數(shù)控銑床電氣系統(tǒng)設(shè)計

1、洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）數(shù)控銑床電氣系統(tǒng)設(shè)計摘 要本文重點介紹了機床控制系統(tǒng)的設(shè)計，即整個控制系統(tǒng)以數(shù)控系統(tǒng)為中心，通過可編程控制器的設(shè)計使得 CNC 系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作，以實現(xiàn)數(shù)控加工過程。在數(shù)控機床改造設(shè)計的基礎(chǔ)上，討論了整個數(shù)控機床系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容和步驟，系統(tǒng)地分析了數(shù)控機床 PLC 控制程序、調(diào)整 CNC 系統(tǒng)機床參數(shù)，對數(shù)控系統(tǒng)進行整定并使整個控制指標達到最優(yōu)。最后對機床輔助功能進行了設(shè)計，使用檢測工具對機床各軸運動軌跡進行測量，分析了誤差產(chǎn)生的原因，并利用數(shù)控系統(tǒng)強大的補償功能，對機床進行誤差補償，最終對機床進行了成功的改造，達到了預(yù)期的指標。關(guān)鍵詞：數(shù)控機

2、床； 控制系統(tǒng)； 可編程控制器ELECTRICAL DESIGN OF CNC MACHINEABSTRACTThe 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 abundant relative materials . This pa

3、per 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 programmable controller 50 as to realize

4、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 system has been adjusted and locat

5、ed 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 analyzed . Finally the machine 15 mo

6、dified successfully and reached the standards as expectedKEY WORDS: NC machine ; control system ; Programmable controller7目錄前言1第1章 總體方案的設(shè)計31.1機床概述以及總體方案的設(shè)計31.1.1 機床的概述31.1.2 總體方案的設(shè)計31.1 本課題的研究內(nèi)容5第2章 數(shù)控系統(tǒng)的特點及組成62.1 數(shù)控系統(tǒng)的類型以及品牌的選擇62.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的類型61.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的品牌選擇62.2 SINUMERIK 802S系統(tǒng)特點82.2.1 SIUNMERIK 80

7、2S特點簡介8第3章 電氣柜設(shè)計及系統(tǒng)連接93.1 電柜設(shè)計及電源選擇93.1.1 電柜設(shè)計93.1.2 電源選擇103.2 系統(tǒng)接線113.1.1 系統(tǒng)接線113.2 接口布置133.2.1 接口布置133.2.2 輸入輸出接口定義143.2.3 接口連接14第4章 步進電機連接及驅(qū)動電流234.1 步進電機連接234.1.1 步進電機連接234.1.2 回參考點配置244.2 驅(qū)動電流設(shè)定25第5章 變頻器選用及主控電路設(shè)計265.1 變頻器選用265.1.1 主軸變頻器選用265.2 主控電路285.2.1 主控電路28結(jié)論31謝 辭32參考文獻33附錄34前言機床作為機械制造業(yè)的重要基

8、礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種

9、操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。數(shù)控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點：1. 適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。2. 加工精度高；3. 生產(chǎn)效率高；4. 減輕勞動強度，改善勞動條件；5. 良好的經(jīng)濟效益；6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。數(shù)控機床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機機床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化

10、、復(fù)合化、精密化方面進步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機床與先進國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。隨著數(shù)控機床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機床的技術(shù)經(jīng)濟效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，機床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，在

11、投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。今后，機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以，本畢業(yè)設(shè)計具有典型性和實用性。第1章 總體方案的設(shè)計1.1 機床概述以及總體方案的設(shè)計1.1.1 機床的概述該銑床適用于箱體類零件，各種復(fù)雜的二維和三維模具型腔加工，零件經(jīng)一次裝夾后，能完成銑、鉆、鏜等多道工藝。根據(jù)用戶要求可增加回轉(zhuǎn)坐標軸，用于加工各種平面及圓柱齒輪、凸輪。本機床廣泛應(yīng)用于多工序、高要求、高效率的汽車、模具、航空和軍工等行業(yè)中的零件、模具的

