XH714加工中心电器柜改造.docx
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XH714加工中心电器柜改造
目录
1绪论1
1.1本课题研究的内容及意义1
1.2国内外的发展状况1
1.3本课题研究应达到的要求3
2技术可行性方案4
2.1XH714型机床的基本资料4
2.2改造需求分析4
2.3改造成果分析4
2.4改造方法和技术可行性分析5
3电气柜的主要元器件介绍及选型6
3.1数控机床的电气控制系统简介6
3.2主要元器件8
3.3主要元器件的选用原则16
3.3.1接触器的选用16
3.3.2熔断器的选用17
3.3.4低压断路器选用18
3.3.5继电器的选用18
4电气元件的连接及原理说明19
4.1电气元件的连接19
4.1.1硬件的连接19
4.1.2元器件的连接说明27
4.2工作原理叙述30
4.2.1主电路30
4.2.2控制电路30
4.2.3辅助电路30
5结论32
致谢33
参考文献34
1绪论
1.1本课题研究的内容及意义
机械工业作为国家的基础，国民经济的基础，具有举足轻重的地位。
不论是传统工业，还是高科技产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所生产装备的性能、质量和运用，对国家经济的发展和技术的进步有很大的影响。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
目前，机床技术快速发展。
在机械加工企业中有许多普通机床和老式数控机床，这些机床加工出来的产品存在质量差、品种少、档次低、成本高等问题，在国内外工业生产没有竞争力，影响到这些机加工企业的生存和发展。
但更新机床，成本颇高，所以对机床进行改造不失为上选。
经过改造的机床，比原来的机床具有突出的优越性，降低了劳动强度节省了劳动力，提高了生产效率。
我国需要改造的机床很多，这将是个广阔的市场。
因此在机械制造业中，尤其在机床制造行业中，应该充分利用自己的技术特长，去迅速占领市场，为国民经济的迅速发展作出自己的行业贡献。
本设计以XH714加工中心为例，在原数控机床基础上更换FANUC数控系统，改造成新的CNC机床，包括机床控制功能，电器柜改造，联调与故障排除，主轴控制，传动链的安装调试，机床大修等等。
1.2国内外的发展状况
XH714立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。
在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。
今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。
各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模具、半导体等行业，正在抓紧开发五轴加工机。
和几年前的以生产一般零部件为主的立式加工中心形成鲜明对比的是，突出以加工模具为主的设备方案不断从厂家出现，由此可明显地看出对高速、高效、高品位加工的需求正在增加。
针对高精度加工，一些厂家比较注重研制对不易切削材质搞重切削加工的机型。
同时，以减少工件更换时间和集中工序为目的的复合化加工技术也在不断创新。
为进一步提高效率，有些厂家正在尝试在立式加工中心的控制轴方面再加上l~2个轴，形成五轴控制，这样对于形状复杂的工件和自由曲面等工件都可完成一次装卡加工。
在产品开发方面，由于用户的要求更加严格，不得不在保持低价位的同时不断追求高性能的技术。
由于正在加快适应环保要求的新技术开发，因此，更加需要可以调整品种、数量的可形成柔性线结构的设备。
现在干式切削也在研制之中，如已经出现的使用高纯度氮气的干式加工系统，以氧化来控制精度变化。
同时为改善作业环境、提高经济效率，对于切屑的处理也采用了易于回收的方式。
卧式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脱落，比较适应长时间无人操作。
又因是模块结构，可以短时间内导入最适当规模的系统。
因其无人操作时间较长，在成本费用方面与单机相比效果更好。
从用户需求来看，对卧式加工中心的要求更加趋向于适应多品种小批量的生产，要求加工设备能够灵活地适应工序集中导致的生产型加工件的变化。
现在由于汽车厂家的设备投资呈上升趋势，需求可望进一步扩大。
此外，因对于产品制造的认识和对生产体系的看法正在发生根本的转变，由此而派生的新的生产体系可能对能形成柔性线的小型机种产生需求。
着手生产以上机型的厂家在追求高速、高精度的同时，还在如何使机体小型化及成本控制方面下功夫。
也就是说此类产品的开发重点在于机体的小型化、适应形成柔性线体系方面。
