数控车床电气控制系统设计说明书本科论文.doc

郑州铁路职业技术学院毕业设计说明书论文题目: 数控车床电气控制系统设计系 部: 机电工程系专 业: 数控技术 目录1、前言（1）2、数控的发展史（1）3、数控的分类（3）4、工作流程分析（4）5、电气设计（5）6、数控车床电气接线表（12） 7、数控故障表查询（16） 8、收获（21）9、参考文献（22）10、致谢（22）前言我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。一、数控的发展史 高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。 数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。一、个性化的发展趋势1.高速化、高精度化、高可靠性高速化：提高进给速度与提高主轴转速。 高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。2.复合化数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。3.智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。4.柔性化、集成化当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段车间独立制造岛FA)、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主二、个性化是市场适应性发展趋势当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。三、开放性是体系结构的发展趋势新一代数控系统的开发核心是开放性。开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究， 数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。二、数控的分类数控机床所受控制可分为两类：一类是“数字控制”，例如，数控机床各坐标轴的移动距离，各轴运行的插补、补偿控制等；另一类是“顺序控制”，根据机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等的开关量信号，并根据预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启/停、换向、刀具的更换、工件的夹紧/松开、液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。数控机床从结构上看通常可分为三部分：CNC系统（计算机数控系统），机床电气，机床本体。对内装式PLC，它包含在CNC系统内部；对于独立式PLC则一般在机床电气内。从机电的角度看，CNC系统和机床电气为电，机床本体则为机。在讨论PLC时，常以PLC为界把数控机床分为“NC侧”和“MT侧”（即机床侧）两大部分。“NC侧”包括CNC系统的硬件软件以及CNC系统的外部设备。“MT侧”则包括机床的机械部分、液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置，以及机床操作面板、继电器线路、机床强电线路等。PLC处于NC与MT之间，并对NC和MT的输入、输出信号进行处理。MT侧顺序控制的最终对象的数量随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大的差别。一般来说，机床结构越复杂，辅助装置越多，受控对象数量就越多。相比而言柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）的受控对象数量多，而数控车床、数控铣床的受控对象数量较少。三、工作流程分析1 电气原理图分析的方法与步骤电气控制电路一般由主回路、控制电路和辅助电路等部分组成。了解了电气控制系统的总体结构、电动机和电器元件的分布状况及控制要求等内容之后，便可以阅读分析电气原理图。分析主回路从主回路入手，根据伺服电机、辅助机构电机和电磁阀等执行电器的控制要求，分析它们的控制内容，控制内容包括启动、方向控制、调速和制动。