数控机床的电气控制系统的设计(初稿)2.docx

毕业设计报告

数控机床的电气控制系统的设计

系 部： 电气工程系
专 业：机电一体化技术
班 级： 机电091
姓 名：
学 号：
指导老师：

2015．10．
目 录
摘要： I
第一章 序言 2
1.1 选题背景与意义 2
1.2 数控机床电气控制系统的发展与现状 2
1.3 数控机床的组成与基本工作原理 5
1.4 本文所做的工作 6
第二章 电气控制系统总体方案设计 7
2.1 数控机床电气控制系统的控制要求 7
2.2 伺服控制系统的主要功能 10
2.3 电气控制系统总体设计方案的提出 13
第三章 主设备的电气控制系统设计 14
3.1 主轴电机的电气控制系统设计 14
3.1.1 主轴电机的电气控制原理 14
3.1.2 主轴的异常保护方案设计 15
3.1.3 主轴参数的设定 15
3.2 进给轴的电气控制系统设计 17
3.2.1 进给轴的控制原理 20
3.2.2 进给轴电机伺服驱动控制系统设计 21
3.2.3 进给轴限位控制及异常情况处理 24
3.3 电气系统开关与紧急停止系统设计 25
3.4 电气布局与安装 26
第四章 电气控制系统的安装与调试 28
4.1 安装注意事项与要点 28
4.2电气控制系统调试方案 29
4.3 控制系统调试的结果与说明 32
第五章 总结 33
谢 辞 35
参考文献 36
附录 38

数据机床的电气控制系统的设计
摘要：
数控机床是现在制造工业的核心母机，数控系统又是数控机床的核心，而数控系统的性能保障是数控机床的电气控制系统。可以说数控机床电气控制系统的优劣，决定了控制系统的性能。广义上说数控机床电气控制系统包括数控系统，本文所提及的系统，要控制机床实现高速高精度高可靠的加工，所以电气控制系统的性能至关重要。本文主要是在阅读大量有关数控机床电气控制的文献的基础上完成了以下几个方面的内容：首先提出了TK40A数控机床电气控制设计的总体方案，并阐述了数控机床电气控制系统的控制要求以及伺服控制系统的主要功能；其次阐述了机床电气控制系统详细设计，本文主要分析了数控机床电气控制主设备中的主轴电机的电气控制原理、参数设计以及异常保护方案设计；电气控制给进轴的控制原理、电机伺服驱动控制系统设计以及限位控制；电气系统开关与紧急停止系统设计以及电气布局与安装；最后论述了电气控制系统安装与调试应注意的事项与要点，调试方案以及调试的结果。
关键词：数控机床电气控制，电气柜设计，PLC