12、加工。其加工的行程范圍為：800 X 900 X 1000 mm1.1.2 總體方案的設(shè)計銑床總體由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、電氣控制柜、液壓系統(tǒng)、機床本體等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖 1 一 1 所示。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可實現(xiàn) x , Y , z 坐標運動， X 坐標即工作臺沿升降臺縱向移動， Y 坐標即主軸座及銑頭沿床身導(dǎo)軌的橫向移動， Z 坐標即升降臺帶動工作臺沿床身立導(dǎo)軌垂向移動， X 、 Y 、 Z 坐標運動采用的是伺服電機與滾珠絲杠通過圓弧齒同步帶輪 2 : 1 降速傳動，機床主傳動通過圓弧齒同步帶輪減速，再通過過渡軸和一對螺旋錐齒輪傳遞給垂直主軸；或由過渡軸上的滑移齒輪傳遞給水平主軸，實現(xiàn)主軸切削

13、。控制系統(tǒng)采用的是SINUMERIK 802S base line 數(shù)控系統(tǒng)。圖1-1 結(jié)構(gòu)圖機床主要技術(shù)參數(shù)工作臺面（長 x 寬） 700x gOOfnfn 三向行程縱向（ X 坐標） SOOfnfn 橫向（ Y 坐標） 700Inln 垂向（ Z 坐標） 500Inln 主軸轉(zhuǎn)速 40 一 300Or / min 進給速度（ X 、 Y 、 Z ) 1 一 400Om機床電氣系統(tǒng)是控制機床各部分的工作，協(xié)調(diào)完成機床加工任務(wù)的核心部分，它由大量繼電器構(gòu)成復(fù)雜的邏輯控制電路，通過接受由控制面板及機床各部分位置開關(guān)傳來的信號經(jīng)硬件邏輯運算，確定并控制機床的狀態(tài)。從功能上，它可分為：三個坐標軸的控

14、制、各坐標軸伺服電機速度、位置控制、裝卸刀、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等輔助功能的控制。從其結(jié)構(gòu)功能上可以看出功能的復(fù)雜多樣，必然要用復(fù)雜的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，該機床復(fù)雜的繼電器邏輯控制線路構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng)經(jīng)長期使用，故障率高，由于許多備件必須進口，而且有些己不在生產(chǎn)，故難于維護。隨著計算機及電子控制技術(shù)的發(fā)展， PLC 或 CNC 控制系統(tǒng)己經(jīng)越來越多用于實現(xiàn)這種復(fù)雜多樣的控制，因此，對機床改造己勢在必行。1.1 本課題的研究內(nèi)容首先確定數(shù)控系統(tǒng)，通過比較數(shù)控系統(tǒng)的功能之后，我們選用SINUMERIK 802S base line數(shù)控系統(tǒng)與 6llD 伺服驅(qū)動模塊構(gòu)成了全數(shù)字控制系統(tǒng)。本次改

15、造分兩步完成，第一步對機床進行安裝調(diào)試，完成數(shù)控的基本功能，第二步運用使用檢測工具對機床各軸動軌跡進行測量，分析誤差產(chǎn)生的原因，并利用數(shù)控系統(tǒng)其強大的補償功能，對機床進行誤差補償將機床的精度再提高一個檔次。完成數(shù)控基本功能所必須的工作電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。它包括電氣原理圖設(shè)計，控制柜、接線圖設(shè)計，計算電機扭矩，選定電機，確定各坐標位置反饋方式。數(shù)控系統(tǒng)的安裝調(diào)試。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特點和機床的要求，調(diào)整系統(tǒng)機床參數(shù)，使數(shù)控系統(tǒng)正?？煽康毓ぷ?。可編程邏輯控制器（ Progralnlnable Logio Controller 縮寫為 PLC ）的設(shè)計。確定可編程控制器輸入輸出點數(shù)，設(shè)計接口電路，并根據(jù)機

16、床操作及運動要求利用SINUMERIK 802S base line數(shù)控系統(tǒng)所搭配的西門子 S7 一 200 可編程控制器編制控制程序。使數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與機床其他部分之間協(xié)調(diào)一致工作。 第2章 數(shù)控系統(tǒng)的特點及組成2.1 數(shù)控系統(tǒng)的類型以及品牌的選擇2.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的類型(1)步進電機馭動的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng):該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得

17、的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動兀件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度相對較低。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，上作可靠，成本低，易改裝成功。(2)交/直流伺服電機驅(qū)動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是:由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲

18、得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，更大的驅(qū)動功率。 (3)交/直流伺服電機驅(qū)動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。元件的誤差環(huán)系統(tǒng)簡單。因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部分但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機做成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。 1.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的品牌選擇當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司有德國SIEMENS公司、日本FANUC公司;國內(nèi)公司有華中數(shù)控公司、廣州數(shù)控設(shè)備廠、中國珠峰公司、北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司、南京新方達數(shù)控有限公司

