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中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠程與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 遠程與繼續(xù)教育學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 題目：數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)習(xí)中心： 內(nèi)蒙古學(xué)習(xí)中心 學(xué) 號： 090F31143059 姓 名： 馬鵬飛 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師： 盧彥林 2016 年 9 月 20 日 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠程與繼續(xù)教育學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)教師指導(dǎo)意見表 學(xué)生姓名： 馬鵬飛 學(xué)號： 090F31143059 專業(yè)：電氣工程及其自動化 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 指導(dǎo)教師意見：（請對論文的學(xué)術(shù)水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結(jié)果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 指導(dǎo)教師結(jié)論： （合格、不合格） 指導(dǎo)教師 姓名 所在單位 指導(dǎo)時間 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠程與繼續(xù)教育學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱教師評閱意見表 學(xué)生姓名： 馬鵬飛 學(xué)號： 090F31143059 專業(yè)：電氣工程及其自動化 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 評閱意見：（請對論文的學(xué)術(shù)水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結(jié)果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 修改意見：（針對上面提出的問題和不足之處提出具體修改意見。評閱成績合格，并可不用修改直接參加答辯的不必填此意見。） 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱成績 （百分制）： 評閱結(jié)論： （同意答辯、不同意答辯、修改后答辯） 評閱人姓名 所在單位 評閱時間 論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本人所呈交的本科畢業(yè)論文《數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計》，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究工作所取得的成果。論文中引用他人的文獻、資料均已明確注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨立完成，不包含他人成果及使用過的材料。對論文的完成提供過幫助的有關(guān)人員已在文中說明并致以謝意。 本人所呈交的本科畢業(yè)論文沒有違反學(xué)術(shù)道德和學(xué)術(shù)規(guī)范，沒有侵權(quán)行為，并愿意承擔(dān)由此而產(chǎn)生的法律責(zé)任和法律后果。 論文作者（簽字）：馬鵬飛 日期：2016年9月25日 摘 要 數(shù)控技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)具有重要的作用，數(shù)控機床是數(shù)控制造業(yè)的核心，數(shù)控機床作為機電一體化的數(shù)字控制自動化機床，早期是依靠繼電器邏輯來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，由于繼電器邏輯是一種硬接線系統(tǒng)，布線復(fù)雜，體積龐大，設(shè)備提升改進困難，一旦出現(xiàn)問題，很難維修，系統(tǒng)可靠性往往不高。 本文針對早期數(shù)控機床的問題進行深入研究分析，采用新的設(shè)計電氣控制方式實現(xiàn)對數(shù)控機床的控制。本文以三菱FX2N微型可編程控制器對CKA6140機床的電氣控制部分的改造設(shè)計，重點闡述了數(shù)控機床PLC的功能、機床的電氣控制原理及相應(yīng)的PLC程序編制與調(diào)試等方面的問題，給出了整個機床的原理圖繪制過程，重點部分模塊化，較詳細地介紹了各個部分的功能及用途。完成了主軸控制、坐標(biāo)軸控制、自動換刀控制、定時潤滑控制以及報警處理等功能的PLC控制程序的開發(fā)。 