第一章 序言
1.1 选题背景与意义
人类发展和文明进步的主要动力之一便是人类的经济活动，而人类经济活动的重要基石就是制造，它的发展水平标志着一个国家工业的发达程度。随着科学技术的发展，传统的机电制造业正在经历着深刻的变革，取而代之的是以微电子计算机、信息科学技术等为支撑的现代化制造业，这些高科技信息技术为机械制造业带来了翻天覆地的变化。
科学技术的快速发展为制造行行业注入了新的活力，也为人类的提供了多样化的产品，人们也对产品多样化的要求越来越高，产品的更换周期也越来越短，使多品种、小批量生产的比重明显增加;同时，随着航空航天、造船、军工、汽车、农业机械等行业对产品性能要求的不断提高，产品中形状复杂的零件越来越多，加工质量要求也不断提高。而传统的加工制造业已经不能够完成这种产品多样化、柔性化以及高精度化、高质量的加工要求，为此，必须探寻一种能够解决上述问题、实现精度高、效率高的自动化制造生产设备——数控机床。
数控机床的关键性能之一是控制数控机床的电气控制方式。总所周知，数控机床原本就是一台电能量转换装置，其功能是将电能转换成加工工艺所需机械能。而其中的电气控制对于整个数控机床来说，就像人类的心脏，使整个机床正常工作的能源保障。
机床电气控制系统包括机床供配电系统、主轴控制系统、进给轴控制系统、冷却油泵控制系统以及其他的辅助设备控制系统。PLC的引入为电气控制，尤其是电器开关量的控制是有重大改进的。在本文中PLC主要是用来控制冷却电机，油泵电机以及其他的辅助电气控制系统。用PLC来替代继电器—接触器控制系统，提高了系统的可靠性和柔性，使控制性能产生了一个质的飞跃。
1.2 数控机床电气控制系统的发展与现状
一直以来，机床工业在德国政府看来都具有极其显著的战略意义，并在许多领域极力推动其发展。它的突出特点表现在极其看重实际效果，极其看重人力资源建设，一切为了人，一切依靠人，极为重视师傅与徒弟之间技艺上的承接，花很大的精力用于工人素质的培训提高。同时，科学研究方面的投入在德国也得到特别重视，科学理论都重视投身于相关生产实践，既重视发挥基础科研的作用，也重视应用科学的研究。德国还特别重视让高校走出校门开展校企联合，极力推动高校科技成果转化，在诸如产品设计、数控机床加工等相关研究领域，充分地、深入地进行双方相互间的优势互补，严格控制并追求更高更好的产品质量。正因为其在产品细节、实用性和质量等方面的极致追求，由此才会有德国的此类精密和大型数控机床产品闻名并畅销全世界，其领先其他同类产品，并且性能品质得到充分一致的认可，获得了极大的成功，尤其是其主机和光、液、刀具、电、测量等相关配套功能部件的先进性和实用性，一直以来更是令人津津乐道，达到了世界顶尖水平。人们都知道的著名的西门子公司就是其中典型代表和佼佼者，该公司生产的数控系统在全世界范围内都受到了极大欢迎和使用。
基础工业在日本所受到的重视也不亚于德国，政府制定“机振法”和“机信法”等相关法律法规对行业发展进行合理规划和引导。其高度重视在企业员工素质建设，充分借鉴世界上其他国家的先进经验，特别是学习德国在相关配套功能部件的先进技术，以及美国在数控机床和质量管理方面的先进技术，并最终在很多方面甚至已经超越了它们。因此，日本与其他两个国家一样，其数控机床生产自动化发展都经历了从大批量的到全面柔性的中小批的过程。日本是在1958年开始能自己研制数控机床，并在此后的20年后以7342台的生产数量开始超越美国的5688台，一直到今天其生产数量乃至出口数量都牢牢占据世界第一的位置，例如在2001年其生产的超过一半的数控机床都出口销往世界其他国家。日本在数控机床上的发展战略可以概括为：先模仿美德两国，然后自己研发创新；在其开始自主研制性能较高的数控机床之前，首先注重发展可以大批量生产的中档产品用于开拓占领是世界市场。它的发展表现得很有计划：目标明确，主要发展数控系统；其生产管理经历了以下这么一个过程，从学习模仿美国的TQC管理模式，到提倡发挥整个员工集体自发的创造力，并最终依靠电子电脑科技领先世界上其他国家，从而开创了一条机电一体化的发展道路。
尽管当前我国采用了较为成熟的电路控制系统，但由于大多数还是采用相对滞后的传统方式，即继电器接触器电路，而只有少数用的较为先进的PLC控制，当然，采用其他更为先进的虚拟PLC系统的就更少了。因此，在肯定我国数控机床发展成绩的同时，也不能否认其相对落后的电子控制系统的事实。
历经4个“五年计划”的关键发展时期，我国的数控机床在其50年左右的发展过程中取得了一定的成绩，主要表现以下几个方面：
（1）已经有了基本的数控技术。当前，我国大多数数控技术已能充分应用于商业开发方面，并开始在产业化方向做出努力。这些都是在我国已基本具备数控技术发展的相关技术的基础上取得的，这些技术包括伺服驱动及配套部件等方面。
（2）数控产业基地基本成型。已经开始形成能实现一些技术商品化的产业基地，这个基地包括从能实现大批量生产的华中数控等，到专门生产伺服系统和伺服电机的兰州电机厂等，另外有北京第一机床厂、济南第一机床厂等几个数控生产厂。
（3）拥有一批数控技术研发和管理人员。由此可以看出，我国在数控技术的研发、数控技术商品化等方面取得了很大的成长，但这仍远远无法达到相应需求，特别是在其高端技术部分还有很多成长空间。
尽管从发展时间来看，我国的数控技术发展取得了很大的发展，但与世界上其他先进国家相比，仍有很长的路要走，因为无论是在发展速度上，还是在技术研发领域都还相对落后，特别是在一些高端的技术领域。我们大致可以从以下几个方面，看出我国与世界先进水平的差距到底有多大：
（1）落后世界先进水平在十年到十五年之间，尤其在高端技术领域表现更有突出。
（2）产业化水平低。没办法规模化生产；产品种类少；功能套件生产滞后；质量控制不稳定；技术成果转化能力低；市场销售份额低；相关产品及其品牌在用户中的认可度不高；
（3）发展后续乏力。这表现在：没法大力拓展其应用领域的研究；产业发展没有相应的标准化、制度化；数控技术还无法形成系统化、模块化发展。
（4）电子控制系统的开放兼容做得不好。对开放式系统的研发方面，仍存在概念模糊的问题，其研发平台的仍没能得到有效解决。在我国仍存在好很多不一样的开发系统，而这些系统又大都没有相同的体系结构，又没能有效相互兼容，更不要说互换。它们对各自体系结构的表达仍处在表面上，还无法形成较高层次的理论化和抽象化，因此，它们也就不可能具备相互间的移植，也就根本不用说要进行相关操作。
（5）开放性控制系统的操作仍没能采用计算机上通行的Windows和LINUX等一样的新型系统。相关软件开发仍处在一个较低水平上，相关的理论和技术滞后，无法满足相关需要，没能有效利用相关软件工程方面的新技术和新理论。
（6）相关产品出厂后，其以后的所有更新维护过程都需要在生产厂家全程帮助下完成，客户对厂家的依赖性太强，而相对应的，客户也没办法把其他任何在产品使用过程中的意见想法，提供给厂家，在这里面有一个沟通不畅的问题，因此产品也就无法得到有效的开发和发展。
1.3 数控机床的组成与基本工作原理
一般，零件在普通的数控机床上加工主要是按照零件的设计图纸，由操作人员手动去改变刀具与被加工零件的相对加工轨迹，然后再由刀具对加工件进行切割来完成零件的加工。而现代化科技引入的数控机床在进行零件加工时，是通过计算机编程人员将整个零件加工的工艺程序以及机床运动的轨迹要求编程，然后再将编程好的计算机语言导入到CNC装置，再经过工序的转换和处理后，CNC装置向数控机床的伺服驱动机床发出指令，从而完成整个零部件的加工。下图1-1为整个数控机床的具体工作流程：