19、、上海開通數(shù)控有限公司、南京清華通用數(shù)控工程有限公司、南京大地數(shù)控有限公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心等。 選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機床要達到的各種精度、各種性能等選擇性價比合適的系統(tǒng)，避免系統(tǒng)功能過剩，同時考慮到原車床的精度和改造的成本、周期、難易程度等各方面因素，決定采用以步進電機作為驅(qū)動元件、開環(huán)控制的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。國產(chǎn)的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家較多，價格上雖有優(yōu)勢，但性能和穩(wěn)定性稍差，所以決定采用國外的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。目前，各個數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的數(shù)控指令格式差異較大，為了使改造后的車床能真正發(fā)揮其用處，最后決定采用西門子經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，最終確定數(shù)控系統(tǒng)品牌為SINUMERI

20、K 802S base line。 SINUMERIK 802S base line是專門為中國數(shù)控機床市場而開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)。外觀如圖2-13所示。其結(jié)構(gòu)緊湊，具有高度集成于一體的數(shù)控單元,機床操作面板和輸入輸出單元。機床調(diào)試配置數(shù)據(jù)少，系統(tǒng)與機床匹配更快速、更容易。井具有簡單而友好的編程界面，保證了生產(chǎn)的快速進行，優(yōu)化了機床的使用。圖1-1西門子SINUMERIK 802S base line數(shù)控系統(tǒng)外觀圖2.2 SINUMERIK 802S系統(tǒng)特點2.2.1 SIUNMERIK 802S特點簡介(1)步進電機馭動的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng):該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機、

21、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動兀件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度相對較低。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，上作可靠，成本低，易改裝成功。(2)交/直流伺服電機驅(qū)動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是:由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定

22、值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，更大的驅(qū)動功率。 (3)交/直流伺服電機驅(qū)動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。元件的誤差環(huán)系統(tǒng)簡單。因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部分但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機做成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝

23、問題。第3章 電氣柜設(shè)計及系統(tǒng)連接3.1 電柜設(shè)計及電源選擇3.1.1 電柜設(shè)計在設(shè)計電柜時應(yīng)注意以下事項： ( 1 ）電柜應(yīng)有冷卻或通風(fēng)裝置，在使用風(fēng)扇時必須在進氣窗口安裝防塵過濾網(wǎng)；( 2 ）電柜中的所有部件必須安裝在無油漆的鍍鋅金屬板上； ( 3 ）電柜的防護等級為 IP54 ; ( 4）接地應(yīng)遵守國標 GB / T5226 . l 一 2002 / IEC6O204 一 l : 2000 “機械安全機械電氣設(shè)備第 1 部分：通用技術(shù)條件” ; ( 5 ）電柜中布線時，交流電源線（如 85VAC , 22OVAC , 380VAC 以及變頻器到主軸電機的電纜）必須與 24VDC 電纜和信

24、號線電纜分開走線； ( 6 ）系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源 24VDC 之前需接入隔離變壓器（控制變壓器 380VAC 分 220VAC , JBK3 一 4OOV 入），如圖 3 一 l 所示。步進驅(qū)動 85VAC 必須采用獨立的隔離變壓器（驅(qū)動變壓器 380VAC 分 85VAC , JBK3 系列），如圖 3 一 2 所示。兩個變壓器的初級不可以接入到 380VAC 的同一相。 圖 3 一 1 控制變壓器圖 3 一 2驅(qū)動變壓器( 7 ）現(xiàn)場沒有良好接地的情況下，控制變壓器必須為浮地設(shè)計，但此時任何與 CNC 控制器連接的外設(shè)（如 PC 等），其 220VAC 電源必須連接到控制變壓器，如圖 2 一

25、 1 所示。3.1.2 電源選擇24VDC 控制器采用 24V 直流供電，系統(tǒng)可在 24V 一 15%到20%之間正常工作。直流電源的質(zhì)量是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，所以在選擇電源時，其輸出波形應(yīng)如圖 2一 3 所示。 24V 直流電作為低壓電源必須具有可靠的電隔離特性（按照工 EC204-1，條款 6 . 4 , PELV ) ，其電氣參數(shù)如表 2 一 1 所示。因此我們選用西門子配套的 24V 直流穩(wěn)壓電源。 圖 3 一 3 電源波形表 3 一 1 負載電源電氣參數(shù)數(shù)字輸入和輸出所需的 24VDC 用獨立的 24V 直流電源，而不能與 CNC 控制器共用同一個 24VDC 穩(wěn)壓電源。所有輸入信號