分析控制电路根据主回路中各伺服电机、辅助机构电机和电磁阀等执行电器的控制要求，逐一找出控制电路中的控制环节，按功能不同划分成若干个局部控制线路来进行分析。而分析控制电路的最基本方法是查线读图法。分析辅助电路辅助电路包括电源显示、工作状态显示、照明和故障报警等部分，它们大多由控制电路中的元件来控制的，所以在分析时，还要回头来对照控制电路进行分析。分析连锁与保护环节机床对于安全性和可靠性有很高的要求，实现这些要求，除了合理地选择元器件和控制方案以外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气连锁。总体检查经过“化整为零” ，逐步分析了每一个局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系之后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，看是否有遗漏。特别要从整体角度去进一步检查和理解各控制环节之间的联系，理解电路中每个元器件所起的作用。四、电气设计1、设计要求机床的运动及控制要求数控车床主轴的旋转运动由5.5kw变频主轴电机实现，与机械变速配合得到低速、中速和高速三种无级变速。Z轴、X轴的运动由交流伺服电机带动滚珠丝杠实现，二轴的联动由数控系统控制并协调。螺纹车削由光电编码器与交流伺服电机配合实现。除上述运动外，还有电动刀架的转位，冷却电机的启、停等。主回路分析图1是380V强电回路。图1 TK40A强电回路120WKM1WVURC3380VAC/200VAC2TST2S2R2RWVUL3L2L1PETC13-AC380V50HzM2U21V21W213.5KVAR1S1T1RC1电源开关伺服强电冷却电机KM6U2V2W2(9A)伺服变压器设备界线X14100QF4QF210A40AQF11351352462462461351314135246M3(22A)0.06KWRC4M3U31V31W31刀架电机KM4U3V3W3(9A)X271000.4AQF5 1352461314KM5(9A)123456123456KM3U12V12W12U11V11W11(22A)主轴强电 123456 QF325A135246 图中QF1为电源总开关。QF3、QF2、QF4、QF5分别为主轴强电、伺服强电、冷却电机、刀架电机的空气开关，它的作用是接通电源及短路、过流时起保护作用；其中QF4、QF5带辅助触头，该触点输入PLC，作为报警信号，并且该空开的保护电流为可调的，可根据电机的额定电流来调节空开的设定值，起到过流保护作用。KM3、KM1、KM6分别为主轴电机、伺服电机、冷却电机交流接触器，由它们的主触点控制相应电机；KM4、KM5为刀架正反转交流接触器，用于控制刀架的正反转。TC1为三相伺服变压器，将交流380V变为交流200V供给伺服电源模块；RC1、RC3、RC4为阻容吸收，当相应的电路断开后，吸收伺服电源模块、冷却电机、刀架电机中的能量，避免产生过电压而损坏器件。电源电路分析图2为电源回路图。图2 TK40A电源回路图QF86AQF73AQF6QF93AAC24VAC110VAC220VAC380VELHLD10A54987621212121110B110A600WM4V100110D220CV24BU24A24CTC2220A1220B124VAC 40W1212控制变压器工作灯电柜风扇门强电指示灯250V 6AZL低通滤波器M512电柜风扇220A220B24V 6AVC1QF1010A6,74,5122124V210024D2X1mm2BU CuS-145-2421M6吊挂风扇2图中TC2为控制变压器，原方为AC380V，副方为AC110V、AC220V、AC24V，其中AC110V给交流接触器线圈、为强电柜风扇提供电源；AC24V给电柜门指示灯、工作灯提供电源；AC220V通过低通滤波器滤波给伺服模块、电源模块、24V电源提供电源；VC1为24V电源，将AC220V转换为AD24V电源，给世纪星数控系统、PLC输入/输出、24V继电器线圈、伺服模块、电源模块、吊挂风扇提供电源；QF6、QF7、QF8、QF9、QF10空开为电路的短路保护。控制电路分析a主轴电机的控制图3、图4分别为交流控制回路图和直流控制回路图。