图1-1 数控机床的工作流程图
1.4 本文所做的工作
本文主要是在阅读大量有关数控机床电气控制的文献的基础上完成了以下几个方面的内容：
第一，提出了数控机床电气控制设计的总体方案，并阐述了数控机床电气控制系统的控制要求以及伺服控制系统的主要功能；
第二，机床电气控制系统详细设计，本文主要分析了数控机床电气控制主设备中的主轴电机的电气控制原理、参数设计以及异常保护方案设计；电气控制给进轴的控制原理、电机伺服驱动控制系统设计以及限位控制；电气系统开关与紧急停止系统设计以及电气布局与安装；
第三，电气控制系统安装与调试应注意的事项与要点，调试方案以及调试的结果。

第二章 电气控制系统总体方案设计
2.1 数控机床电气控制系统的控制要求
根据《数控机床电气控制(第二版)》[4]，数控机床电气控制系统的设计主要要遵循以下几方面的原则：
首先，要尽可能的满足整个系统的机械设计和工艺加工的要求。尽管数控机床是科技发展的产物，但其仍然属于机电一体化产品，其主要包含了控制系统的主轴控制系统和进给轴伺服控制系统，而这些系统大多数都是机电式的，他们的输出部分的机械环节和元件是控制系统必不可少的重要组成部分，直接影响着数控机床性能的好坏。这些机械环节和元件不同于电气部分，他们不能够灵活的变化，一旦加工完成，其性能的提高几乎是不可能的了。所以，数控机床的机械设计人员以及数控机床控制系统的人员必须深刻地认识到这一点，以便他们能在最初的设计阶段和加工阶段能全方面的衡量各部件承担的职责，紧密配合，制定出合理的设计方案和加工方案。这机械环节和元件的设计过程中，需要乃如考虑的机械部分主要有：相关的负载、驱动力和驱动力矩、摩擦力或摩擦力矩、死区、传动系统的间隙、刚性、惯性矩和共振频率等，而电气控制部分主要考虑的是强电、弱电布置和设计。
其次是需要保证数控机床运行的可靠性好稳定性。电气控制系统的可靠性和稳定性在很大一部分程度上决定了整个数控机床的可靠性和稳定性。数控机床数控系统的故障来自多方面，主要包括数控机床的加工工艺、数控机床的运行环境以及数控机床的使用条件。特别是在数控机床工作的现场，各种数控系统设备产生的电磁会对数控机床系统产生一定的干扰，导致数控系统出现故障，因此，设计阶段就必须控制电磁干扰的强度，并提高数控系统抗电磁干扰的水平。
再者，控制系统的设计需要便于加工生产，降低成本，并在此基础上保证产品的质量。大多数商品的生产是以盈利为目的，因此数控机床的数控系统需要以最低的成本完成最高质量、符合生产要求的产品。因此在设计的初期，就应该充分考虑个部件的质量和工艺，以便在后期的安装调试过程中减少故障的出现，保证产品质量，减少维修费用。
最后，必须要保重产品的安全。整个产品的设计必须将人员的生命安全、设备的安全纳入重点考虑，产品的质量也必须达到国家相关的安全规定和标准。各种标识语需要醒目、简洁、易懂、便于操作。
数控机床对电气系统几个基本要求：
第一、可靠性要求高。现在数控机床大都实现了自动化，特别是柔性制造系统下，数控机床都要求实现无人状态下的长时间乃至二十四小时的连续运作，在这样的运转环境中，要求有更高的机床的性能。而要做到这点，就要在其结构以及相关控制装置上下功夫，此外机床所用的电子元件都要有最高水准并且性能最稳定的新型产品。
第二、符合新技术的发展需要，在不影响性能可靠的情况下，电气系统要保持在同行业先进水平，特别是在一些关键系统的使用上，如新数控系统和新润滑系统。
第三、性能要得到充分保障。电气系统要充分适应各种不同的范围广泛的环境，一般可以通过稳压电源的增加等手段，让它在交流电供电系统环境中适应相应的电压波动。同时，其还对要求能排除电网系统的噪声的部分干扰，这是电气系统的电源模块中相应元件的要求。此外，电气系统中不能自己干扰自己，还要能抗击外面的干扰，自己本身又不能造成对外部的干扰，这样的电气系统必然要符合相关国家标准，同时能做到电磁兼容。
第四、安全性要得到保障。相关操作人员的安全要得到保障，这就要求相关装置要做好绝缘防护，接地部分要牢固；故障的连锁控制要安全可靠；电气装置的相关部件要能有一个可靠的防护外壳；要有一个密封性极好的电柜，保证其不会有切屑等杂物进入其中，同时要保证，电柜的相应元件在正常电压下的安全使用；要有走拖链的电缆以防止缆线断掉而引起相应故障；要有相应的触电防护装置；要保障所有的机床电柜中的相应电子部件，不会发生异常的温度升高的现象，这就要求安装配备空调。