關(guān)鍵詞： 1、數(shù)控機床 2、CKA6140 3、可編程控制器 4、電氣控制  目 錄 一、引言 1 二、數(shù)控機床概述 2 （一）數(shù)控機床概念及基本組成 2 （二）數(shù)控機床國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 三、CK6140型號數(shù)控車床概述 6 （一）數(shù)控車床工作原理 6 （二） CK6140數(shù)控車床運動分析 7 （三） CK6140數(shù)控車床電氣系統(tǒng) 7 四、硬件系統(tǒng)設(shè)計選型 10 （—）主軸驅(qū)動系統(tǒng) 10 （二）機床進給伺服系統(tǒng) 10 （三）電器元件選型 11 五、數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 14 （一）系統(tǒng)電氣原理圖 14 (二)數(shù)控機床控制過程分析 15 （三）PLC控制程序的設(shè)計 16 六、結(jié)論 25 致謝 26 參考文獻 27 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠程與繼續(xù)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 一、引言 數(shù)控機床是由美國發(fā)明家約翰帕森斯上個世紀(jì)發(fā)明的。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機電一體化時代，其中數(shù)控機床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機床是制造業(yè)的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應(yīng)。歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化進程，而中國從20世紀(jì)80年代開始起步，仍處于發(fā)展階段。數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床，能夠根據(jù)已編好的程序，使機床動作并加工零件。它綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器，在數(shù)控機床上應(yīng)用的傳感器主要有光電編碼器、直線光柵、接近開關(guān)、溫度傳感器、霍爾傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、速度傳感器等，主要用來檢測位置、直線位移和角位移、速度、壓力、溫度等。 可編程控制器(PLC)是以微處理器為核心的通用工業(yè)控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)與計算機控制技術(shù)緊密結(jié)合 ,集計算機、控制、通訊于一體,具有可靠性高、通用性強、應(yīng)用靈活、易于使用 維修方便、價格便宜等優(yōu)點,為工業(yè)自動化提供了近乎完美的自動控制裝置。根據(jù)我國當(dāng)前的情況，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)依然是機械設(shè)備最常用的電氣控制方式，許多企業(yè)和高校實習(xí)工廠的數(shù)控機床和設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng),由于采用物理電子器件和大量而又復(fù)雜的硬接線,使得系統(tǒng)的可靠性差,工作效率低,故障診斷和排除困難,嚴(yán)重影響了工廠的生產(chǎn)效率。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，可編程控制器的出現(xiàn)，許多以繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的機床組合電路通過改進，采用可編程控制系統(tǒng)，無論在性能上或者效率上都能得到很大提升。因此,采用PLC對數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)進行技術(shù)改造,對于數(shù)控機床的改進具有重要意義。 　 二、數(shù)控機床概述 （一）數(shù)控機床概念及基本組成 1、數(shù)控機床的概念 數(shù)控機床是數(shù)字控制機床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現(xiàn)代機床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 2、數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床由輸入輸出設(shè)備、CNC裝置、伺服單元、驅(qū)動裝置、可編程控制器PLC及電氣控制裝置、輔助裝置、機床本體及測量反饋裝置組成。機床數(shù)控系統(tǒng)電控系統(tǒng)的組成簡圖如圖1所示。 電 氣 回 路 輔 助 裝 置 PLC 主軸伺服單元 操 作 面 板 主軸驅(qū)動裝置 進給驅(qū)動裝置 測量反饋裝置 進給伺服單元 輸入/輸出 設(shè) 備 計算機 數(shù) 控 裝 置 機 床 本 體 圖1數(shù)控系統(tǒng)組成框圖 輸入/輸出設(shè)備 輸入裝置將各種加工信息傳遞于計算機的外部設(shè)備。在數(shù)控機床產(chǎn)生初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現(xiàn)已淘汰，后發(fā)展成盒式磁帶，再發(fā)展成鍵盤、磁盤等便攜式硬件，極大方便了信息輸入工作，現(xiàn)通用DNC網(wǎng)絡(luò)通訊串行通信的方式輸入。 輸出指輸出內(nèi)部工作參數(shù)（含機床正常、理想工作狀態(tài)下的原始參數(shù)，故障診斷參數(shù)等），一般在機床剛工作狀態(tài)需輸出這些參數(shù)作記錄保存，待工作一段時間后，再將輸出與原始資料作比較、對照，可幫助判斷機床工作是否維持正常。 加工程序載體 數(shù)控機床工作過程，將零件加工程序用一定的格式和代碼，存儲在一種程序載體上，如穿孔紙帶、盒式磁帶、軟磁盤等，通過數(shù)控機床的輸入裝置，將程序信息輸入到CNC單元。 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心?，F(xiàn)代數(shù)控裝置均采用CNC（Computer Numerical Control）形式，這種CNC裝置一般使用多個微處理器，以程序化的軟件形式實現(xiàn)數(shù)控功能。