从技术开发动向来看，是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度、并将对应热变位、模块化等集中体现出来。
其中，作为机床基本课题的高速化研究也不断取得成果。
由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间，以利提高生产效率，因此在高速进给技术方面，驱动装置采用直线电机的机型正在增多。
同时也有厂家在开发不使用直线电机，采用进给轴以大导程滚珠丝杠为驱动，进给加速度1.5G~2G、快速进给速度120mm／min的高速卧式加工中心。
并在主轴上采用双面约束刀具、主轴转速为2万r/min、快速进给速度为60m/min、以尽量缩短重复定位、刀至刀等的非切削时间。
为解决速度提高带来的热变位影响，防止精度下降，一般都采用独自的补正装置或主轴冷却结构、冷却装置等。
数控立式车床适合于加工大直径、大吨位外圆型工件的立式车床，也被各行业采用。
由于其市场的局限性，产品在很大程度上反应了用户的意向，很多是以专用机的形式交货投付使用的，这也是用户和厂家形成密切联系的原因。
最近，对中国出口看好的建设机械厂家对立式车床的需求令人瞩目，造船行业的订货则似乎暂告一段落。
从去年起，数控车床生产厂家期待着在飞机、高性能发电机、风力发电机等方面设备投资比较活跃的重电机行业的订货。
由于市场在交货期、质量、价格方面的要求越来越高，一些中小规模的设备用户为缩短产品的生产周期，更青睐一次装卡、可搞多种加工的复合型加工机。
考虑到环保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根据这类用户的要求，OM制作所以产学协作的方式开发出采用气化热半干式加工技术，并加强了节省能源的措施，控制了电力的使用。
现在，市场对于提高了通用性的、低价位的小型数控立式车床的需求仍在扩大，同时，和卧式数控车床一样，带有加工中心意识的功能型复合机的开发研制比较活跃。
例如，随着对复杂形状工件成品加工要求的提高，也在研制将立式车床功能加上钻、攻丝、镗等旋转方面的加工功能。
因配置了C轴，不同的复合加工也可通过一次装卡进行。
此外，在以切削为主的同时，加上采用单刀具的双面约束ATC方式后，在铣加工功能方面也见到不少可进行重切加工的工序集约型产品。
1.3本课题研究应达到的要求
一、初步掌握XH714立式铣削加工中心的使用；
二、基本掌握数控铣削加工中心加工工艺，熟悉掌握孔系零件加工及程序编制；
三、初步掌握各类电器元件的使用及其原理；
四、了解FANUC操作系统；
五、编写设计说明书一份，要求文字通常，简洁明白，表达清晰，计算准确，重要公式引用应有出处。
2技术可行性方案
2.1XH714型机床的基本资料
XH714立式加工中心是一种中小规格、高效通用的数控机床。
该机床设有可容纳20把刀具的自动换刀系统。
通过编程，在一次装夹中可自动完成铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多种工序的加工，可广泛的用于板类及箱体类零件的多品种、小批量生产。
自动换刀装置（ATC）采用了先进的机械式自动换刀装置。
若选用数控转台，可实现四轴控制，进行多面加工。
XH714的主传动采用FANUCACSERVOMOTORaisseries系列交流主轴电动机及AC系列主轴驱动装置，在50~6000r/min范围内无级调速，利用主轴电动机内编码器实现同步攻螺纹。
伺服进给采用三菱AC系列交流伺服电动机及AC交流伺服驱动装置，通过交流伺服电动机内装编码器实现半闭环的位置控制。
XH714加工中心是针对模具等机械行业设计的机床，具有高刚性、高可靠性、切削功率大的特点，气动换刀快捷、方便。
本机床采用台湾主轴、台湾光机、台湾滚珠丝杠。
运行速度快、精度高、操作方便。
无液压泵站装置也是本机床的一大特点，低噪声、无污染、易维护，只要有电源、气源的地方即可保证机床的正常运转和生产。
2.2改造需求分析
有些旧式数控机床已经不太适应市场多品种、大批量生产要求，为了适应现如今的市场竞争，有必要对其进行改造，配有先进数控装置的机床兼综自动控制技术、微电子技术、自动检测技术等先进科学技术，更能够在短时间内大批量加工形状复杂高精度零件。
由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，当换加工对象时就只需更换零件的加工程序即可，而无需对机床作任何调整，因此更适应多品种的加工要求。
可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。
拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。