第五、维护方便快捷。容易损耗的电子部件要能方便快捷的被更换，或被替换掉。一般来说，日常维护主要是要保证相应的数控系统温度和湿度都在正常值范围内，同时要让相应部件表面保持干净的状态。
第六、控制性能优良。要保证所有的电动机在其被控制启动的时候，都能很块的做到平平稳稳的，没有其他冲击震动的异常噪声，同时温度也要保持在正常范围，不能出现非正常的突然温度升高现象。
第七、运行中的相应信息在状态栏显示准确。一般来说，电气系统在运行中都是用三色灯做相应的故障、状态和运行指示，这些指示灯都能明确表示出其相应的状态信息。
第八、操作过程的人性化设置。比如说机床的颜色，电柜的颜色在符合相关标准的情况下，还应做到美观大方、显示明确；机床操作站肯定要以人所站的位置想适应，并且其高度也要符合大多数员工的平均身高，这样才能满足员工在上面方便操作的需要；此外，还要保证员工在紧急状况下，能快速找到相应的停止按钮，这样按钮的设置就要明显方便的地方，并且要保障足够多。
本数控铣床电气控制系统对运动及控制有以下几方面的要求：
第一、主轴控制要求：要能有效控制对主轴电机的启动、停止，以及对电机速度的调整；主轴要能平稳地运转，在对其加速或减速过程都要做到反映快捷灵敏，同时在低速状态下要保证有足够大的扭矩，其超出最高承载能力强等。
第二、进给轴控制要求：X，Y，Z轴要求各自都有1台伺服电机驱动，而且这个电机要能保证有效控制3个轴的速度，并能有效控制相应转角。要能有效控制各轴速度及转角。其对精度的相应要求为：重复定位要保证士0.005毫米范围内，定位精度要保证在士0.001 毫米范围内；其对速度的要求如下：能有效实现加减速，较为流畅地进行三轴联动，要有良好的跟随性能，要把每秒加工的速度控制在20cm 到1m之间。其对稳定性有以下要求：要保证较小的振动，同时要能使得受到干扰的可能减少到最低程度等。
第三、辅助控制方面的要求:要能有效控制自动对刀、风扇电机、润滑电机、和液压泵，以及冷却泵电机的运行；
第四、系统紧急停止及工作台限位保护；
第五、控制机床运行情况的信号指示灯。具体的描述会在其所对应的章节进行。CNC数控装置是控制的主导，但是这也需要协调配合可编程序控制和继电器控制电路，在两者的协调下才能共同完成。
三相380V电压、40A的电流和10KW的功率、50HZ的频率构成了此次数控机床的核心电器额定负荷。额定负荷的1.5倍是电气参数所能承受的极限。25牛/米是主轴额定扭力，11.5牛顿是X，Y轴的额定扭力，其中18N/m是Z轴的额定扭力。
2.2 伺服控制系统的主要功能
控制对象为机械位置或角度，并以此为自动控制系统的我们称之为伺服系统，其也被称为位置随动系统，它以控制被控对象的位置和跟踪问题的解决为其主要的功能，它是以准确跟踪位置指令的完成来体现执行机构的主要功能。当前社会生产以及生活水平的发展，也使得伺服技术迎来了发展的春天，伺服系统在工业生产以及军事工业等各个领域都有巨大的发展。按照之前的处理方法，模拟和数字伺服系统是最主要的伺服系统。因为制造上的工艺会影响模拟式检测装置，同时也有巨大的难题摆在制造上，也影响着伺服系统的精确度，但是却没有制约着数字伺服系统的发展，同时却能够在这一领域获得巨大的优势，因此，模拟伺服系统在许多实际场合已经被数字伺服系统所取代。
数字伺服系统运行的原理：所有的采样的开始都是周期一，其中定位置脚B是控制计算机从众多输入接口采用一个来接受上级计算机所送来的，同时自测角装置的是通过对控制计算机来实现的，其中是所采用的通过来得到的。是前若干次采到并将其放到控制算法中，这个过程需要恰如其分的进行。通过有效的计算，控制信号C(n)数字也得到，因此D/A是通过C(n)得到的转换器，并且是在转换后通过模拟得到的电机驱动装置PWM，定位置角8是通过控制电机使负载，在位置的所指之处，已经完成了精致计算机的采用周期内所需要的任务，并开始等到下一次的采样周期。

