指导，以及在学习和生活中给予了无微不至的关怀和帮助，以及周围同学们的关心和帮助，才使得本文能够顺利完成。 最后再次感谢在学习上和生活上曾经给予我关心和帮助的所有的人。再次感谢答辩委员会的各位老师给予我的指导和帮助。 参考文献1江德松,CDK5250立式车床电气系统的改造设计，2013年2张士凯，利用PSTN组网的远程分布式三给智能监测系统，2002年3缪志宏,数据压缩算法的实现研究,2007年