旧式数控机床和普通机床在几次修理调整之后，故障率依然较高，修理很难达到机床大修标准。
若合理的选择数控系统，则可使机床故障率降低，使机床性能稳定。
2.3改造成果分析
旧式数控机床在改造之后，拥有优越的性能，较高的加工精度，机床左边轴方向在数控系统的控制下，能依据编制的加工程序加工出所需的工件，改造后的数控机床比较容易上手，有一定文化基础的人能在认真努力下很快使用改造后的机床。
机床改造后在很大程度上提高劳动效率，降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应，提高企业的竞争力。
同购置新机床相比，机床改造一般可以节省60％～80％的费用，改造费用低。
特别是大型、特殊机床尤其明显。
一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。
但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高2～3倍，与购置新机床相比，只能节省投资50％左右。
2.4改造方法和技术可行性分析
XH714机床由原来fanuc0mc系统进行改造，选用的系统是fanuc0imc系统。
在原有的功能上添加了新的功能，通过对系统的安装，电器柜，以及主轴和传动链、控制面板等模块的安装，连接以及调试，故障排除。
在对机床控制功能的安装调试方面，主要是从cncpmc机床之间的连接，调试安装。
参照机床说明书完成机床的安装，机床连接功能调试，PMC程序的输入等等。
数控系统的选择
目前市场上数控系统的类型比较多，选择前首先应对拟改造的数控机床自身功能有一个充分的了解，可依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择数控系统。
在经济能力许可的情况下，尽量选用名牌产品。
此类数控系统，零件筛选严格，制造工艺规范可靠、出现的因电器元件故障或提前失效引起的设备故障，有极好的预防作用。
而且注重数控系统的功能选择。
不应单纯追求数控系统的高性能指标，这对于实现较高的性能价格比非常重要。
数控系统所具有的功能要与准备改造的数控机床所能达到功能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。
本台加工中心的改造选用fanuc0imc系统。
3电气柜的主要元器件介绍及选型
3.1数控机床的电气控制系统简介
一台典型的数控机床其全部的电气控制系统包括：
（1）数据输入装置。
将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。
它可以是穿孔带阅读机（已很少使用），3.5in软盘驱动器，CNC键盘（一般输入操作），数控系统配备的硬盘及驱动装置（用于大量数据的存储保护）、磁带机（较少使用）、PC计算机等等。
（2）数控系统数。
控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。
数控系统都有很完善的自诊断能力，日常使用中更多地是要注意严格按规定操作，而日常的维护则主要是对硬件使用环境的保护和防止系统软件的破坏。
（3）可编程逻辑控制器。
是机床各项功能的逻辑控制中心。
它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。
当代PLC多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。
PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令，完成对运动或功能的控制。
不同厂商的PLC有不同的PLC语言和不同的语言表达形式，因此，力求熟悉某机床PLC程序的前提是先熟悉该机床的PLC语言。
（4）主轴驱动。
系统接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩（功率）调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。
它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。
主轴驱动系统自身有许多参数设定，这些参数直接影响主轴的转动特性，其中有些不可丢失或改变的，例如指示电动机规格的参数等，有些是可根据运行状态加以调改的，例如零漂等。
通常CNC中也设有主轴相关的机床数据，并且与主轴驱动系统的参数作用相同，因此要注意二者取一，切勿冲突。
（5）进给伺服驱动。
系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流（转矩）调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。
