数控车床电气控制系统设计docWord格式文档下载.docx

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学号

班级名称

数控技术10-2班

课题名称

数控车床电气控制系统设计

指导教师评语：

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系主任签名：

摘要1

摘要

数控机床是典型的机电一体化产品，它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动以及精密机床等方面的技术。

数控机床的高精度、高效率决定了发展数控机床是当前中国机械制造业技术改造的必由之路。

是未来工厂自动化的基础。

CK6140数控车床，对其电气系统设计使尤为重要的，其内容包括强电设计、弱点设计、PLC输入输出及接口设计，绘制出整个机床的电气系统原理图等。

本设计给出了整个机床的原理图绘制过程，重点部分模块化，较详细地介绍了各个部分的功能及用途。

分为380V强电回路，控制回路，PLC输入输出控制，主轴驱动模块和进给伺服驱动模块，并介绍了相关的电气知识。

通过本设计说明书可以基本上掌握数控车床的电气原理，以及基本的电气常识，使读者无论是从整体上还是各个模块中都能够了解到数控车床相关的一系列电气知识。

关键字：

数控车床主电路控制电路PLC控制

第一章概述

1.1什么是数控机床

数控技术是20世纪中期发展起来的机床控制技术。

数字控制（NumericalControl，简称NC）是一种自动控制技术，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。

数控机床（NCMachine）就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。

它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械技术等先进技术的典型的机电一体化产品。

国家信息处理联盟（InternationalFederationofInformationProcessing，简称IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：

数控机床是一种装有程控系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他符号编码指令规定的程序。

1.2数控机床的组成

数控机床的种类很多，但任何一种数控机床都是由控制介质、数控系统、伺服系统、辅助控制系统和机床本体等若干基本部分组成。

（1）控制介质

数控系统工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。

在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件位移信息，因此，控制介质就是将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。

控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘和USB界面介质等。

控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机、磁盘驱动器和USB界面等。

除了上述几种控制介质外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接输入程序和数据。

另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM软件在其他计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信（如局域网），将程序和数据直接传送给数控装置。

（2）数控系统

数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。

它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件。

数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置4部分组成，数控装置结构输入装置接受由穿孔带阅读机输出的代码，经识别与译码之后分别输入到各个相应的寄存器，这些指令与数据将作为控制与运算的原始数据。

控制器接受输入装置的指令，根据指令控制运算器与输入装置，以实现对机床的各种操作（如控制工作台沿某一坐标轴的运动、主轴变速和冷却液的开关等）以及控制整机的工作循环（如控制阅读机的启动或停止、控制运算器的运算和控制输出信号等）。

运算器接受控制器的指令，将输入装置送来的数据进行某种运算，并不断向输出装置送出运算结果，使伺服系统执行所要求的运动。

对于加工复杂零件的轮廓控制系统，运算器的重要功能是进行插补运算。

所谓插补运算就是将每个程序段输入的工件轮廓上的某起始点和终点的坐标数据送入运算器，经过运算之后在起点和终点之间进行“数据密化”，并按控制器的指令向输出装置送出计算结果。

输出装置根据控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统，经过功率放大驱动相应的坐标轴，使机床完成刀具相对工件的运动。

目前均采用微型计算机作为数控装置。

微型计算机的中央处理单元（CPU）又称微处理器，是一种大规模集成电路。

它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。

在微型计算机中，输入与输出电路采用大规模集成电路，即所谓的I/O界面。

微型计算机拥有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。

存储器可分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两种类型，前者用于存放系统的控制程序，后者存放系统运行时的工作参数或用户的零件加工程序。

微型计算机数控装置的工作原理与上述硬件数控装置的工作原理相同，只是前者采用通用的硬件，不同的功能通过改变软件来实现，因此更为灵活与经济。

（3）伺服系统

伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。

伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床本体的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。