26、必須為電平信號，即“ 0”電平一 3V 5VDC 和“ 1 ”電平 11V 30VDC 。懸空和高阻信號均為“ 0 ”電平。3.2 系統(tǒng)接線3.1.1 系統(tǒng)接線系統(tǒng)的接線 SINUMERIK 802S base line 控制器與步進驅(qū)動 STEPDRIVEC / C 和步進電機的連接如圖 3 一 4所示。連接電纜必須使用屏蔽電纜。在系統(tǒng)一側(cè)，電纜內(nèi)屏蔽層必須與插頭中的金屬殼相連，為了使模擬量的指令值信號免受低頻信號的干擾，驅(qū)動一側(cè)的屏蔽不能接地。圖 3-4 數(shù)控系統(tǒng)接線圖12洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3.2 接口布置3.2.1 接口布置接口布置系統(tǒng)的接口布置如圖 3 一 5 所示。l 、

27、CNC 部分 ( 1 ) Xl 電源接口（ DC24V ) : 3 芯孔式端子排，用于連接 24VDC 負載電源； ( 2 ) XZ 通信接口（ RS232 ) : 9 芯 D 型針式插座； ( 3 ) X6 主軸接口（ SPINDLE ) ：巧芯 D 型孔式插座，用于連接一個主軸增量式編碼器（ RS422 ) ;( 4 ) X7 驅(qū)動接口（ AXIS ) , 50 芯 D 型針式插座，用于連接具有包括主軸在內(nèi)最多 4 個模擬驅(qū)動的功率模塊； ( 5 ) xlo 手輪接口（ MPG ) , 10 芯針式端子排，用于連接最多 2 個電子手輪；( 6 ) X20 高速輸入接口（ BERO ) ,

28、10 芯針式端子排，用于連接 NC 一 READY 繼電器和 BERO 接近開關(guān)。 2 、 Dl / O 部分：( l ) X100 到 X105 ，各為 10 芯插頭，用于數(shù)字輸入； ( 2 ) X200 到 X201 ，各為 10 芯插頭，用于數(shù)字輸出； 3 、 52 系統(tǒng)總清開關(guān)； 4 、調(diào)試開關(guān) S3 啟動方式選擇開關(guān)；5 、保險絲 Fl 4A 保險絲，外部設(shè)計使用戶可以方便地更換。6 、 D157 字段 LED 顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài) 圖 3 一 5 數(shù)控系統(tǒng)接口布置圖3.2.2 輸入輸出接口定義SIUMERIK 802S base line 在出廠時已經(jīng)預(yù)裝了“ SAMPLE &#

29、183; PTP " 集成 PLC 實例應(yīng)用程序，我們在定義系統(tǒng)輸入輸出接口的時候，可以與廠家提供的 PLC 實例程序中的接口定義保持一致，這樣在改造的過程中，我們就無需自編 PLC 程序，只需利用廠家提供的“ SAMPLE . PTP " PLC 實例程序就可以了，所要做的工作只是設(shè)定一下 PLC 機床參數(shù)。本次改造的輸入輸出接口定義如表3 - 2 所示。 3.2.3 接口連接1 、電源端子的連接（ X1 ) 系統(tǒng)工作電源為直流 24V 電源，接到接線端子 X1 上。其CNC一側(cè)端子分配如表3 -1所示。表3-2 PLC輸入輸出接口定義表 3 - 3電源端子 X 1 端子

30、分配2 、通訊接口 RS232 的連接（ XZ ) 在使用外部 PC 用 G 與 802S base line 進行數(shù)據(jù)通訊（ WinPCIN ）或編寫 PLC 程序時，使用 RS232 接口，各引腳如圖 3 -4 所示。其引腳 1 為屏蔽，其它引腳功能參見信號說明。圖 3-6通訊接口 RS232 與 PC 的連接信號說明： RxD 數(shù)據(jù)接收 TxD 數(shù)據(jù)發(fā)送 RTS 發(fā)送請求 CTS 發(fā)送使能 DTR 備用輸出 DSR 備用輸入 M 接地3 、主軸測量系統(tǒng)的連接（ X6 ) X6 作為主軸編碼器接口使用，用于把主軸的旋轉(zhuǎn)角度反饋給 802S base line , 其引腳分配如表 3 -3所

