数控铣床电气系统设计.doc

1、洛阳理工学院毕业设计（论文） I 数控铣床电气系统设计 摘 要 本文重点介绍了机床控制系统的设计，即整个控制系统以数控系统为中心，通过可编程控制器的设计使得 CNC 系统、电气控制系统、伺服系统协调统一工作，以实现数控加工过程。在数控机床改造设计的基础上，讨论了整个数控机床系统调试的内容和步骤，系统地分析了数控机床 PLC 控制程序、调整 CNC 系统机床参数，对数控系统进行整定并使整个控制指标达到最优。最后对机床辅助功能进行了设计，使用检测工具对机床各轴运动轨迹进行测量，分析了误差产生的原因，并利用数控系统强大的补偿功能，对机床进行误 差补偿，最终对机床进行了成功的改造，达到了预期的指标。

2、关键词： 数控机床 ； 控制系统 ； 可编程控制器 洛阳理工学院毕业设计（论文） II ELECTRICAL DESIGN OF CNC MACHINE ABSTRACT The author has performed the further research and analysis for the NC machine design and modification combined with NC machine modification project of our company on the basis of the constant consultation of abunda

3、nt relative materials . This paper focuses on describing the design of control system of the machine . NC system 15 the centralization of the whole control system , the CNC system , electrical control system and the servo system can be operated coordinately and uniformly via the design of programmab

4、le controller 50 as to realize the NC . It also discusses the content and step ofthe systemadjustmentofthewholeNCmachine , analyses the PLC control procedure of NC machine systematically , and adjusts the parameters of the CNC machine based on the design of NC modification , in addition , the NC sys

5、tem has been adjusted and located to optimize the whole control performance . The auxiliary function of the machine 15 designed , the moving trace of each axis 15 measured and the causes of error which deal with the use of the powerful erroneous compensation of the NC system of the machine are analy

6、zed . Finally the machine 15 modified successfully and reached the standards as expected KEY WORDS: NC machine ; control system ; Programmable controller 洛阳理工学院毕业设计（论文） III 目 录 前 言 . 1 第 1 章 总体方案的设计 . 3 1.1 机床概述以及总体方案的设计 . 3 1.1.1 机床的概述 . 3 1.1.2 总体方案的设计 . 3 1.1 本课题的研究内容 . 5 第 2 章 数控系统的特点及组成 . 6 2.1

7、 数控系统的类型以及品牌的选择 . 6 2.1.1 数控系统的类型 . 6 1.1.2 数控系统的品牌选择 . 6 2.2 SINUMERIK 802S 系统特点 . 8 2.2.1 SIUNMERIK 802S 特点简介 . 8 第 3 章 电气柜设计及系统连接 . 9 3.1 电柜设计及电源选择 . 9 3.1.1 电柜设计 . 9 3.1.2 电源选择 .10 3.2 系统接线 . 11 3.1.1 系统接线 . 11 3.2 接口布置 .13 3.2.1 接口布置 .13 3.2.2 输入输出接口定义 .14 3.2.3 接口连接 .14 第 4 章 步进电机连接及驱动电流 .23 4

8、.1 步进电机连接 .23 4.1.1 步进电机连接 .23 4.1.2 回参考点配置 .24 4.2 驱动电流设定 .25 第 5 章 变频器选用及主控电路设计 .26 洛阳理工学院毕业设计（论文） IV 5.1 变频器选用 .26 5.1.1 主轴变频器选用 .26 5.2 主控电路 .28 5.2.1 主控电路 .28 结 论 .31 谢 辞 .32 参考文献 .33 附 录 .34 洛阳理工学院毕业设计（论文） 1 前 言 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代

9、机床的诞生和发展。计算机的出现和应用， 为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机 ，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统

10、或其它的执行元件，加工出所需的工件。数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国

11、是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1/10 左右，差距太大，洛阳理工学院毕业设计（论文） 2 急待改造。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、 PC 技术 改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限， 机床需 要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，

12、比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改 造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。 今后 ，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以，本毕业设计 具有典型性和实用性 。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 3 第 1 章 总体方案的设计 1.1 机床概述以及总体方案的设计 1.1.1 机床的概述 该铣床适 用于箱体类零件，各种复杂的二维 和三维模具型腔加工，零件经一次装夹后，能完成铣、钻、镗等多道工艺。根据用户要求可增加回转坐标轴，用于加工各种平面及圆柱齿轮、凸轮。本机床广泛应用于多工序、高要求、高效率的汽车、模具、航空和军工等行业中的零件、模具的加