數(shù)控裝置主要由輸入、處理和輸出三個基本部分構(gòu)成。 伺服與測量反饋系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，用于實現(xiàn)數(shù)控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。伺服系統(tǒng)的作用是把接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大、整形處理后，轉(zhuǎn)換成機床執(zhí)行部件的直線位移或角位移運動。伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動裝置和執(zhí)行機構(gòu)兩大部分。驅(qū)動裝置由主軸驅(qū)動單元、進給驅(qū)動單元和主軸伺服電動機、進給伺服電動機組成。步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機是常用的驅(qū)動裝置。測量元件將數(shù)控機床各坐標(biāo)軸的實際位移值檢測出來并經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機床的數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置對反饋回來的實際位移值與指令值進行比較，并向伺服系統(tǒng)輸出達到設(shè)定值所需的位移量指令。 機床主體 機床主機是數(shù)控機床的主體，包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進給機構(gòu)、刀架及自動換刀裝置等機械部件。 （二）數(shù)控機床國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1、國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1952年美國麻省理工學(xué)院研制出第一臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過50多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)由當(dāng)初的電子管式起步，經(jīng)歷了分立式晶體管式——小規(guī)模集成電路式——大規(guī)模集成電路式——小型計算機式——超大規(guī)模集成電路——微機式的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控裝置也由NC向CNC發(fā)展，廣泛采用32位CPU組成多微處理器系統(tǒng)；驅(qū)動裝置向交流、數(shù)字化方向發(fā)展，CNC裝置向人工智能化方向發(fā)展，新型的自動編程系，數(shù)控系統(tǒng)可靠性不斷提高。數(shù)控系統(tǒng)功能越來越完善，使用越來越方便，可靠性越來越高，性能價格比也越來越高。 國外新一代數(shù)控系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，推動數(shù)控機床技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向大大發(fā)展。開放式體系結(jié)構(gòu)利用多CPU的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)故障自動排除，增強通信功能，提高進線、聯(lián)網(wǎng)能力。充足的軟、硬件資源使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進行的系統(tǒng)集成得到有力支持，為用戶的二次開發(fā)帶來極大方便，促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。數(shù)控系統(tǒng)控制性能逐步向智能化發(fā)展，引入了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機理，不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?，而且人機界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。 現(xiàn)在，實際用于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)控系統(tǒng)主要有傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC0系統(tǒng)、MITSUBISHIM50系統(tǒng)等，這是一種專用的封閉體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，這類系統(tǒng)還是占領(lǐng)了制造業(yè)的大部分市場。"PC嵌入NC"結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC18i、16i系統(tǒng)、SINUMERIK 840D系統(tǒng)、Num1060系統(tǒng)、AB9/360等數(shù)控系統(tǒng)。由于NC部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強大，價格昂貴。"NC嵌入PC"結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。由開放體系結(jié)構(gòu)運動控制卡和PC機共同構(gòu)成。這種運動控制卡通常選用高DSP作為CPU，具有很強的運動控制和PLC控制能力。。如美國DeltaTau公司用PMAC多軸運動控制卡構(gòu)造的PMAC-NC數(shù)控系統(tǒng)、日本MAZAK公司用三菱電機的MELDASMAGIC64構(gòu)造的MAZATROL640CNC等。SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價格比，因而最有生命力。 2、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，發(fā)展歷程大致可分為三個階段。封閉式發(fā)展階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。第三階段是實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。目前我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡，也是由封閉型系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過渡的時期。 縱觀我國數(shù)控技術(shù)50多年的發(fā)展歷程，我國數(shù)控技術(shù)在發(fā)展上取得了多方面的跨越，可供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的制造設(shè)備，可服務(wù)器上實現(xiàn)加工對象的實體造型，并生成加工程序，自動傳送到各臺機床進行加工。5軸聯(lián)動聯(lián)動的數(shù)控機床更加成熟；。進入世界高速數(shù)控機床生產(chǎn)國行列。機床采用電主軸，主軸最高轉(zhuǎn)速達200000r/min；。進入高精度、高精密數(shù)控機床生成國行列。進入全數(shù)控化螺旋齒輪切齒機生產(chǎn)行列，使中國成為繼美國、瑞士、德國之后的第四個能生產(chǎn)這類機床的國家。關(guān)聯(lián)桿系（虛擬軸）開始走向?qū)嵱没? 　 三、CK6140型號數(shù)控車床概述 （一）數(shù)控車床工作原理 CK6140數(shù)控車床將被加工零件圖紙的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序，然后將加工程序輸入到數(shù)控裝置，按照程序的要求，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)信息處理、分配，使各坐標(biāo)移動若干個最小位移量，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件的加工。 CK6140數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。 表1CK6140數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù) 項目 參數(shù) 項目 參數(shù) 床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 Φ400mm 快速進給速度X/Z: 6000/8000mm/min 拖板上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 1000mm 每轉(zhuǎn)切削進給量 0.005-100mm/r 最大車削長度 850mm 進給電機扭矩(功率) X向4Nm，Z向6Nm 主軸轉(zhuǎn)速范圍(變頻) 可實現(xiàn)無級調(diào)速及恒線速切削 40～1800r/min 定位精度(全程) X向0.01mm，Z向0.01mm 主軸通孔直徑 Φ52mm 重復(fù)定位精度 X向 0.007mm，Z向 0.01mm X向行程 220mm 尾架套筒內(nèi)孔錐度 莫氏5號 Z向行程 1000mm 脈沖當(dāng)量 0.001mm 最高加工精度 IT6 表面粗糙度 Ra1.6 四工位電動刀架 刀桿截面尺寸 25mm25mm 主軸電動機M1 7.5KW 1000r/min 刀臺電動機M2 0.18KW 1500r/min 尾座套筒壓緊力 90000N 潤滑電動機M3 0.09KW 1400r/min 尾座套筒直徑 85mm 冷卻電動機M4 0.12KW 2900r/min 尾座套筒行程 110mm （二） CK6140數(shù)控車床運動分析 數(shù)控車床的運動系統(tǒng)包括：主軸驅(qū)動系統(tǒng)，對主軸的控制，進給系統(tǒng)，各個坐標(biāo)軸的控制。 數(shù)控車床的主運動傳動鏈的兩端部件是主電動機與主軸，它的功能是把動力源（電動機）的運動及動力傳遞給主軸，使主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)主運動，并滿足數(shù)控車床主軸變速和換向的要求。主運動傳動由交流主軸電動機配備變頻器實現(xiàn)無級變速調(diào)速。進給運動傳動是指機床上驅(qū)動刀架實現(xiàn)縱向（Z向）和橫向（X向）運動的進給傳動，在CK6140車床上，各軸都由交流伺服電動機直接驅(qū)動。刀架運動是指實現(xiàn)刀架上刀架的轉(zhuǎn)動和刀架的開定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉(zhuǎn)換。刀架運動是由換刀交流電動機實現(xiàn)的。數(shù)控機床的冷卻系統(tǒng)主要包括用于在切削過程中的冷卻刀具和工件，同時也起沖屑作用，由冷卻泵實現(xiàn)。CK6140數(shù)控車床液壓系統(tǒng)主要進行主軸變速換擋，中心跟刀架電機排屑器。CK6140數(shù)控車床中的潤滑系統(tǒng)為對機床導(dǎo)軌、滾珠絲杠等的潤滑。潤滑形式有電動間歇潤滑泵和定量式集中潤滑泵。數(shù)控車床尾座一般是在加工時對工件起輔助支撐作用，由尾座體和尾座套筒兩部分組成。尾座套筒前安裝頂針，套筒可以自動伸出和縮回，實現(xiàn)頂尖對工件的支撐作用。 （三） CK6140數(shù)控車床電氣系統(tǒng) CKA6140數(shù)控臥式車床的電氣控制系統(tǒng)是由CNC主控制裝置、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)及強電控制部分等構(gòu)成。