数控铣床控制系统设计实验.docx
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数控铣床控制系统设计实验
第五章 数控铣床控制系统设计实验
一、实验目的
1、掌握简单数控铣床控制系统的设计过程
2、掌握常用数控系统（NUM1020）的操作过程
3、掌握交流伺服电机的工作方式及应用过程
4、了解数控系统内置式 PLC 的实现原理及编程方式
5、掌握数控系统自动控制功能程序的设计及开发过程
二、实验设备
1、NUM1020 数控系统一套
2、安川交流伺服电机 3 套
3、计算机及梯形图编辑软件一套
三、设计要求
1、以实验室现有的设备（NUM1020 数控系统）作为控制器，参照实验室现有的数控铣床的
功能，完成一台具有 3 轴联动功能的数控铣床的电气系统设计过程。
2、移动轴（3 轴）采用实验室现有的交流伺服电机进行驱动，采用半闭环位置控制模式。
3、主轴采用实验室现有的变频调速器进行设计驱动，系统不要求具备自动换刀功能。
4、完成 PLC 输入输出点的分配。
5、具有行程及其他基本的保护功能。
6、设计相关功能的梯形图控制程序（要求具有：
手动进给功能、手轮进给功能、MDI 功能、
自动控制功能及各种基本的逻辑保护功能）
7、完成设计报告。
8、设计过程有关资料请参照附录。
四、设计内容
数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的 ,两都的加工工艺基本相同 ,结构也有
些相似 ,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床 ,所以其结构也与普通铣床有很大区别。
数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分
组成：
A：
主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范
围和输出扭矩对加工有直接的影响。
B：
进给伺服系统 由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具
和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。
C：
控制系统 数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。
D：
辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。
E：
机床基础件 通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架
（一） 系统功能布局图：
CNC 控制器
PC 机轴
Y
轴
Z
轴
变
编
P
伺
伺
伺
服
服
服
频
码
L
驱
动
驱
动
驱
动
器
X
轴
电
器
Y
轴
电
器
Z
轴
电
器
主
轴
电
器
C
机
机
机
机
强
故
其
控
检
电
电
源
障
报
警
它
功
能
制
面
板
测
信
号
图 1：
功能布局图
1、系统框架图如下：
图 2：
系统框架图
2、电源输入电气图
图 3：
电源接线图
图中 Q1，Q2 负载开关控制电路。
T1 为变压器，为电路提供稳定的电压。
G1 是电压转换器，
为报警信号提供电源，
3、三轴驱动以及主轴驱动电气图
图 4：
三轴驱动以及主轴驱动电气图
开关和继电器起保护电机和电路的作用，伺服电机为机床 X,Y,Z 轴和主轴提供转动和移动的
动力。
4、伺服图
A+
PAO
A+
PAO
A-
B+
B-
/PAO
PBO
/PBO
ALM+
ALM-
24V
ALM1-
/1.5C
/8.3C
A-
B+
B-
/PAO
PBO
/PBO
ALM+
ALM-
24V
ALM2-
/1.5C
/8.2C
Z+PCO
Z-S-RDY+
E
V
5VE
24V
RDY1-
/1.5C
/8.4C
Z+ PCO
Z- S-RDY+
E
V
5V E
24V
RDY2-
/1.5C
/8.4C
S-
PCH SPEED
PFH SPEED
V-REF
SG
R
1
S-
PCH SPEED
PFH SPEED
V-REF
SG
R
2
S_ON1
ALM-RST1
/1.5C
24V
/S-ON
ALM-RST
24VIN
S_ON2
ALM-RST2
/1.5C
24V
/S-ON
ALM-RST
24VIN
图 5：
X 轴伺服图图 6：
Y 轴伺服图
PAO
A+
/PAO
/PBO
Z+PCO
Z-S-RDY+
E
V
5VE
R
2
PCH SPEEDV-REF
B+ PBO ALM+
24V
ALM3-
24V
RDY3-
/1.5C
/8.3C
/1.5C
/8.5C
A+
A-
B+
B-
Z+
Z-
5V
S-
PCH SPEED
OA+
OA-
OB+
OB-
OZ+
OZ-
5V
0V
H
A
N
D
W
H
E
E
L
PFH SPEED
SG
PFH SPEED
S_ON3
ALM-RST3
/1.5C
24V
/S-ON
ALM-RST
24VIN
图 7：
Z 轴伺服图图 8：
手轮伺服图
以上的前三个图式主轴和伺服电机连接图，第四个为手轮和轴卡的连线图
5、PLC 伺服与报警信号清除发出段
Q501.0Q501.1Q501.2Q501.3Q501.4Q501.5Q501.6Q501.7
COM
1
图 9：
报警发出信号
报警信号发出端，处理异常信号并及时发出警报
6、PLC 控制继电器连接图
Q500.0Q500.1Q500.2Q500.3Q500.4
Q500.5 Q500.6 Q500.7
1
5KM1
5KM2
5KM3
5KM4
5KM5
5KM6
5KM7
5KM8
/1.5C
N
N
/plc.2A
1
2
1
2
1
2
1
2
34
6
3 4
6
3 4
6
3 4
6
图 10：
继电器连接图
7、系统检测图：
/1.5C
24V
7S1
7S2
7S3
7S4
7S5
7S6
7S7
7S8
1
I501.0I501.1I501.2I501.3
I501.4
I501.5 I501.6 I501.7
COM
图 11：
检测图
8、接收伺服电机和报警信号端：
I502.0I502.1I502.2I502.3I502.4I502.5I502.6I502.7COM
图 12：
接收报警信号
9、PLC 输入与输出分配
1L1
副本箱
1L1
副本箱
N
PE
副本箱
plcQ1
参照[1199]!