图2-1 数字伺服系统原理图
数控机床中，伺服系统讲的就是驱动的位置控制系统，而这指的是每个坐标轴所供给的。CNC装置是伺服系统从的主要控制系统，同时变换和放大后的加工坐标轴按指令脉冲运动。这些加工会带动工作台，同时刀架的带动，或者几个坐标轴的综合联动也会因此带动，同时每种复杂的机械运动也是在刀具的作用下产生的，同时也会根据加工作出一些相对较为复杂的形状工件。
伺服系统相对会比较稳定，其保持稳定的秘诀就是使光轴也趋于稳定，同时也能对指向惯指位置提出了相应的要求的。与此同时光轴的稳定也需要在稳定的平台下得以实现。
变化的载体姿态角是需要通过稳定的平台得以实现的，同时信号的输出所得到的反馈也会相对比较稳定，并且误差的等级也分为一级和二级稳定。摄像机一级反射镜，和稳定的棱镜在这个过程中都能促使系统的稳定。
第一，一级稳定
变化的惯性元件感测体姿态、态角的变化也能够促使平台的更加稳定，同时其信号的输出也是通过驱动电机的放大化而得到的，同时在这个过程中成像的稳定需要保持摄像机或反射镜、棱镜的稳定。
在很多行业都会广泛应用到一级稳定技术，并且其采用的是光学平台，于此同时在这个平台上是以陀螺测量为主，同时将陀螺的敏感姿态角进行有效的方法，最终得到稳定的平台，这个平台以三轴和四轴为主，单是当旋转速度较快的时候，像质会因此得到巨大的破坏。这个过程就需要将三轴的陀螺进行固定。整体稳定在光电传感负载器中适用范围会比较小，同时也广泛运用于每个国家的机载侦察机上，然而要是大的负载却没能有好的效果，摩擦力矩和静不平衡力矩也会因此影响，伴随着不断增加的负载，也会增加每个传感器的导线扭矩等。
第二，二级稳定
瞄准线的稳定是靠稳定的平台来实现的，这是一级稳定的保证，然而这个过程也受到很多因素的干扰，随着不断提高的稳定精度的限制，平台稳定的进一步考虑需要通过粗请、精条反射镜来得以实现，这个也会在反射镜和稳定的平台中结合使用，二级稳定也被广泛应用于侦查和激光通信系统中。
在本次是囧机床的电气控制系统中所采用的是三相交流永磁同步伺服系统，并且是通过交流伺服电动机的供电频率的改变，同时也会通过电动机调速的目的来完成。拥有以下的优点：
首先，输入量精确程度在输出的过程中会比较好，这就是较高精度；
其次，拥有较强的抗干扰能力，即好的稳定性；
再者，良好的动态性和优异的跟踪精度，
同时，也拥有较宽的调速；
最后，大扭矩速度较低。

图2-2 三相永磁同步伺服电动机磁场定向矢量控制系统结构图
2.3 电气控制系统总体设计方案的提出
CNC计算机数控系统和强电柜构成了整个系统。CNC计算机数控系统的数控装置是统一的，同时这个系统是由CNC系统、输入/输出接口、驱动单元和执行机构，这个也是要考系统的加工为中心。TK40A数控机床强电柜如图1所示，是由动力、控制电路以及可编程共同组成。系统结构框图如图2-3所示：