CNC主控制裝置、伺服驅(qū)動裝置及主軸系統(tǒng)，采用德國SIEMENS公司的產(chǎn)品，機床電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。 圖2 CK6140數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)框圖 1、機床電氣容量及要求 機床容量及要求如表2所示。 表2機床容量及要求 項目 電源總?cè)萘? 滿載電流 電源總?cè)蹟嚯娏? 防護等級 參數(shù) 24KVA 34A 40A IP54 2、機床電氣技術(shù)要求 機床供電電源要求采用三相四線制，380V 50Hz交流電，電纜或電線的截面積應(yīng)采用不小于6mm2導(dǎo)電率高的銅線。保護地線還必須與機床所設(shè)置的專用接地螺釘牢固、接地電阻R<10Ω。主要參數(shù)如表3所示。 表3機床電氣主要技術(shù)要求 項目 電網(wǎng)電壓 電網(wǎng)頻率 工作環(huán)境溫度 相對濕度 參數(shù) 交流380V(10%) 50Hz（1Hz） 5～40度 25時80% 3、機床電氣的構(gòu)成 數(shù)控系統(tǒng)CNC選用日本FANUC公司的FANUC Oi MATE系列。 伺服驅(qū)動裝置及伺服電動機及控制單元如表4所示。 表4伺服驅(qū)動裝置及伺服電動機及控制單元 伺服驅(qū)動裝置及伺服電動機 伺服驅(qū)動裝置 伺服電動機 備注 X軸 β-SVM1-20 aC12/2000 本伺服電動機配有絕對值編碼器，在加工過程中有斷電保護功能。 Z軸 β-SVM1-20 aC12/2000 伺服電動機 X軸 理論最大進給速度6000m/min Z軸 理論最大進給速度8000m/min 強電控制單元 主軸電動機M1 1.5KW 1000r/min 變頻電動機 刀臺電動機M2 0.18KW 1500r/min 潤滑電動機M3 0.09KW 1400r/min 冷卻電動機M4 0.12KW 2900r/min 控制變壓器TC1：交流380V/220V/24V/26V/28V 630VA。主要為控制回路和冷卻風(fēng)扇提供220V電源；為整流橋提供26V交流電源；為穩(wěn)壓電源GS1提供220V交流輸入 穩(wěn)壓電源GS1：為控制回路提供穩(wěn)定的220V交流。 控制變壓器TC2：交流380V/220V 2200VA。主要為穩(wěn)壓電源GS2、伺服驅(qū)動裝置和伺服電動機提供220V交流。 穩(wěn)壓電源GS2：主要為CNC裝置、LCD/MDI、I/O LINK、PLC I/O、伺服驅(qū)動裝置等提供24V穩(wěn)定的直流電源。 接觸器構(gòu)成該車床電氣輸出執(zhí)行元件；繼電器構(gòu)成該車床電氣輸出放大元件；各種壓力開關(guān)、防護開關(guān)、腳踏開關(guān)、按鈕等構(gòu)成該車床電氣輸入元件。 電柜與車床接地線用6mm2黃綠雙色線；電柜與其它部件接地線用1～3mm2黃綠雙色線。 四、硬件系統(tǒng)設(shè)計選型 （—）主軸驅(qū)動系統(tǒng) 目前數(shù)控機床的主軸驅(qū)動多采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)即交流主軸電動機配備變頻器或主軸伺服驅(qū)動控制的方式。 1、主軸電動機選型 查機電一體化手冊車削功率在0.8-2kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動鏈的總效率η估算,。主傳動鏈的功率效率η=0.7—0.85， 數(shù)控車床多采用調(diào)速電動機和較短的機械傳動鏈，效率較大，因此取=0.78，則估計P在1.43kw~2.86kw.之間。 （公式4-1） ——主切削力的切向分力，N； ——切削速度N?cm； 查金屬切削手冊知，以硬質(zhì)合金刀具車削45#鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在1000N左右，切削速度取90—250r/min，則 PC=100090/60000=0.98kw （公式4-2） 考慮到空轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動件在空轉(zhuǎn)運行時的摩損功耗，傳動件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動載荷的摩擦損耗等。 CK6140數(shù)控車床床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國內(nèi)外同類機床的電動機功率，此機床可選1.5kw的電動機，考慮到數(shù)控機床變速范圍大，因此選用SIMOTICS 1LE0標(biāo)準(zhǔn)電機。 （二）機床進給伺服系統(tǒng) 伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機床的樞紐，其性能是影響數(shù)控機床精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。數(shù)控機床伺服控制系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)兩種位置控制方式。位置控制系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動器中的位置控制模塊、速度控制模塊、位置檢測及反饋控制等各部分組成。開環(huán)位置控制不需要位置檢測及反饋，閉環(huán)位置控制需要位置檢測及反饋。位置控制反饋能夠精確地控制機床運動部件的運動，快速而準(zhǔn)確地跟蹤指令運動。 CK6140數(shù)控車床調(diào)速范圍寬，調(diào)速范圍是指進給電動機提供的最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速之比，即。