31、示。所連接的編碼器應(yīng)為 5V 增量式編碼器。 表 3 -4 插座 X6 的引腳分配4 、步進及主軸驅(qū)動器與 CNC 控制器的連接（ X7 ) X7 用于將步進驅(qū)動器及主軸驅(qū)動器同 CNC 控制器相連，電纜分配如表 3-4 所示。連接示意如圖 3 -7 所示。圖 3 -7 步進及主軸驅(qū)動器與 802S baseline 的連接表 3 -5 電纜分配5 、手輪接口（ X10 ) 通過手輪接口 X10 可以在外部連接兩個電子手輪。 X10 有 10 個接線端子，引腳說明見表 3 -6 。表 3 -6手輪接口 X106 、高速輸入接口（ XZO ) 通過接線端子 XZO 可以連接 3 個接近開關(guān)，其引

32、腳說明見表 3 -7 。表 3-7 高速輸入接口 X207 、數(shù)字輸入端的連接（ X100 和 X101 ) PLC 數(shù)字輸入接口 x100 的接線如圖 3 -6 所示， SQ5 、 SQ6 、 SQ7 、 SQ8 、 SQ9 和 SQ10 分別為 x 硬限位、 z 十硬限位、 x 一硬限位、 z 一硬限位、 x 軸參考點減速開關(guān)、 Z 軸參考點減速開關(guān)， FR1 、 FR2 和 FR3 為熱繼電器的常開觸點，當(dāng)主電機、刀架電機或冷卻泵電機過載時將閉合，其產(chǎn)生的過載信號從 10 . 6 數(shù)字輸入口輸入。 SB1 為急停按鈕，當(dāng)被按下時，所有 PLC 輸出端口均無信號輸出。 SQ5 、 SQ6

33、、 SQ7 、 SQ8 和 SB均采用常閉邏輯。若采用常開邏輯，則當(dāng) P24 端子到 PLC 輸入點線路接觸不良或開路時會造成 SQ5 等無效（即便是 SQ5 等閉合），從而會導(dǎo)致機床出現(xiàn)重大事故。而采用常閉邏輯（負邏輯），則可避免事故的發(fā)生。因為當(dāng) P24 端子到 PLC 的輸入點之間的線路出現(xiàn)開路或接觸不良時，該點被認為有效，機床會立即報警，這樣就保證了機床只有在電路連接良好的情況下才能正常運行，提高了機床的安全性 。 圖3-8 X100 接線圖 X101 的接線如圖 3 -9 所示， H . 7 接步進驅(qū)動器 2 中的 RDY 準備好信號。 SQ1 、 SQ2 、 SQ3 和 SQ4 為

34、四個霍爾式接近開關(guān)，分別對應(yīng)于自動刀架的四個工位。當(dāng)某一刀位處于工作位置時，其位置傳感器（霍爾元件）輸出低電平，其余三個刀位的霍爾元件輸出處于懸空狀態(tài)，沒有電平輸出。而 SINUMERIK 802S base line 系統(tǒng)的 PLC 輸入線是高電平輸入有效，由于系統(tǒng)內(nèi)有緩沖電路，可以定義為常開連接（輸入閉合有效）或常閉連接（輸入斷開有效），故在每個刀位的霍爾元件輸出端接上一個“上拉電阻（ l . 8K ) " ，輸入定義為常閉連接（輸入斷開有效），這樣一來當(dāng)某一刀位處于工作位置時，該刀位輸出的是低電平，相當(dāng)于 PLC 輸入端沒有高電平輸入而處于斷開狀態(tài)，由于刀架輸入定義為斷開有效，

35、所以該輸入點被激活有效；其它三個刀位由于不在工作位置其輸出電平處于懸空狀態(tài)，由于上拉電阻的接入，三個刀位的輸出信號至 PLC 的輸入端實際上接入了高電平，同樣由于輸入點定義為常閉連接，是斷開時有效，所以另外三個刀位的 PLC 輸入點沒有被激活有效。 圖 3 -9 X101 接線圖8 、數(shù)字輸出端的連接（ X200 和 X201 ) X200 和 X201 的接線如圖 3-9 、 3 -10 所示， KA1 、 KA2 、 KA3 、 KA4 、 KA5 和 KA6 分別為主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)、刀架正轉(zhuǎn)、刀架反轉(zhuǎn)、冷卻泵和主軸制動用中間繼電器， VD2 VD7 為繼電器線圈兩端浪涌電壓吸收二極管。