图2-3 系统结构框图
下图所示的结构是选择TK40A数控机床电器控制的大致方案。CNC是其主控系统，以ARM9+ C/O S-II，驱动的核心是DSP+FPGA，其中以运动控制器和伺服，电气辅助系统的控制核心为PLC。

图2-4 辅助电气控制系统的方案图
第三章 主设备的电气控制系统设计
3.1 主轴电机的电气控制系统设计
3.1.1 主轴电机的电气控制原理
本文所选的TK40A数控铣床的型号的主要功能是完成五金产品和小型模具的生产和加工，该型号铣床的主轴电机的基本参数如下表2-1所示：
表2-1：主轴电机的基本参数
参数名称
额定参数
额定功率
3.7KW
额定电流
13A
额定电压
380V
等级
4极
额定频率
50HZ
基本转速
1500RPM
最高转速
8000RPM
与此对应的主轴驱动器选用的是变频器，该变频器的主要参数为：额定功率5.5KW，电流13A，电压三相400V级。根据相关规范和计算，该主轴电机的参数能够达到加工五金产品和小型模具所需要的条件。
根据这些选定的主轴电机的参数，本项目选择了型号为YD90L-4/2电动机作为主轴电动机。这种主轴电机的工作过程可以分为以下几个步骤：
首先，主轴驱动器获得控制系统CNC发出的使能信号以后，主轴电机便进入预备启动的工作状态；
然后操作人员在CNC系统中输入自动运转的命令或者手动运转的命令，主轴电机就正式进入运转工作的状态。
三相工业用电在380V的电压通过后，会经过一个漏电开关，然后再经过熔断器，接着直接进入主轴驱动器的变频器VT，为主轴电机的正常工作提供能源。主轴电机的变频器在接收到CNC的控制信号后开始向主轴电机发送对应的指令，此时主轴电机开始实施相应的加工工作，在加工工作的同时，光电编码器将主轴的相关情况，如主轴的转速等信号返回到CNC系统。
3.1.2 主轴的异常保护方案设计
主轴在工作的过程中难免会遇到一些情况异常的现象，这不仅影响了零件加工的质量，还对数控机床有着巨大的损害作用。当数控机床电气控制系统工作的时间过长，超过了额定的工总负荷，系统的电机就会出现发热、过载等现象。
根据本项目所选的设备型号，该数控机床的过热温度闽值设定为110℃，当数控机床在110℃的环境下工作超过两分钟，电气控制系统就会向系统传递出一个过热的危险信号，如果该情况不能及时解决，系统将会发出过热过载的报警信号。如果主轴出现其他的异常情况，比如说主轴系统中出现与电机转速不相匹配、比较细微的功能性异常或者电机的功率失常、流经主轴电机的电流过大等，都会被电气系统中的变频器检测到，变频器将检测到的异常情况通过变频报警信号传递给CNC系统，操作人员便可以通过报警信号检测相应的异常情况；如果数控机床出现突然断电的情况，可能是由于电气控制系统出现短路或者电压不稳等导致的。如果是由于外部因素出现的突然断电的情况，那么数控机床电气系统中的CNC系统、变频系统、PLC等就会自动将前面输入的信息和程序储存起来，在数控机床的供电系统恢复正常后，还能利用这些被储存起来的关键参数和程序。如果数控机床的主轴突然短路，这将会产生非常大的电流，这个时候，漏电开关就发挥了非常重要的作用，漏电开关会自动检测电流，一旦检测到电流超过了30MA，漏电开关便会自动断开，切断电流，这样不仅能保证人员的安全情况，还能够保护电机不受损害。
本设计由CNC控制主轴电动机的速度和极性。主轴有高低两档齿轮，高速档主轴与主轴电动机之间齿轮传动比为1:1；低速档主轴与主轴电动机之间齿轮传动比为1:4. 95。CNC侧对主轴速度的控制的接口信号如下表所示：
名称
G30
G29
G04
G34
001
Sov01