為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，要求進給驅(qū)動系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o級調(diào)速范圍（通常大于1：10000），尤其在低速（如轉(zhuǎn)速小于0.1r/min）時，要仍能平滑運動而無爬行現(xiàn)象。要求進給驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達到較高的定位精度，以保證機床具有較小的定位誤差與重復(fù)定位誤差（本設(shè)計對伺服系統(tǒng)的分辨率的要求是達到0.01mm)，同時進給驅(qū)動系統(tǒng)要有較好的動態(tài)性能，以保證機床具有較高的輪廓跟隨精度。還要求有良好的快速響應(yīng)特性，以縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。要求伺服驅(qū)動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時間內(nèi)可以過載4-6倍而不損壞。同時要求數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高，工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應(yīng)能力和很強的抗干擾能力。因此，本設(shè)計綜合考慮多種因素，最終選用帶有再生回饋功能的SINAMICS V60伺服驅(qū)動系統(tǒng)，配置SIEMENS公司的1FL5系列的伺服電機X軸伺服電機與Z軸伺服電機都選用SIMOTICS 1FL5型號伺服電機。 （三）電器元件選型 1、斷路器選型 選用斷路器時，斷路器的額定電壓應(yīng)不小于被控線路的額定電壓，斷路器的額定電流應(yīng)不小于其所安裝的過流脫扣器和熱脫扣器的額定電流。 斷路器額定電壓≥線路額定電壓； 斷路器額定電流≥線路計算負荷電流； 斷路器脫扣器額定電流≥線路計算負荷電流； 斷路器極限通斷能力≥線路中最大短路電流； 線路末端單相對地短路電流不小于1.25 倍的自動開關(guān)瞬時（或短延時）脫扣整定電流； 斷路器欠電壓脫扣器額定電壓等于線路額定電壓。 2、電動機保護自動開關(guān)選型 長延時電流整定值＝電動機額定電流； 6倍長延時電流整定值的可返回時間≥電動機起動時間； 鼠籠形瞬時整定電流為8～15 倍脫扣器額定電流；繞線形瞬時整定電流為3～6 倍脫扣器額定電流。 3、熔斷器選型 熔斷器由熔體（熔絲或熔片）和安裝熔體的熔管（或熔座）組成。當(dāng)電路發(fā)生短路流時，熔體中電流產(chǎn)生熱量，當(dāng)其產(chǎn)生之熱量達到熔體的熔點時，熔體熔斷，切斷電路。 熔體的額定電壓應(yīng)不小于被控線路的額定電壓，熔斷器的額定電流應(yīng)不小于其所安裝熔體的額定電流。 熔體的額定電流如下計算： （公式4-3） 式中： ——為容量最大的一臺電機的額定電流為其余電機的額定電流； ——其余電動機額定電流之和。 4、接觸器的選型 交流接觸器是利用電磁線圈的吸力特性使觸頭閉合或斷開大電流電路，其可頻繁接通或斷開電機或其它負載。 交流接觸器的額定電壓，其額定電壓應(yīng)不小于負載回路的電壓。交流接觸其的額定電流應(yīng)不小于被控回路的額定電流。 交流接觸器的額定電流應(yīng)依照以下公式計算： （公式4-1） 式中： IKM——接觸器主觸頭電流； Pn——負載的額定功率； Un——負載的額定電壓； K——經(jīng)驗系數(shù)，取1～1.4。 5、熱繼電器的選型 （1）長期工作或間斷長期工作電動機熱繼電器的選型 按電動機起動時間選擇： Tf——熱繼電器在6Ie 下的可返回時間 Td——熱繼電器在6Ie 下的動作時間 （2）按電動機額定電流選擇：Iz＝（0.95～1.05）Ied Iz——熱繼電器整定電流 Ied——電動機額定電流 （3）按斷相保護要求選擇： 對于星形接法的電動機，采用三極熱繼電器即可；對于三角形接法的電動機，應(yīng)采用帶斷相運轉(zhuǎn)保護裝置的熱繼電器。 6、中間繼電器 中間繼電器是繼電器的一種，內(nèi)置常開和常閉觸點，其根據(jù)外界輸入的一定電信號，使其線圈導(dǎo)通，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，實現(xiàn)對強電回路的控制，以達到弱電控制強電的目的。 主要開關(guān)電器型號、規(guī)格如表5所示。 表5 主要開關(guān)電器型號、規(guī)格 名稱 型號 整定值 用途 供貨 QM2 MS116-1 0.75A 臺動電動機 ABB公司 QM3 MS116-0.63 0.4A 潤滑電動機 QM4 MS116-0.4 0.32A 冷卻電動機 QF13 NMD1-63D3P 20A 變頻電動機 上海信良 QF14 NMD1-63D3P 10A 伺服電動機 QF1 NMD1-63D2P 3A TC1原邊 QF2 NMD1-63D1P 3A TC1副邊220V QF3 NMD1-63D1P 5A TC1副邊24V/26V/28V QF5 NMD1-63D1P 5A +24V QF6 NMD1-63D1P 1A TC1副邊220V  五、數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 （一）系統(tǒng)電氣原理圖 系統(tǒng)電氣原理圖，即是機床的動力電路如圖3所示。 圖3系統(tǒng)電氣原理圖 圖3將三相電源經(jīng)空氣斷路器Q1和Q2引入，單相電容運轉(zhuǎn)主軸電動機M1用接觸器KM3和KM4形成的互鎖電路控制正反轉(zhuǎn)。變壓器T1為X軸、Z軸步進電機驅(qū)動器提供AC55V供電電源；變壓器T2為強電控制電路提供AC220V電源；變壓器T3和整流電路為弱電控制電路和主控電路板提供DC24V供電電源。 圖4 互鎖控制線路 圖4中啟動按鈕SB2、SB3使用復(fù)合按鈕，復(fù)合按鈕的常閉觸點用來斷開轉(zhuǎn)向相反的接觸器線圈的通電回路，兩個接觸器的常閉觸點KM1、KM2起互鎖作用，即當(dāng)一個接觸器通電時，其常閉觸點斷開，使另一個接觸器線圈不能通電。 (二)數(shù)控機床控制過程分析 1、啟動過程 啟動時，合上Q1，引入三相電源。