36、圖 3 -11 X200 接線圖圖 3 -12 X201接線圖第4章 步進電機連接及驅(qū)動電流4.1 步進電機連接4.1.1 步進電機連接步進電機的連接步進驅(qū)動器與步進電機的連接如圖 4-1 所示。圖 4-1 步進驅(qū)動器與步進電機的連接4.1.2 回參考點配置為了使系統(tǒng)在開機以后能夠立即精確地識別機床零點，必須使系統(tǒng)與進給軸的位置測量系統(tǒng)進行同步，該過程就是所謂的回參考點過程 l5s 。對于使用步進電機的進給軸，盡管沒有測量系統(tǒng)，但也必須有回參考點過程。為了確定參考點位置，每個坐標軸必須配備一個接近開關(guān)（ PNP 型常開，即 24VDC 電平輸出），用于產(chǎn)生返回參考點的零脈沖。返回參考點的配置形

37、式有兩種：分別為雙開關(guān)方式和單開關(guān)方式。為了提高返回參考點的速度、精度和可靠性，決定采用雙開關(guān)方式，如圖 4-2 所示。該方式可高速尋找減速開關(guān)，然后低速尋找接近開關(guān)。 圖 4-2 雙開關(guān)方式接近開關(guān)的布置系統(tǒng)在返回參考點時有兩種采樣接近開關(guān)的方式，如圖 4-3 所示。 1 、系統(tǒng)采樣接近開關(guān)上升沿，以上升沿有效電平作為參考點脈沖，如 a ）所示； 2 、系統(tǒng)在采樣完上升沿后，系統(tǒng)控制坐標繼續(xù)運動，記錄上升沿參考脈沖后的運動距離，同時采樣接近開關(guān)的下降沿。在采樣到下降沿后計算兩沿的中點，以此作為坐標的參考點，如 b ）所示。圖4-3 采樣接近開關(guān)方式4.2 驅(qū)動電流設(shè)定所選用的 STEPDR

38、工 vEC 可驅(qū)動不同扭矩的步進電機。在調(diào)試時需按照所使用電機的扭矩設(shè)定驅(qū)動器的驅(qū)動電流。設(shè)定方法如圖 4-4 所示。圖 4-4 驅(qū)動電流設(shè)定方法 25第5章 變頻器選用及主控電路設(shè)計 5.1 變頻器選用 5.1.1 主軸變頻器選用首先要選擇變頻器的控制方式。變頻器的控制方式主要有 U / f 控制方式、無反饋矢量控制方式和有反饋矢量控制方式。數(shù)控車床除了在車削毛坯時，負荷大小有較大變化外，以后的車削過程中，負荷的變化通常是很小的。因此，就切削精度而言，選擇 U / f 控制方式是能夠滿足要求的。但在低速切削時，需要預(yù)置較大的 U / f ，在負載較輕的情況下，電動機的磁路常處于飽和狀態(tài)，勵磁

39、電流較大。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。數(shù)控車床屬于高精度、快響應(yīng)的恒功率負載加工設(shè)備，應(yīng)盡可能選用矢量控制高性能型通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。有反饋矢量控制方式雖然是運行性能最為完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，不但增加了費用，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對加工精度有特殊要求，一般沒有必要選擇此種控制方式。目前，無反饋矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在 O . SHz 時穩(wěn)定運行。所以，完全可以滿足主運動系統(tǒng)的要求。而且無反饋矢量控制方式能夠克服 U / f 控制方式的缺點，因此可以說，是一種最佳選擇。數(shù)控車床屬于連續(xù)運轉(zhuǎn)，連續(xù)運轉(zhuǎn)時

40、所需的變頻器容量（ k vA ）計算式如下：式中PM 負載所要求的電動機的軸輸出功率； 電動機的效率（通常約 0 . 85 ) ; COS 電動機的功率因素（通常約 0 . 75 ) U M 電動機的電壓， 380V ; IM 電動機工頻電源時的電流，為 15 . 4A : k 電流波形的修正系數(shù)（ P WM 方式時取 1 . 05 一 1 . 10 ) ;PCN 變頻器的額定容量，kVA ICN 變頻器的額定電流， A 選擇變頻器時應(yīng)同時滿足以上三個等式的關(guān)系。綜合以上分析計算，確定為三菱 FR 一 A540系列變頻器，具體型號為 FR 一 A540 一 7.5K 一 CH 。其最大輸出功率