先将QF2、QF3空开合上，见图1强电回路，当机床未压限位开关、伺服未报警、急停未压下、主轴未报警时，KA2、KA3继电器线圈通电，继电器触点吸合，并且PLC输出点Y00发出伺服允许信号，KA1继电器线圈通电，继电器触点吸合，KM1交流接触器线圈通电，交流接触器触点吸合，KM3主轴交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，主轴变频器加上AC380V电压，若有主轴正转或主轴反转及主轴转速指令时（手动或自动），PLC输出主轴正转Y10或主轴反转Y11有效、主轴AD输出对应于主轴转速的直流电压值（0-10V），主轴按指令值的转速正转或反转；当主轴速度到达指令值时，主轴变频器输出主轴速度到达信号给PLC输入X31(未标出)，主轴转动指令完成。主轴的起动时间、制动时间由主轴变频器内部参数设定。b刀架电机的控制 当有手动换刀或自动换刀指令时，经过系统处理转变为刀位信号，这时是PLC输出Y06有效，KA6继电器线圈通电，继电器触点闭合，KM4交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电机正转，当PLC输入点检测到指令刀具所对应的刀位信号时，PLC输出Y06有效撤消、刀架电机正转停止；PLC输出Y07有效，KA7继电器线圈通电，继电器触点闭合，KM5交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电机反转，延时一定时间后（该时间由参数设定，并根据现场情况作调整），PLC输出Y07有效撤消，KM5交流接触器主触点断开，刀架电机反转停止。选刀完成。为了防止电源短路，在刀架电机正转继电器线圈、接触器线圈回路中串入了反转继电器、接触器常闭触点，见图3。请注意，刀架转位选刀只能一个方向转动，取刀架电机正转。刀架电机反转只为刀架定位。c冷却电机控制当有手动或自动冷却指令时，这时PLC输出Y05有效，KA8继电器线圈通电，继电器触点闭合，KM6交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，冷却电机旋转，带动冷却泵工作。伺服电机的控制请参考其他资料书在这里不作重点叙述。图4 TK40A直流控制图Y10Y11420Y00100KA2KA3128812Y07Y06伺服强电允许外部运行允许伺服OKKA71131314KA11314KA21314KA31314KA41314KA51314KA61314KA7冷却电机主轴电机/主轴电机Y05KA61131314KA8刀架电机刀架电机CBD-SB2 急停超程解除SQX-1SQX-3（OTBS2）（OTBS1）SQZ-1SQZ-3 急停（面板）（手持盒）2、设计规划PLC控制系统的电气设计包括以下内容：（如下图所示）原理图、元器件清单、电柜布置图、接线图与连接图，如果是定型设备还应包括工艺图，这在其它书本有详细介绍。电气设计时特别要注意以下几点：（1） PLC输出接口的类型，是继电器输出还是光电隔离输出等。（2） PLC输出接口的驱动能力，一般继电器输出为2A，光隔输出为500mA。（3） 模拟量接口的类型和极性要求，一般有电流型输出（-20mA+20mA）和电压型输出（-10V+10V）两种可选。（4） 采用多直流电源时的共地要求。（5） 输出端接不同负载类型时的保护电路。执行电器若为感性负载，需接保护电路。直流可加续流二极管，交流可加阻容吸收电路。（6） 若电网电压波动较大或附近有大的电磁干扰源，应在电源与PLC间加设隔离变压器、稳压电源或电源滤波器。（7） 注意PLC的散热条件，当PLC的环境温度大于55oC时，要用风扇强制冷却。五、数控车床电气接线表和图 如下所示如:信号端子号说明备注车床铣床车床铣床加工中心MM124VDC地L+L+224VDC输出（作为X333输入信号的公共端）I0.0I0.03急停按钮I0.1I0.14X轴“正”向限位开关I0.2I0.25X轴“负”向限位开关I0.3I0.36无Z轴“正”向限位开关I0.4I0.47无Z轴“负”向限位开关I0.5I0.58X轴参考点开关I0.6I0.69无Z轴参考点开关I0.7I0.710Z轴“正”向限位开关Y轴“正”向限位开关I1.0I1.011Z轴“负”向限位开关Y轴“负”向限位开关I1.1I1.112Z轴参考点开关Y轴参考点开关I1.2I1.213无无伸出到位I1.3I1.314无无缩回到位I1.4I1.415无无松开到位I1.5I1.516无无锁紧到位I1.6I1.617