按下啟動按鈕SB2，接觸器KM1線圈通電吸合，則KM1的主觸頭閉合，電動機接通電源直接啟動運行。與此同時，在超程解除（X33）有效狀況下閉合繼電器RA2，且使X31有效（控制器收到主電路接通信號），則繼電器RA1通電，RA1的觸點閉合，接觸器KM2線圈通電吸合，KM2的主觸頭閉合，為步進電機驅(qū)動器供電，且主軸電機也通電。在控制面板上采用的是旋鈕開關(guān)，撥到“開” 的位置后能一直保持接通狀態(tài)，從而使得KM1能夠持續(xù)閉合，為控制電路供電。 2、主軸正反轉(zhuǎn) 該車床采用兩個接觸器KM3和KM4來實現(xiàn)對電動機的正、反轉(zhuǎn)控制。在電路中，為了防止兩個接觸器同時動作而造成短路，將實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的KM3和KM4進行互鎖。所以，電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路實際上是由互鎖的兩個方向相反的單向運行線路組成的。 繼電器RA3閉合，RA3常閉觸點斷開。 接觸器KM3閉合，KM4由互鎖電路斷開（即使RA4誤動作也不會閉合），主軸電機正轉(zhuǎn)。 繼電器RA4閉合，RA4常閉觸點斷開。 接觸器KM4閉合，KM3由互鎖電路斷開（即使RA4誤動作也不會閉合），主軸電機反轉(zhuǎn)。 正如上面所指出的那樣，在該正反轉(zhuǎn)控制電路中，兩個接觸器的常閉觸頭KM3和KM4互鎖。所以在進行電動機的換向操作時，必須先按下停止按鈕才能反向啟動。 3、停止過程 按下急停按鈕SB1，則繼電器RA2斷電，RA2的輔助觸點斷開，從而使得與之串聯(lián)在一起的繼電器RA1斷電，RA1的輔助觸點斷開。與RA1的觸點串聯(lián)的接觸器KM2線圈斷電，同時接觸器KM1的觸頭也斷開。KM2線圈斷電使步進電機斷電。KM2的觸頭也會隨KM2線圈的斷電而斷開，則主軸控制電路斷電。KM1觸頭的斷開也會使控制電路斷電。若是行程開關(guān)接通，也會使繼電器RA2斷電，同理，整個控制電路也將會斷電。 （三）PLC控制程序的設(shè)計 1、PLC程序模塊劃分 由于車床的操作過程復(fù)雜，機加工控制對象每一工作循環(huán)周期的控制關(guān)系比較復(fù)雜，在本次設(shè)計中，綜合數(shù)控車床的特點，在開發(fā)該機床的PLC控制程序的過程中將PLC程序劃分為7個模塊，即公用程序模塊、主軸模塊、坐標(biāo)軸控制模塊、潤滑控制模塊、自動換刀模塊、報警模塊和冷卻控制模塊。 2、I/O分配 本次程序開發(fā)所用I/O分配見表6所示。 表6 PLC I/O端子分配表 輸入端 輸出端 輸入設(shè)備 輸入端子號 輸 出 輸出端子號 旋鈕開關(guān) X0—X13 循環(huán)啟動 Y0 循環(huán)啟動按鈕 X14 進給保持 Y1 進給保持按鈕 X15 單 段 Y2 單段按鈕 X16 機床鎖住 Y3 機床鎖住按鈕 X17 快 進 Y4 主軸正轉(zhuǎn)按鈕 X20 主軸正轉(zhuǎn) Y5 主軸反轉(zhuǎn)按鈕 X21 主軸反轉(zhuǎn) Y6 主軸停按鈕 X22 主軸停 Y7 X向退按鈕 X23 X向退 Y10 X向進按鈕 X24 X向進 Y11 Z向退按鈕 X25 Z向退 Y12 Z向進按鈕 X26 Z向進 Y13 快進按鈕 X27 NC報警 Y14 急停按鈕 X30 超程報警 Y15 超程解除按鈕 X33 X回參考點 Y16 Z正向行程開關(guān) X34 Z回參考點 Y17 Z反向行程開關(guān) X35 進行潤滑 Y20 X正向行程開關(guān) X36 潤滑故障報警 Y21 X反向行程開關(guān) X37 換刀完成 Y22 冷卻開按鈕 X40 刀架正轉(zhuǎn) Y23 冷卻關(guān)按鈕 X41 驅(qū)動指示 Y24 潤滑電機起動按鈕 X42 冷卻開 Y25 潤滑油路壓力繼電器 X43 X軸驅(qū)動使能 Y26 1～4號刀到位 X44—X47 Z軸驅(qū)動使能 Y27 換刀按鈕 X50 3、梯形圖設(shè)計 在本次程序開發(fā)采用FXGP_WIN-C編程軟件。FXGP_WIN-C是在Windows操作系統(tǒng)下運行的FX系列PLC的專用編程軟件，操作界面簡單方便，在該軟件中可通過梯形圖、指令表及SFC 符號來編寫PLC程序。創(chuàng)建的程序可在串行系統(tǒng)中與PLC進行通訊、文件傳送、操作監(jiān)控以及完成各種測試功能。 公用程序 公用程序如圖5所示。 圖5 公用程序梯形圖 回原點程序 在正式進行數(shù)控加工之前，刀架應(yīng)當(dāng)先回零，回零之后刀架在機床坐標(biāo)系中的位置就定下來了。歸零程序如圖6所示。 圖6 回原點控制程序梯形圖 圖6所示為刀架自動回原點的梯形圖。 撥開回原點起動按鈕X12，M14變?yōu)镺N, 刀架開始向X和Z兩個方向退，退到X正向行程開關(guān)時X36為ON，刀架向Z方向退，到Z向限位處時，X34變?yōu)镺N, Z方向也停止并將M14復(fù)位。這時原點條件滿足，M0為ON，在公用程序中，初始步M0被置位。 主軸控制程序 數(shù)控機床主軸控制包括主軸正反轉(zhuǎn)控制和主軸停轉(zhuǎn)控制等。主軸控制程序如圖7所示。 圖7 主軸控制梯形圖 在梯形圖中，主軸正、反轉(zhuǎn)之間有邏輯互鎖關(guān)系，以免控制功能切換時發(fā)生故障。除此之外，必須采用PLC內(nèi)部的時間繼電器進行延時控制，否則會造成正、反轉(zhuǎn)接觸器同時接通而引起電源短路。這是因為PLC執(zhí)行程序的速度要比接觸器動作速度快得多。程序中用定時器T0和T1來完成5s的轉(zhuǎn)換延時。另外，還利用PLC內(nèi)部的輔助繼電器M03和M04作為正反轉(zhuǎn)控制的輔助繼電器。 坐標(biāo)軸控制程序 坐標(biāo)軸控制設(shè)計的核心是圍繞坐標(biāo)軸驅(qū)動允許而展開，包括超程、驅(qū)動故障、坐標(biāo)軸緊停、坐標(biāo)軸正常停止等的控制。一方面為PLC給出坐標(biāo)軸可以運動的信號，另一方面又控制著電機運行。