41、為 7. 5kw ，額定容量為 13kVA ，額定電流為 17A ，過載能力為 150 % 60 秒， 200 % 0 . 5 秒，額定輸出電壓為 3 相 38OV / 50Hz ，電源電壓允許波動范圍為 323V 至 528V 。其外形如圖5-1、接線端子如圖 5-2所示。其主要特點如下： 1 、采用先進磁通矢量控制方式，調(diào)速比可達 1 : 120 ( 0 . 5 60Hz ）。由于在 RISC 處理器中采用了新的在線自動調(diào)整功能使得電機在不影響啟動速度的情況下，迅速得到調(diào)整，從而在不用 PLG 而低速運行時，達到高精度運行和高轉(zhuǎn)矩輸出。 2 、可拆卸式風(fēng)扇和接線端子，維護方便。 3 、柔性

42、 PWM ，實現(xiàn)更低噪音運行。4 、內(nèi)置 RS485 通信口，可插擴展卡符合全世界主要通信標準。5 PID 等多種功能適合各種應(yīng)用場合。 圖5-1 三菱 FR 一A540一7.5K一 CH 變頻器外形圖5.2 主控電路5.2.1 主控電路主控電路的設(shè)計電氣控制線路主電路如圖 5-2 所示，QF1 一 QF5 為空氣開關(guān)， FU 為熔斷器，對電路實現(xiàn)短路保護。 Ml 為主電機，選擇三菱 FR 一 A540 一 7 . 5K 一 CH 變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速，交流接觸器 KMI 控制變頻器的通電和斷電，當(dāng)變頻器無故障時， B 端觸頭閉合， KMI 吸合，變頻器通電；當(dāng)變頻器有故障時， B 端觸頭斷開，

43、 KMI 線圈失電，其常開觸頭斷開，變頻器自動斷電，同時 A 端觸頭閉合，報警燈 HL 顯示報警。 FRI 為熱繼電器，對主軸電機實現(xiàn)過載保護， RCI 為三相滅弧器，構(gòu)成三相負載的阻容吸收回路，能夠抑制接觸器吸合釋放時的干擾噪聲。 L 是為改善功率因素而使用的交流電抗器。 R 、 S 、 T 為變頻器的電源輸入端， U 、 v 、W 為輸出控制電機端， STF 和 STR 分別接主軸正反轉(zhuǎn)控制繼電器觸頭 KA1 和 KA2 , 2 和 5 分別接主軸模擬量輸出信號（ 0 10V ) A04 和 AGND4 ，以控制變頻器的輸出電壓頻率。執(zhí)行過程為：當(dāng) PLC 發(fā)出主軸正反轉(zhuǎn)信號時， KA1

44、或 KA2 的常開觸頭閉合， KM1 線圈得電， KM1 的常開觸頭閉合，變頻器開始工作，當(dāng) PLC 發(fā)出主軸制動信號時， KA6 的常閉觸頭斷開， KM1 線圈失電， KM1的常開觸頭斷開，變頻器停止工作，主電機停轉(zhuǎn)。圖 5-2 主電路圖電箱空調(diào)及潤滑報警電路如圖5-3所示，QF1閉合電箱空調(diào)啟動，QF2閉合潤滑泵啟動。295-3電箱空調(diào)及潤滑報警電路31 結(jié)論本次設(shè)計依據(jù)SINUMERIK 802s base line 數(shù)控系統(tǒng)特點，從安全性和可靠性出發(fā)，確立了電柜設(shè)計及電源選用原則，闡述了數(shù)控系統(tǒng)各部分的連接方法。接下來設(shè)計了數(shù)控系統(tǒng) PLC 1 / 0 口接線圖， FO 口接線圖中的

45、1 / 0 口定義與廠家提供的 PLC 實例程序“ SAMPLE . PTP ”中的接口定義保持一致，其目的是為了利用廠家提供的 PLC 實例程序，這樣就無需自編 PLC 程序，所要做的工作只是設(shè)定一下 PLC 機床參數(shù)。再接下來闡述了各軸接近開關(guān)的配置方法和步進電機驅(qū)動電流的設(shè)定方法以及主軸變頻器的選用原則，并且通過計算確定了主軸變頻器的型號 三菱 FR - A540 - 7 . 5K - cH 。最后設(shè)計了車床主控電路原理圖及交流控制電路圖。洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文謝 辭值此論文完成之際，謹向在我畢業(yè)論文設(shè)計過程中，給予我指導(dǎo)、關(guān)心、支持和幫助的老師、同學(xué)表示衷心的感謝! 我是一名在校大學(xué)