13、工。 其加工的行程范围为： 800 X 900 X 1000 mm 1.1.2 总体方案的设计 铣床总体由数控系统、伺服系统、电气控制柜、液压系统、机床本体等部件组成，其结构如图 1 一 1 所示。控制系统结构 可实现 x , Y , z 坐标运动， X 坐标即工作台 沿升降台纵向移动， Y 坐标即主轴座及铣头沿床身导轨的横向移动， Z 坐标即升降台带动工作台沿床身立导轨垂向移动， X 、 Y 、 Z 坐标运动采用的是伺服电机与滚珠丝杠通过圆弧齿同步带轮 2 : 1 降速传动，机床主传动通过圆弧齿同步带轮减速，再通过过渡轴和一对螺旋锥齿轮传递给垂直主轴；或由过渡轴上的滑移齿轮传递给水平主轴，实

14、现主轴切削。控制系统采用的是 SINUMERIK 802S base line 数控系统。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 4 图 1-1 结构图 机床主要技术参数工作台面（长 x 宽） 700x gOOfnfn 三 向行程纵向（ X 坐标） SOOfnfn 横向（ Y 坐标） 700Inln 垂向（ Z 坐标） 500Inln 主轴转速 40 一 300Or / min 进给速度（ X 、 Y 、 Z ) 1 一 400Om 机床电气系统是控制机床各部分的工作，协调完成机床加工任务的核心部分，它由大量继电器构成复杂的逻辑控制电路，通过接受由控制面板及机床各部分位置开关传来的信号经硬件逻辑运算，

15、确定并控制机床的状态。从功能上，它可分为：三个坐标轴的控制、各坐标轴伺服电机速度、位置控制、装卸刀、润滑系统、冷却系统、 液压系统等辅助功能的控制。从其结构功能上可以看出功能的复杂多样，必然要用复杂的控制系统来实现，该机床复杂的继电器逻辑控制线路构成的电气控制系统经长期使用，故障率高，由于许多备件必须进口，而且有些己不在生产，故难于维护。随着计算机及电子控制技术的发展， PLC 或 CNC 控制系统己经越来越多用于实现这种复杂多样的控制，因此，对机床改造己势在必行。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 5 1.1 本课题的研究内容 首先确定数控系 统，通过比 较数控系统的 功能之后， 我们选用SIN

16、UMERIK 802S base line 数控系统与 6llD 伺服驱动 模块构成了全数字控制系统。本次改造分两步完成，第一步对机床进行安装调试，完成数控的基本功能，第二步运用使用检测工具对机床各轴动轨迹进行测量，分析误差产生的原因，并利用数控系统其强大的补偿功能，对机床进行误差补偿将机床的精度再提高一个档次。 完成数控基本功能所必须的工作电气控制系统设计。它包括电气原理图设计，控制柜、接线图设计，计算电机扭矩，选定电机，确定各坐标位置反馈方式。数控系统的安装调试。根据数控系统的特点和机床的要求，调整系统机床参数，使数控系统正常可靠地工作。可编程逻辑控制器（ Progralnlnable L

17、ogio Controller 缩写为 PLC ）的设计。确定可编程控制器输入输出点数，设计接口电路，并根据机床操作及运动要求利用SINUMERIK 802S base line 数控系统所搭配的西门子 S7 一 200 可编程控制器编制控制程序。使数控系统、伺服系统与机床其他部分之间协调一致工作。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 第 2 章 数控系统的 特点及组成 2.1 数控系统的类型以及品牌的选择 2.1.1 数控系统的类型 (1)步进电机驭动的开环数控系统 :该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉 冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，

18、使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传 动兀件的节距精度，所以系统的位移精度相对较低。但该系统结构简单， 调试维修方便，上作可靠，成本低，易改装成功。 (2)交 /直流伺服电机驱动，光栅测量反馈的闭环数控系统。该系统与 开环系统的区别是 :由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度

19、向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，更大的驱动功率。 (3)交 /直流伺服电机驱动，编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。 元件的误差环 系统简单。因此，它的精度比闭环系统的精度低，它只能补偿系统环路内部分但是它的结构与调试都较闭在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 1.1.2 数控系统的品牌选择 当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司有德国 SIEMENS