mf
Gr10
002
Sov02

Gr20
003
Sov03

sf
Gr30
004
Sov04

fin

005
Sov05

006
Sov06

007
Sov07

3.1.3 主轴参数的设定
如下表3-3是本项目数控机床电气系统主轴参数设定值：
参数
内容说明
1
S轴伺服电机马达旋转方向设置：通过0或1切换。当X轴伺服电机马达旋转带动机床运动方向与X轴机床坐标预定的方向相反是通过0或1切换。
1
S主轴编码器读书方向设置:通过0或1切换。当S轴编码器读书方向与S轴机床运动方向相反是通过0或1进行切换。
0
主轴伺服控制类型:o : VT 总线1：M2总线2：sercos2总线
4096/1
S轴编码器反馈脉冲数设定，一般设置为4096(主轴电机数为1024,4倍频后反馈4096脉冲数)如果主轴不带编码器，设置为1
0
主轴转速设置【0~1000000】(单位：R/min)用于设定系统没有执行代码程序时
的主轴转速。
0
主轴定位角度【0~359999】(单位：0.001度)设定主轴定位时的定位角度读书负方向。
10
主轴定位转速(单位动刀讯)设定主轴定位时的转速，速度越快，定位越快，但不能太大
300
每10赫兹对于那个主轴转速当量(r/min )。例如主轴电机额定频率为50HZ对应空载额定转速为1500r/min，则设为(1500/50) *10=300
主轴变频器(VT)变频器)的调试。
电机参数自镇定过程：
1)初始化驱动器参数
P0.01=$:回复出厂参数
2)设定变频器预设频率：
P0.05:旋转自镇定时的频率
3)根据电机铭牌参数，设定变频器自镇定参数(不同机型电机铭牌参数不相同)：
P9.01:电机极数
P9.02:额定转速
P9.03额定功率
P9.04:额定电流
4)设定电机自镇定参数的方式，按E}UN开始运行:
P9.15=1:停止方式自镇定
P9.15=2:旋转方式自镇定
5)观察变频器是否出现过载报警，如果是，则切换参数Pd.22;
Pd.22:编码器方向旋转，编码反馈方向与电机旋转方向不一致时:采用0或1切换参数，
6)自镇定参数结束后，按照参数表设定变频器参数;
7)设定为系统控制方式，试运行电机;
8)主轴定位角度调试。
3.2 进给轴的电气控制系统设计
该型号的数控机床为半线轨机床，也就是说X, Y轴是采用线轨，而Z轴采用的是硬轨。采用线轨的进给轴与机械本体的接触面小，摩擦力小，阻力小，其负载能力较轻，一般用于轻载切削，用于加工五金零部件，汽车配件等产品；而采用硬轨方式的进给轴则面粗，摩擦力大，阻力大，负载能力强，可重载切削，一般用来加工模具产品。本机床——LOKSON650，采用半线轨则其用途是介于两者之间的一种产品，主要用来加工五金，汽车配件，小型模具等产品。故其切削要求分为:进给轴要求和主轴要求，主轴的要求在上部分已经讲过，这里就不再赘述了。下面着重讨论进给要求：
（1）精度要求：①重复定位精度是士:0.005mm;②定位精度是士0.001mm;
（2）快速要求:加减速好，三轴联动比较顺畅，跟随性好，平均每秒加工进度为20cm/min，最快能达到1 m/min；
（3）稳定性的要求:振动小，抗干扰能力强等。
对X，Y，Z进给轴的控制是整个电气控制系统里面最有难度的部分。我们选用了安川伺服电动机(属于三相永磁同步电机，型号为S GMGD-20ACA51)和华南理工大学研发的伺服驱动器(型号为SGMD-20ADA) o
由于X, Y伺服轴的要求一样，故X，Y轴的伺服电机相同，其主要参数为：额定功率1.8KW，额定电流：3A，额定扭力500牛/米，额定电压三相220V，额定转速为1500RPM，最高转速为3000RPM。对应的伺服电机驱动器的参数为：额定电压三相220V，额定功率2KW，额定电流2A，额定频率为50HZ。
本系统的辅助电气控制系统的润滑系统有两个输入，两个报警输出;冷却系统也有两个输入两个报警输出；自动对刀有6个输入，6个报警输出;照明和信号灯系统有一个输入，四个输出;换刀系统有5个输入和5个输出，故在选择PLC时，考虑到有留有1/3的余量我们采用了汇川HCzu - 241 SMR型号的PLC。拥有24个输入，15个输出。扫描频率高达1000HZ，完全满足要求。其IO点的分布为：
表3-3 PLC外部IO点的分布
输入点X0
X轴左对刀信号
输出点Y0
X轴左对刀使能
输入点X1
X轴右对刀信号
输出点Y1
X轴右对刀使能
输入点X2
Y轴前对刀信号
输出点Y2
Y轴前对刀使能
输入点X3
Y轴后对刀信号
输出点Y3
Y轴后对刀使能
输入点X4
Z轴上对刀信号
输出点Y4
Z轴上对刀使能
输入点XS
Z轴下对刀信号
输出点Y5
Z轴下对刀使能
输入点X6
预留
输出点Y6
预留
输入点X7
预留
输出点Y7
预留
输入点X8
润滑缺油信号
输出点Y8
润滑缺油报警
输入点X9
冷却剂缺少信号
输出点Y9
冷却剂缺少报警
输入点X10
预留
输出点Y10
预留
输入点X11
润滑剂过量信号
输出点Y11
润滑剂过量报警
输入点X12
冷却剂过量信号
输出点Y12
冷却剂过量报警
输入点X13
预留
输出点Y13
预留
输入点X14
手动松刀
输出点Y14
松刀
输入点X15
自动松刀
输出点Y15
紧刀
输入点X16