坐標(biāo)軸控制程序梯形圖如圖8所示。 圖8 坐標(biāo)軸控制梯形圖 報警處理程序 在PLC 控制系統(tǒng)發(fā)生事故、故障時都應(yīng)發(fā)出報警信號,一般是聲光報警信號。此處用PLC基本邏輯指令實現(xiàn)報警功能,其梯形圖如圖9所示。 圖9 報警控制梯形圖 當(dāng)反向行程開關(guān)X35、X37被碰到時，繼存器M13接通。同時，特殊繼存器M8013周期性的通斷，與之相連的報警指示燈閃爍，當(dāng)按下“超程解除” 按鈕X33，繼存器M12接通，報警指示燈熄滅當(dāng)反向行程開關(guān)接通報警后，將會控制整個機床停止運動。 定時潤滑控制程序 在正常工作時，按下潤滑電機起動按鈕后，系統(tǒng)即開始進行潤滑，運行10秒后停止，停止30分鐘后重新開始進行潤滑，如此循環(huán)往復(fù)下去。PLC還對潤滑系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)測。具體的梯形圖如圖10所示。 圖10 潤滑控制梯形圖 PLC在潤滑系統(tǒng)開始進行潤滑后即通過潤滑油路壓力繼電器檢查潤滑油路中潤滑油的流動是否正常，若壓力繼電器一直閉合，說明油路有堵塞。潤滑的5秒定時時間到了之后，開始30分鐘的間隔，此時如果油路中還有油，說明油路有泄露。在這兩種情況下，PLC都會報警，潤滑就會停止。 冷卻程序 冷卻是根據(jù)加工任務(wù)來選用的，通過操作面板上的冷卻啟動和停止按鈕來進行控制。在急停生效時，冷卻輸出禁止。梯形圖如圖11所示。 圖11 冷卻控制梯形圖 自動換刀控制程序 數(shù)控機床要求能夠準(zhǔn)確、快速地換刀。為提高換刀的效率和定位精度，該控制的設(shè)計充分利用了PLC具有豐富的數(shù)據(jù)功能指令的優(yōu)點，用數(shù)據(jù)指令來進行判斷比較。假設(shè)T0是實際刀號,T1為待換刀號。數(shù)據(jù)寄存器D6存放實際刀號，D5存放待換刀號。D7存放待換刀號與實際刀號的差值。 用比較指令CMP進行數(shù)據(jù)比較。比較結(jié)果使M17，M18，M19中的一個接通。當(dāng)D5大于D6時，M17接通；D5等于D6時，M18接通；D5小于D6時，M19接通。在程序中首先對D5和D6中存放的值進行比較，判斷是否到位。當(dāng)D5＝D6時，表示刀號相符；當(dāng)D5＞D6時，將D5－D6的值存放到D8中，當(dāng)D5＜D6時，將D5－D6＋4的值存放到D8中。D8中存放的是旋轉(zhuǎn)刀位數(shù)，將它作為計數(shù)器的計數(shù)值，由計數(shù)器對轉(zhuǎn)過的刀位進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值到，表示換刀結(jié)束。程序如圖12所示。 圖12 自動換刀控制梯形圖 程序設(shè)計完成后，對梯形圖程序進行了相關(guān)性能的調(diào)試，并對于調(diào)試中出現(xiàn)的問題逐一進行了排除,不僅對程序設(shè)計進行了檢驗修正，同時還可從實際運行中改進、優(yōu)化、完善整個程序的設(shè)計工作。 六、結(jié)論 實現(xiàn)機床數(shù)控化是我國當(dāng)前正在機械行業(yè)進行的一項大的信息化工程，這對于提升我國工業(yè)裝備水平有著重要的意義。PLC 作為先進的自動控制裝置，可以應(yīng)用于多種自動化控制系統(tǒng)中。在車床電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，屬于PLC 的一種典型控制。本文采用模塊化設(shè)計思想，分八個模塊詳盡地進行了PLC控制程序的開發(fā)過程。各模塊的程序設(shè)計方法也是各不相同的，PLC控制程序設(shè)計中的經(jīng)驗設(shè)計法、順序設(shè)計法和繼電器控制線路移植法這三種常用方法都根據(jù)不同情況有所采用。通過調(diào)試程序，判斷程序的可行性，進一步提高程序的正確性和可靠性。 本人在基于CK6140的PLC控制程序的開發(fā)，以機床為典型對象，深入了解了電氣自動控制技術(shù)的基本原理、方法和應(yīng)用，并重點分析了該車床的電氣控制電路，熟悉了被控對象的工作原理。利用三菱PLC完成了PLC控制程序的開發(fā)以代替原繼電器——接觸器控制方式，完成了程序的修改、調(diào)試、運行等工作。通過對此項目的設(shè)計研究、調(diào)試運行，對數(shù)控機床，特別是車床有了深刻的了解，車床的工作原理、組成結(jié)構(gòu)、電氣控制等方面的知識進行了全面的學(xué)習(xí)。系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了PLC的相關(guān)知識。閱讀了大量有關(guān)PLC的書刊及相關(guān)技術(shù)資料，為今后從事控制系統(tǒng)設(shè)計工作奠定了基礎(chǔ)。訓(xùn)練了綜合運用知識的能力，鍛煉了實踐操作能力。 致謝 本設(shè)計數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計工作是在盧彥林老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，指導(dǎo)老師嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度、淵博的知識、無私的奉獻精神使我深受的啟迪。我不僅學(xué)到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理，在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 在此，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！衷心地感謝在百忙之中評閱我的畢業(yè)設(shè)計參加答辯的各位老師！ 參考文獻 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