指令信息是脉冲信息的体现，每个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。

机械加工中一般常用的脉冲当量为0.01mm/脉冲、0.005mm/脉冲、0.001mm/脉冲，目前所使用的数控系统脉冲当量一般为0.001mm/脉冲。

伺服系统是数控机床的关键部件，它的好坏直接影响着数控加工的速度、位置、精度等。

伺服机构中常用的驱动装置，随数控系统的不同而不同。

开环系统的伺服机构常用步进电机和电液脉冲马达；

闭环系统常用宽调速直流电机和电液伺服驱动装置等。

（4）辅助控制系统

辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。

它接受数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成各种规定的动作。

此外，有些开关信号经过辅助控制系统传输给数控装置进行处理。

（5）机床本体

机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各种运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。

它是完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上改进而成的。

其具有以下特点：

（1）数控机床采用了高性能的主轴与伺服传动系统、机械传动装置。

（2）数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度和耐磨性。

更多采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨。

（3）与传统的手动机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构及操作机构等方面都发生了很多变化。

这些变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点，因此，必须建立数控机床设计的新概念。

1.3数控机床工作原理和结构简介

原理：

按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，工件和其他辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。

结构：

（1）控制介质控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和直线运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。

（2）数控装置数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。

（3）伺服系统伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。

数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。

每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。

（4）机床本体数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。

1.4CK6140数控车床主简介

不同制造厂商制造的CKA6140数控车床选用FANUCOTD，FANUC0i-MATETC，FANUC0i-TA，FANUC0i-TB、安川J50L、SIEMENS802D，FAGOR8025T，FAGOR8055T等世界知名公司的数控系统。

本次设计的CKA6140数控车床采用FANUC0i-MATE数控装置；

FANUC通用变频器主轴变速；

SVM1-20进给驱动装置等数控系统。

该机床为万能型通用产品。

特别适合于军工、汽车、拖拉机、冶金等行业的机械加工。

主要承担各种轴类及盘类零件的半精加工及精加工。

可加工内、外圆柱面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体，可对工件可进行多次重复循环加工。

基本配置：

（1）机床采用卧式平床身结构，床身及床腿采用树脂砂铸造，时效处理，导轨采用高频淬火，整体刚性强。

（2）主传动采用变频电机，可实现手动三档，档内无级调速。

（3）进给系统采用伺服电机，精密滚珠丝杠，高刚性精密复合轴承结构。

定位准确、传动效率高。

（4）配置立式四工位刀架。

（5）配有独立的集中润滑器对床鞍及机床滑板进行自动润滑。

主轴箱配有独立润滑系统。

（6）机床配有独立的冷却系统。

（7）主控制系统为FANUC0i-MATE。

（8）大孔径主轴，其主轴通孔直径Φ60，能通过较大直径的棒料。

主轴扭矩大，刚性强，可强力切削。

（9）独立放置的操纵箱可纵向滑移，便于操作者就近对刀，操纵箱面板采用触摸式按键，美观可靠。

（10）配有内冷却，不抬起刀架更有利于加工工件及防止冷却液飞溅。

（11）床鞍及滑板导轨结合面采用“贴塑”处理，移动部件可实现微量进给，防止爬行。

第二章CK6140数控车床主轴驱动系统

2.1CK6140数控车床运动分析

数控车床的运动系统包括，主轴驱动系统，对主轴的控制，进给系统，各个坐标轴的控制，包括各坐标轴伺服电机速度、位置控制，刀具库（对于数控车床指电动刀架）、润滑系统、冷却系统、液压系统等辅助功能的控制。

1、主运动传动

数控车床的主运动传动链的两端部件是主电动机与主轴，它的功能是把动力源（电动机）的运动及动力传递给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动，并满足数控车床主轴变速和换向的要求。

2、进给运动传动

进给运动传动是指机床上驱动刀架实现纵向（Z向）和横向（X向）运动的进给传动，在CK6140车床上，各轴都由交流流伺服电动机直接驱动。

3、刀架传动

刀架运动是指实现刀架上刀架的转动和刀架的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换。

刀架运动是由换刀交流电动机实现的。

4、冷却系统

数控机床的冷却系统主要包括用于在切削过程中的冷却刀具和工件，同时也起冲屑作用，由冷却泵实现。

5、液压系统

CK6140数控车床液压系统主要进行主轴变速换挡，中心跟刀架电机排屑器

6、润滑系统

CK6140数控车床中的润滑系统为对机床导轨、滚珠丝杠等的润滑。

润滑形式有电动间歇润滑泵和定量式集中润滑泵。