plc的数控铣床主轴控制系统设计方案.docx
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plc的数控铣床主轴控制系统设计方案
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
中北大学
信息商务学院
课程设计说明书
学生姓名：
王亚东学号：
10020141X16
院系：
机械自动化系
专业：
机械设计制造及其自动化
题目：
数控技术课程设计
——基于PLC的数控铣床主轴
控制系统设计
指导教师：
马维金职称:
教授
刘丽娟职称:
讲师
2014年1月9日
一．概述
数控铣床主轴控制系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应该对主轴传动系统的转速（速度）及变速范围和启动停、正反转、加减速和位置进行有效地控制。
1.1数控技术课程设计的目的
通过本课程设计的训练，使学生在学完机床数控技术及相应的机床电器及PLC等课程之后，能够运用所学的知识独立完成数控车、数控铣和加工中心的进给系统的自动控制系统设计，从而使学生进一步加深和巩固对所学知识的理解和掌握，并提高学生的实际操作能力。
1．运用所学的理论知识，进行数控系统设计的初步训练，培养学生的综合设计能力；
2．掌握交流进给伺服驱动的原理和控制方法；
3．掌握PLC控制系统设计的基本技能，具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力；
4．基本掌握编写技术文件的能力。
1.2原始数据和设计要求
对于数控铣床，设计主轴驱动系统，由交流伺服电机实现，完成其选型计算，要求两轴联动，实现插补运算，并设计其启动停止、正反转、加减速和位置控制系统，数控系统的脉冲当量为0.01rad/脉冲。
1设计任务
（1）主轴交流伺服电机6kw选型；
（2）PLC采用三菱FX系列，设计控制程序
2设计工作量要求：
（1）电路接线图和电器件清单；
（2）控制程序T形图及其对应的程序清单；
（3）编写课程设计说明书一份。
二.主轴伺服电机的选择
2.1伺服电机类型选择
伺服电机是伺服系统的关键部件，接受控制系统发来的进给指令信号，并将其转变位角位移或直线位移，以驱动数控机床的进给部件实现所要求的运动伺服电机应满足：
（1）调速范围宽调速范围指数控机床要求驱动电动机能提供的最高转速与最低转速之比。
（2）精度高电动机转速要均匀，稳定，无爬行，响应性能好。
启动或升速时要很快达到稳定值；停止或减速时要很快准确的停下来。
（3）电动机的负载特性要好
（4）电动机的结构简单，制造容易，成本低，使用维修简单
而对于主轴交流伺服电动机要求具有响应迅速、精度和效率高、负载能力强、控制性能优越等特点。
还要求其具有以下控制功能：
（1）主轴与进给的同步控制
（2）准停控制
（3）角度分度控制
（4）恒速度控制
根据《机床数控技术》知，主轴驱动系统中一般使用交流异步（感应）伺服电动机，这种电机具有结构简单，制造容量大等特点。
在交流异步伺服电机中从结构上分忧带换向器和不带换向器的两种，选用不带换向器的三相感应电动机。
要实现位置控制和速度控制。
在此，主轴伺服电机的类型选择：
交流感应异步伺服电动机
2.2伺服电机的型号选择
根据主轴交流伺服电机的功率为6kw，及要实现其启动停止、正反转、加减速和位置控制系统，则主轴电动机控制要有模拟接口（输出模拟电压，实现速度和位置控制）和串行口（二进制数据串行传送，实现加减速控制），而串行口只能用FANUC主轴驱动器及其系列的主轴电动机。
由《数控技术课程设计》，查表2-47FANUC系列交流伺服电动机的技术参数，选择交流伺服电机的型号是：
FANUCα40/3000i
2.3伺服电机的技术参数
1物理参数
额定功率
/kw
额定力矩
/（N.M）
最高转速/（r/min）
转动惯量/（kg.m20
质量
/kg
6.0
38
3000
0.022
51
2尺寸参数
外形型号
外形尺寸/mm
A
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
Ⅲ
174
105
200
102
363
424
114.3
13.5
32
90
31
413
三．电路接线图和电器件清单
3.1启动停止、正反转的控制
3.2电路接线图
3.3电器件清单
四．PLC选择和控制程序的设计
4.1PLC的选型
根据要求采用三菱FX系列，则根据《数控技术课程设计》可查得：
1三菱FX系列的性能：
型号
最大开关量I/O
最大模拟量I/O
扫描速度
/（kb/ms）
用户程序存储器容量
数据存储器容量
高级语言
运动控制
PLD功能
FX
128
24
0.74
8KB
3308B
Y
Y
-
2由于FX系列PLC中
4.2控制程序T形图
4.3控制程序的设计
伺服电动机正反转及转速控制程序如下：
五．总结
此次关于数控铣床主轴控制PLC程序设计其内容主要包括主轴、PLC、变频器三部分，他们相互之间的一个有序有效的配合使用，作为一个整体的组成部件，也是数控铣床的核心所在。
随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率越来越高要求的提出，机床数控化改造的市场在我国有着很大的发展空间。
因此本毕业设计具有很强的实用性。
对于主轴的正反转是通过PLC的指令和变频器的信号共同来实现。
而PLC的指令和程序更是其中的核心部分．PLC是一个用于机床的可存贮可编程的逻辑控制器，而是在SINUMERIK802S控制系统中作为一个软件PLC使用。
其任务是控制机床相关功能的顺序，总是循环执行用户的程序主轴则是实现各种机械运动的基础，主轴运转中可以在全速范围内进行无级调整，但从安全角度考虑，每次只能调高或调低在允许的范围内，不能有大起大落的突变。
在数控铣床的主轴套筒内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒种内完成装刀与卸刀，使换刀显得较方便。
而变频器则是用于控制三相交流电动机的速度，采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型 晶体管（IGBT） 作为功率输出器件。
因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
开关频率可选的脉冲宽 度调制使电动机运行的噪声得以减少。
对于PLC控制系统设计时遵循以下几个原则：
1. 最大限度地满足被控对象的控制要求
2. 保证PLC控制系统安全可靠
3. 力求简单、经济、使用及维修方便
4. 适应发展的需要
由此可见，主轴、PLC、变频器三者相辅相成，若能很好的处理他们的兼容性和稳定性对铣床的整体性能会有一个很大的提升空间，这也是很多专家研究的原因所在。
六．参考文献
1.范超毅.数控技术课程设计. 武汉:
华中科技大学出版社, 2007.5
2.范云涨.数控编程设计简明手册.北京:
机械工业出版社,1994.7
3.李方园.数控机床电气控制.清华大学出版社.2010.4
4.王爱玲.机床数控技术.高等教育出版社.2006.9
5.范永胜.电气控制与PLC应用.中国电力出版社.2004.8
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