46、生，在日常教學(xué)中，接觸設(shè)計的機會不多，因此缺乏系統(tǒng)的設(shè)計的知識及技能。在此論文設(shè)計過程中，無論是查閱文獻資料，還是具體細節(jié)研究，我都感覺到了前所未有的科研鍛煉。 首先我要感謝我的指導(dǎo)老師黃桂琴!本論文撰寫過程中所取得的點滴進步都離不開老師的悉心指導(dǎo)。老師以其淵博的知識、科學(xué)嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、開放性的思維方式和一絲不茍的學(xué)術(shù)風(fēng)范，都給我以深刻的啟迪，必將使我在今后的工作中受益無窮。老師正直的作風(fēng)、平易近人、和藹可親的性格都給我留下了難以磨滅的印象。再此，再一次向論文設(shè)計過程中關(guān)心和悉心指導(dǎo)我的黃桂琴老師致以深深的謝意! 32參考文獻 1龔仲華.數(shù)控技術(shù)Mj.北京:機械I:業(yè)出版社，2004. 12

47、鄭曉峰.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用M.北京:機械工業(yè)出版社，2003. 93數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計范超毅編 華中科技大學(xué)出版社4數(shù)控機床及其應(yīng)用 李善術(shù)編 機工出版社5數(shù)控技術(shù) 廖效果主編 湖北科學(xué)技術(shù)出版社6數(shù)控技術(shù)董玉紅主編 高等教育出版社7數(shù)控機床電氣控制張永飛主編 大連理工出版社 8楊有君.數(shù)控技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社，2005. 89李善術(shù).數(shù)控機床及其應(yīng)用M.北京:機械工業(yè)出版社，2001. 510余英良.機床數(shù)控改造設(shè)計與實例!M .北京:機械工業(yè)出版社，1998. 4 11李宏A',黃尚先.機床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用【M北京:機械一業(yè)出版社，2005. 812北京第一機床廠職l技術(shù)協(xié)會.數(shù)控

48、機床及加工中心的編程與操作M.北京:機械工業(yè)出版社，2002. 913李恩林.數(shù)控技術(shù)原理及應(yīng)用M.北京:國防工業(yè)出版社，2006. 214劉躍南，雷學(xué)東.機床計算機數(shù)控及其應(yīng)用M.北京:機械工業(yè)出版社，1999. l215蔡厚道.數(shù)控機床構(gòu)造fMl.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007. 216西門子802s安裝調(diào)試手冊56附錄 附錄題目APLC機床參數(shù)Numerical control technology and equipping development trend and countermeasureEquip the engineering level, level of deter

49、mining the whole national economy of the modernized degree and modernized degree of industry, numerical control technology is it develop new developing new high-tech industry and most advanced industry to equip (such as information technology and his industry, biotechnology and his industry, aviatio

50、n, spaceflight, etc. national defense industry) last technology and getting more basic most equipment. Marx has ever said "the differences of different economic times, do not lie in what is produced, and lie in how to produce, produce with some means of labor ". Manufacturing technology an

51、d equipping the most basic means of production that are that the mankind produced the activity, and numerical control technology is nowadays advanced manufacturing technology and equips the most central technology. Nowadays the manufacturing industry all around the world adopts numerical control tec

52、hnology extensively, in order to improve manufacturing capacity and level, improve the adaptive capacity and competitive power to the changeable market of the trends. In addition every industrially developed country in the world also classifies the technology and numerical control equipment of numer

53、ical control as the strategic materials of the country, not merely take the great measure to develop one's own numerical control technology and industry, and implement blockading and restrictive policy to our country in view of " high-grade, precision and advanced key technology of numerica

54、l control " and equipping. In a word, develop the advanced manufacturing technology taking numerical control technology as the core and already become every world developed country and accelerate economic development in a more cost-effective manner, important way to improve the overall national

55、 strength and national position. Numerical control technology is the technology controlled to mechanical movement and working course with digital information, integrated products of electromechanics that the numerical control equipment is the new technology represented by numerical control technolog

56、y forms to the manufacture industry of the tradition and infiltration of the new developing manufacturing industry, namely the so-called digitization is equipped, its technological range covers a lot of fields: (1)Mechanical manufacturing technology; (2)Information processing, processing, transmission technology; (3)Automatic control technology; (4)Servo drive technology; (5)Technology of the sensor; (6)Software engineering ,etc. Development trend of a numerical control technology