输出点Y16
刀盘正转
输入点X17

输出点Y17
刀盘反转
输入点X18

输出点Y18
刀盘前进
输入点X19

输出点Y19
刀臂使能
输入点X20

输出点Y20
刀库非法操作报警
输入点X21

输出点Y21
预留
输入点X22

输出点Y22
开机照明灯亮
输入点X23

输出点Y23
预留
输入点X24

输出点Y24
预留
输入点X25

输出点Y25
信号灯绿灯
输入点X26

输出点Y26
信号灯黄灯
输入点X27

输出点Y27
信号灯红灯
3.2.1 进给轴的控制原理
以下将对伺服电机的控制原理和基本的工作情况作出简要分析。我们知道，不管是X轴伺服电机、Y轴伺服电机还是Z轴伺服电机，它们基本的工作过程和电气控制原理都十分相似，因而以下将X轴伺服电机作为例子来对电机的控制过程及所依据的理论作出说明。一般而言，使伺服电机工作起来必须满足3个条件，一为与电机满足对应关系的驱动器首先要接收“CNC使能”信号，该信号有正有负，来源于CNC；二为驱动器无故障，能够即刻顺利地将应答信号回馈给CNC，该应答信号应当包含伺服电机满足伺服相关要求的信息。而在第二条件满足的同时驱动器需要接收“正负使能信号”，该信号的来源为机床操作面板。而三个条件的达成只能表明伺服电机已经具备了起动的基本条件，而要X、Y、Z轴电机征程工作起来，则还需要从CNC接收到非常重要的命令指令，命令指令可能为手动还可以是自动循环。当电机工作过程中遇到故障或因其他因素无法正常工作，电机将接收急停命令而停止工作，该命令可以由CNC发出，也可以由工作者手动从控制面板上发出。此时，将发生以下变动。众所周知，工业用电为三相380V，而此时将会经总开关QC1、接触器KM1变为三相220V。最终进入X、Y、Z轴伺服驱动器的三相220V还需经熔断器FU1、FU2、FU3才能直接到达驱动器.
3.2.2 进给轴电机伺服驱动控制系统设计
根据进给轴的控制原理，本数控机床电气控制系统进给轴电机伺服驱动控制系统参数的设定：
主要参数
参数的功能
设定编号
现场编号
P000.1
控制方式选择
0000
0001
P200.0
指令脉冲形式
0000
0000
PSOA3
N行程有效
2100
8100
PSOB.O
P行程有效
6543
6548
P202
电子齿轮比(分子)
螺距(10mm)
32768
P203
电子齿轮比(分母)
2500
2500
P204
位置指令加减速时间参数
40
100
P500
定位完成宽度
2000
20
P201
分周比
40
2500
P100
速度环增益
0
90
P101
速度环积分时间常数
100
600
P102
位置环增益
0
90
P103
惯量比
2000
50
P401
扭矩指令滤波器时间常数
0000
70
P408.0
陷波滤波器功能选择
0000
300
P409
陷波滤波器频率
2100
0001
当z轴装有抱闸电机时，设定一下参数：
PSOF.2
由输出端子CN1-29, CN-30输出/BK信号
0
0300
PSOE.3
将原CN1-29, CN1-30默认为输出“伺服准备就绪”设为“无效，，
3
3211
P506
制动器ON定时的设定
0
0
P507
制动器指令输出速度电平(0~10000)
100
100
P508
伺服OFF—制动器指令等待时间(10~100)
50
50
在选取安川Pn509交流伺服器时，还需要考虑一下一些参数和情况：当数控机床的电源出现不稳定的状况时，伺服机的就会出现突然掉电或者是电压下降的情况，这样就会影响数控机床的加工和工作。
安川交流伺服器参数说明：
参数
功能
出厂设定
说明
P100
1. 速度环增益(Kv)
75
P100作为用户参数对于速度环的响应特性起着至关重要的决定作用。外侧位置环会因为速度环的较低的响应而发生延迟，
使速度指令振动。
P101
速度环积分时间参数(Ti)
900
速度环中的积分要素旨在输入小时系统也能响应，但也造成伺服系统的延迟，因此时间参数不能过大，否则超程，定位缓慢，即快速性变差。

P102
位置环增益Kp
75
伺服单元位置环响应