刀架电机过载无I1.7I1.718I2.0I2.019驱动器就绪I2.1I2.120I2/t报警I2.2I2.221I2.3I2.322I2.4I2.423冷却液液位过低I2.5I2.524冷却泵电机过载I2.6I2.625润滑液液位过低I2.7I2.726润滑泵电机过载27-30无定义Q0.0Q0.031脉冲使能Q0.1Q0.132驱动器使能Q0.2Q0.233控制使能Q0.3Q0.334Q0.4Q0.435冷却泵Q0.5Q0.536润滑泵Q0.6Q0.637Q0.7Q0.738Q1.0Q1.039刀架正转无刀库正转Q1.1Q1.140刀架反转无刀库反转Q1.2Q1.241无无刀库伸出Q1.3Q1.342无无刀库缩回Q1.4Q1.443无无刀柄松开Q1.5Q1.544无无刀柄锁紧Q1.6Q1.645Q1.7Q1.746L+L+47、48输出信号的公共端：24VDCL+L+49、50输出信号的公共端：24VDCMM124VDC地L+L+224VDC输出（作为X333输入信号的公共端）I3.0I3.03刀位检测信号T1I3.1I3.14刀位检测信号T2I3.2I3.25刀位检测信号T3I3.3I3.36刀位检测信号T4I3.4I3.47刀位检测信号T5I3.5I3.58刀位检测信号T6I3.6I3.69刀位检测信号T7I3.7I3.710刀位检测信号T827-30无定义L+L+47、48输出信号的公共端：24VDCL+L+49、50输出信号的公共端：24VDC六、数控故障表查询根据部分电路图查询常见的故障，图如下所示：序号故 障 点故 障 现 象车 床铣 床1主轴电机电压输出开路主轴电机不启动2主轴信号STF输出开路MCPA模块面板的Uni-Dir1接口有24V输出，但主轴不能正转3主轴信号STR输出开路MCPA模块面板的Uni-Dir2接口有24V输出，但主轴不能反转4主轴信号SD输出开路MCPA模块面板的Uni-Dir1和Uni-Dir2接口都有24V输出，但主轴不能正反转5主轴信号+V输出开路控制信号无输入，变频器外部模拟量控制时主轴不转6刀架电机电源输出开路（模拟刀架）刀库正转控制信号Q1.0有输出，相应的指示灯亮，但不能换刀无7主轴模拟量信号SVC输出开路主轴模拟输出信号SVC无信号输出，主轴不转8主轴方向1信号输出开路MCPA模块面板的Uni-Dir1接口没有24V输出，主轴不能正转9主轴方向2信号输出开路MCPA模块面板的Uni-Dir2接口没有24V输出，主轴不能反转10驱动器电源模块24V电源输出开路驱动器电源模块断电不启动，进给驱动面板的P24和M无24V电源。注：故障排除后系统需重新上电11PP72/48模块24V电源输出开路PP72/48模块断电不工作，输入信号面板X24接口的24V和M无24V电源。注：故障排除后系统需重新上电12NC电源输出开路NC不启动13驱动器就绪信号输出开路系统出现003000急停、700016驱动器未就绪报警14I2/t报警信号输出开路系统出现700016驱动器未就绪，700017电源馈入模块I2/T报警15手轮A+信号输出开路手轮信号A+输出电压升高，进给轴不动16手轮电源+5V输出开路手轮电源+5V没有输出，进给轴不动17冷却泵控制信号输出开路Q0.4没有输出，冷却控制无效18润滑泵控制信号输出开路Q0.5没有输出，润滑控制无效19刀架正转信号输出开路Q1.0没有输出，刀架不能正转无20刀架反转信号输出开路Q1.1没有输出，刀架不能反转无21急停信号开路系统出现003000急停、700016驱动器未就绪，I0.0无24V电源22信号I0.1输出开路系统出现021614通道1轴X/X1到达硬件限位开关+ 报警，X轴不能往正方向运行23信号I0.2输出开路系统出现021614通道1轴X/X1到达硬件限位开关- 报警，X轴不能往负方向运行24信号I0.3输出开路无系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位开关+报警25信号I0.4输出开路无系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位开关- 报警26信号I0.5输出开路X轴回不了参考点27信号I0.6输出开路无Z轴回不了参考点28信号I0.7输出开路系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位开关+ 