S7+
副本箱
S7M
副本箱
plcA1
参照[698]!
副本箱
plcA2
参照[427]!
24V DC
220 V
1
0
副本箱
plcA3
参照[1503]!
RUN
STOP
MRES
SF
BATF
DCSV
FRCE
RUN
STOP
副本箱
plcA4
参照[588]!
2
I0.0
3
I0.1
4
I0.2
5
I0.3
6
I0.4
7
I0.5
8
I0.6
9
I0.7
12
ES_OK
参照[290]!
参照[1658]!
参照[448]!
参照[450]!
参照[449]!
参照[451]!
参照[345]!
DRV
参照[350]!
DRV
副本箱
plcA5
参照[588]!
2
I4.0
3
I4.1
4
I4.2
5
I4.3
6
I4.4
7
I4.5
8
I4.6
9
I4.7
12
CHK_BCK_CBR_HYD
参照[345]!
HYD
参照[350]!
HYD
参照[1865]!
参照[1866]!
副本箱
plcA6
参照[587]!
2
Q8.0
3
Q8.1
4
Q8.2
5
Q8.3
6
Q8.4
7
Q8.5
8
Q8.6
9
Q8.7
12
ES_ON
参照[1767]!
参照[452]!
参照[453]!
参照[328]!
参照[1859]!
DRV
参照[1860]!
DRV
FWD_HYD
参照[350]!
HYD
I1.0
13
I1.1
14
I1.2
15
I1.3
16
I1.4
17
参照[351]!
DRV
参照[1861]!
参照[1862]!
参照[1863]!
参照[1864]!
I5.0
13
I5.1
14
I5.2
15
I5.3
16
I5.4
17
Q9.0
13
Q9.1
14
Q9.2
15
Q9.3
16
Q9.4
17
参照[1867]!
参照[1868]!
SIEMENS
参照[2233]!
6ES7307-1KA00-0AA0
SIEMENS
参照[2232]!
6ES7315-2AG10-0AB0
I1.5
18
I1.6
19
I1.7
I5.5
18
I5.6
19
I5.7
Q9.5
18
Q9.6
19
Q9.7
图 13：
PLC 输入输出
字段值
定义
%M
存储型公共变量
%V
非存储型公共变量
%I
输入/输出（I/O）接口读变量
%Q
输入/输出（I/O）接口写变量
%R
CNC 输入/输出（I/O）接口读变量
%W
CNC 输入/输出（I/O）接口写变量
%S
公共字变量
%Y
局部变量
（二）控制系统功能设计
1. 程序初始化
2. MDI 手轮和手动选择程序
采用%M10.w 作为分支条件，根据其等于 1 或者 2 转到相关的子程序执行。
图中%16.B 代表手
动方式和回零方式。
%15.B 代表手动增量类型和手轮进给。
3. 手动（JOG）进给轴进给
①%I100.0 代表手动进给轴选择 x，%I101.0 代表手动正向进给，%I500.6 代表正向行程限位
点，%w9.0 代表手轮正向进给；%I101.0 代表手动负向进给，%I500.7 代表负向行程限位点，
%w9d.0 代表手轮负向进给。
②Y、Z 轴的如上。
4. 主轴控制
①%R122.0、%R122.1、%R122.2 分别代表主轴的顺时、逆时转动和主轴停；%Q501.0 代表主
轴顺时转动的灯亮，%Q501.1 逆时针转动的灯亮；%I503.6 代表出故障，%w100.5 代表系统
至于等待状态，不处理正在执行的程序段中的下一个功能。
5. 自动控制功能
当系统检测到%I103.1 有脉冲输入时，%W3.2 输出 on 信号，此时 PLC 进入循环进给加工状态。
%R3.2 处于 on 时，%Q100.1（循环进给指示灯）为 on。
6. 电机报警
要%R5.0 显示息，%Q500.3 才有效。
且%500.2、%500.3 %500.4 都不工作，%M700.1 运行。
五 实验心得
因为在做电子电气项目用的是西门子 S7-200 编程，所以此课程设计刚好弥补了自己对三
菱 PLC 的编程空白。
而且两者并没有本质的区别，只是输入输出的符号不同，指令基本上都
大同小异。
因为这课程临近期末才开始做，所以很多方面的
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