它也通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。
进给伺服系统速度调节器的正确调节是最重要的，应该在位置开环的条件下作最佳化调节，既不过冲又要保持一定的硬特性。
它受机床坐标轴机械特性的制约，一旦导轨和机械传动链的状态发生变化，就需重调速度环调节器。
（6）电器硬件电路。
随着PLC功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与控制电路、隔离继电器部分及各类执行电器（继电器、接触器），很少还有继电器逻辑电路的存在。
但是一些进口机床柜中还有使用自含一定逻辑控制的专用组合型继电器的情况，一旦这类元件出现故障，除了更换之外，还可以将其去除而由PLC逻辑取而代之，但是这不仅需要对该专用电器的工作原理有清楚的了解，还要对机床的PLC语言与程序深入掌握才行。
（7）机床（电器部分）。
包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。
它们是实现机床的各种动作的执行者和机床各种现实状态的报告员。
这里可能的主要故障多数属于电器件自身的损坏和连接电线、电缆的脱开或断裂。
（8）速度测量。
通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。
它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，从而实现速度的精确控制。
注意：
机床供电电源要求采用三相四线制，380V50Hz交流电网。
三根相线（Ll，L2，L3）和一根中性线（N）均从电柜底部引入电气柜内电盘上的主接线板Ll．L2．L3和PE端子上，出厂前PE和N端子已联接，只要将供电电源中性线接在PE端上即可。
供电电源的电缆或电线的截面积应不小于6mm2．采用导电率高的铜线．保护地线还必须与机床所设置的专用接地螺钉牢固，可靠地连接。
接地电阻<0．1Ω。
如有三相五线制的用户，应把供电电源引接在端子上，将接线板上的PE和N的连线断开，分别接在五线制中的PE和N端子上。
电网电压：
交流一380v（+10%一一-1O%）
电网频率：
50Hz（±1Hz）
工作环境温度：
5—40度
相对湿度：
25°时．80%
3.2主要元器件介绍
一.接触器
接触器是一种用于频繁地接通或切断带有负载的主电路的自动控制电器。
接触器各部件图形符号见下图，文字标注型式为：
K M
① ②
① 接触器文字符号
② 接触器的区分数字
接触器各部件图形文字符号
a）接触器线圈 b）主触头 c）常闭辅助触头 d）常开辅助触头
主要技术参数
1）额定电压
接触器铭牌上的额定电压是指主触头额定电压，即保证接触器主触头正常工作的电压值。
2）额定电流
接触器铭牌上的额定电流是指主触头额定电流。
有5、10、20、40、60、100和150A等，额定电流应大于或等于被控电气控制线路的额定电流。
3）吸引线圈额定电压
交流吸引线圈的额定电压有36V、127V、220V和380V四种。
考虑电网波动，接触器线圈允许在电压等于85%~105%额定值下长期接通。
4）寿命
机械寿命是指接触器在不需修理条件下所能承受的无负载操作次数，一般接触器机械寿命为600~1000万次。
电寿命是指接触器的主触头在额定负载条件下允许的极限操作次数，一般电寿命为15~300万次。
5）额定操作频率
指接触器每小时接通的次数。
一般交流接触器操作频率最高为600次/h。
二.熔断器
熔断器是一种最简单有效的保护电器。
在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，用作电路及用电设备的短路保护。
熔断器主要有插入式、螺旋式、密闭管式等类型。
熔断器在电气原理图中的图形与文字符号见下图。
熔断器图形与文字符号
主要技术参数
1）额定电压
指熔断器能长期正常工作时承受的电压，其值一般等于或大于电气设备的额定电压。
2）额定电流
指熔断器长期工作时各部件温升不超过规定值时所能承受的电流称为熔断器额定电流，而熔体能长期流过而不被熔断的电流则称为熔体额定电流。
其值应大于或等于电气设备的额定电流。
3）分断能力
指熔断器在额定电压等规定工作条件下可以分断的预期短路电流值，也就是熔断器可以分断的最大短路电流值。
4）保护特性
又称安秒特性，指熔体的熔化电流I与熔断时间t的关系。
电流通过熔体时产生的热量与电流通过时间成正比，电流越大，则熔体熔断时间越短。
其特征曲线见下图。
熔断器保护特性曲线
图中I¥为最小熔化电流或称临界电流，即通过熔体的电流小于此电流时不会熔断，所以选择熔体额定电流IN应小于I¥。
5）熔断器熔化系数
通常将熔断器熔体额定电流与最小熔化电流之比IN/I¥称为熔化系数，一般IN/I¥»1.5~2，该系数反映熔断器在过载时的保护特性。