报警，Z轴不能往正方向运行系统出现021614通道1轴Y/Y1到达硬件限位开关+报警，Y轴不能往正方向运行29信号I1.0输出开路系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位开关- 报警，Z轴不能往负方向运行系统出现021614通道1轴Y/Y1到达硬件限位开关-报警，Y轴不能往负方向运行30信号I1.1输出开路Z轴回不了参考点Y轴回不了参考点31手轮B+信号输出开路手轮信号B+输出电压升高，进给轴不动32手轮A-信号输出开路手轮信号A-输出电压升高，进给轴动33手轮B-信号输出开路手轮信号B-输出电压升高，进给轴动34停止灯信号开路停止灯不亮，停止按钮起作用35启动信号开路启动按钮不起作用36停止信号开路停止按钮不起作用37冷却液液位过低信号I2.4输出开路将I2.4钮子开关打上后，系统无700019冷却液液位低报警38冷却泵电机过载信号I2.5输出开路将I2.5钮子开关打上后，系统无700018冷却泵电机过载报警39润滑液液位过低信号I2.6输出开路将I2.6钮子开关打上后，系统无700021润滑液液位低报警40润滑泵电机过载信号I2.7输出开路将I2.7钮子开关打上后，系统无700020润滑电机过载报警41刀具1信号输出开路找不到1#刀具无42刀具2信号输出开路找不到2#刀具无43刀具3信号输出开路找不到3#刀具无44刀具4信号输出开路找不到4#刀具无45刀具5信号输出开路找不到5#刀具无46刀具6信号输出开路找不到6#刀具无47刀具7信号输出开路找不到7#刀具无48刀具8信号输出开路找不到8#刀具无七、收获掌握了数控机床电气柜控制电路的原理及应用掌握了西门子 802D sl 数控铣床的编程方法和操作方法。掌握了 802D sl 数控系统的数据备份与恢复掌握了识别报警、故障排除、消除报警的一般方法了解了并熟悉 PLC 在数控系统中的应用。熟悉了并掌握西门子 PLC 的指令及编程掌握了加工中心刀具库的应用和换刀控制掌握了车削中心 C 轴功能的应用与调试。掌握了数控四工位电动刀架的控制原理、接线及调试 掌握了编码器(圆光栅)的实际应用和螺纹编程加工 掌握了变频器的参数设定方法和应用 掌握了数控系统通过变频器控制主轴电机的方法 掌握了 802D sl 系统数控机床参考点的调试 掌握了数控车床的丝杠螺距、传送比等参数的设置 了解了数控机床半闭环的构成原理全闭环直接测量系统的工作原理与组成 了解了 802D sl 系统交流伺服驱动系统的组成与调试。 掌握了数控系统进给轴参数的调试 了解了数控铣床输入/输出接口的定义。 掌握了数字输入/输出信号的接线与应用 掌握了 802D sl 系统用于数控铣床的 PLC 参数的设置 了解了数控系统的数据保护、系统保护和 NC 的启动方式。 掌握了 802D sl 系统用于数控车床的 PLC 参数的设置。 掌握了实训台上电、断电的控制过程。 掌握了电气元件在电路中的应用，了解电气原理图。参考文献张超英.数控加工工艺、编程及操作实训.北京：高等教育出版社，1999.刘战术.数控机床操作与加工实训.北京：人民邮电出版社，2006.杨叔子.机械加工工艺师手册.北京机械工业出版社，2002.马贤智.实用机械加工手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.顾京.数控加工编程与操作.北京：机械工业出版社，2003.致谢本任务书是在机电工程系指导老师张老师的悉心指导和亲切关怀下完成的。指导老师严谨求实的态度、高深渊博的专业知识、良好的职业风范和诲人不倦的育人精神，必将使作者终生受益。指导老师对数控专业技术的热爱、对新知识技术的追求、对事业的执着以及谦逊宽厚的为人态度，将会永远成为作者学习的榜样、心中的楷模。在毕业实习阶段，作者在数控技术专业综合能力尤其是对数控电气原理图的分析的能力上有了很大的提高，所取得的进步和成绩都将离不开指导老师在学习上的精心指导和严格要求。在说明书完成之际，谨向指导老师表示真诚的感谢和崇高的敬意！回顾大学三年在郑州铁路职业技术学院的求学之路，心中感慨万千暖暖的涌上心头，这是一片温馨的土地、温暖的校园生活给作者留下了太多美好的回忆，愿在校的各任职老师工作顺利，培育出更多的优异学生，祝愿母校的未来更加的灿 本书由本人编写，能力及经验有限，疏漏之处在所难免，望各位老师及高人不吝赐教，本人在此深表感谢！张强2013年3月20日