若要使熔断器能保护小过载电流，则熔化系数应低；为避免电动机启动时的短时电流，熔体熔化系数就应选高。
三.继电器
继电器是一种根据电气量（电压、电流等）或非电气量（温度、压力、转速、时间等）的变化，接通或者断开控制电路的自动切换电器。
继电器的种类繁多、应用广泛。
按输入信号的不同可以分为：
电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等。
按工作原理可分为：
电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等。
按用途可分为：
控制继电器、保护继电器等。
按动作可分为：
瞬时继电器、延时继电器等。
下面介绍几种最常用的继电器。
1. 电磁继电器
1）电压继电器
触头是否动作与线圈中电压相关的继电器称为电压继电器。
电压继电器在电气控制线路中起电压保护和控制作用，其线圈是电压线圈，与负载并联。
常按吸合电压大小，分为过电压继电器与欠电压继电器。
电压继电器图形文字符号
a）过电压继电器线圈 b）欠电压继电器线圈
c）电压继电器常开触头 d）电压继电器常闭触头
2）电流继电器
触头是否动作与线圈中电流大小相关的继电器称为电流继电器。
电流继电器在电气控制线路中起电流保护和控制作用，其线圈是电流线圈，与负载串联，常按吸合电流大小分为过电流继电器与欠电流继电器。
电流继电器图形文字符号
a）过电流继电器线圈 b）欠电流继电器线圈
c）电流继电器常开触头 d）电流继电器常闭触头
3）中间继电器
中间继电器是用于转换控制信号的中间电器，与接触器类似，通过线圈的通电与断电控制各触头的闭合与断开实现对电气控制线路的控制。
中间继电器触头数量较多，各触头额定电流相同。
中间继电器的主要用途是当其他继电器触头数量或容量不够时，可借助中间继电器扩充触头数目或增大触头容量，起中间转换作用。
将多个中间继电器相组合，还能构成各种逻辑运算电器或计数电器。
中间继电器各部件的图形文字符号见下图。
标注型式为：
中间继电器图形文字符号
a）中间继电器线圈 b）中间继电器常开触头c）中间继电器常闭触头
4）电磁继电器主要技术参数
① 继电器额定参数
继电器额定电压（电流）指继电器线圈电压（电流）的额定值，用VN（IN）表示。
继电器吸合电压（电流）指使继电器衔铁开始运动时线圈的电压（电流值）。
继电器释放电压（电流）指衔铁开始返回动作时线圈的电压（电流）值。
② 动作与返回时间
继电器动作时间指继电器从接通电源起，到继电器常开触头闭合为止所经过的时间；继电器返回时间则指从断开继电器电源起，至断电器常闭触头闭合为止所经过的时间。
一般继电器动作时间与返回时间为0.05s~0.15s，快速继电器可达0.005s~0.05s，动作与返回时间直接决定了继电器的可操作频率。
③触头开闭能力
在交、直流电压不大于250V的电路中，各种功率的继电器开闭能力见表
继电器触头开闭能力参考表
继电器类别
触头的允许断开功率
触头的允许接通电流
继电器长期允许的闭合电流（A）
直流（W）
交流（W）
直流（A）
交流（A）
小功率
20
100
0.5
1
0.5
一般功率
50
250
2
5
2
大功率
200
1000
5
10
5
④继电器整定值
触头系统切换时，继电器需输入相应电参数的数值称为继电器整定值。
大部分继电器的整定值可以调整，通过调节继电器反作用弹簧与工作气隙，实现继电器的吸合电压或吸合电流、断开电压或断开电流的调节，使之调节到使用时所要求的值。
⑤ 继电器其它参数
吸动继电器衔铁所必须具有的最小功率称为继电器灵敏度；从继电器引出端测得的一组继电器闭合触头间的电阻值称为继电器接触电阻；继电器寿命则指在规定环境条件和触头负载下，按产品技术要求，继电器能够正常动作的最小次数。
2. 热继电器
热继电器就是利用电流的热效应工作的
保护电器，在电气控制线路中主要用于电动
热继电器图形文字符号
a）加热元件 b）热继电器触头
机的过载保护。
热继电器根据过载电流的大小自动调整动作时间，过载电流大，热继电器动作时间较短；过载电流小，热继电器动作时间较长；而在正常额定电流时，热继电器长期保持无动作。
3. 时间继电器
继电器吸引线圈通电或断电以后，其触头经过一定延时以后才能动作的继电器称为时间继电器。
时间继电器有通电延时与断电延时之分，吸引线圈通电后延迟一段时间后触头动作，吸引线圈一旦断电，触头瞬时动作的为通电延时型时间继电器；吸引线圈断电后延迟一段时间触头动作，吸引线圈一旦通电，触头瞬时动作的为断电延时型时间继电器。
时间继电器图形文字符号见下图，各种延时触头的动作方向总是指向触头上圆弧图形
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