数控车床主轴控制的设计11Word格式文档下载.docx
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现代数控机床对主轴传动提
出了更高的要求：
（1）调速范围宽并实现无极调速
为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。
特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。
目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1∶100，恒功率调速范围也可达1∶30，一般过载1.5倍时可持续工作达到30min。
主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。
在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。
（2）恒功率范围要宽
主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。
由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。
为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分级无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。
（3）具有四象限驱动能力
要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。
目前一般伺服主轴可以在1秒内从静止加速到6000r/min。
（4）具有位置控制能力
即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。
（5）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。
数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。
为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。
最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。
采用带传动时应采用齿型带。
应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。
在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。
变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。
侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。
1.3电气原理图设计的原则和设计步骤
数控机床（CNCmachinery）集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品,具有模块化特点。
因此数控机床在控制设计上具有很大的灵活与实际应用性。
我们知道主轴运动属于机床主运动，在实际加工中产生大量的热与消耗大量功，同时在加工过程中由于温度过高、工艺要求或其它情况需要随时调整主轴的转速。
机床的电气控制线路是由各主令电气，接触器、继电器、保护装置和电动机等，按照一定的控制要求用导线连接而成的。
机床的电气控制，不仅要求能实现启动、正反转、制动和调速等基本要求，而且要求满足生产工艺的各项要求，保证机床各运动的相互调和和准确，并具有各种保护装置，工作可靠，实现自动控制。
机床电气控制应该遵循的原则有：
（1）最大限制满足机床和工艺对电气控制的要求。
（2）在满足要求的前提下，设计方案应简单，经济和实用。
（3）妥善处理机械与电气的关系。
（4）将电气系统的安全性和可靠性放在首位。
（5）合理选用电气元件
机床电气控制系统设计包含原理设计和工艺设计两部分。
Ⅰ.拟订设计任务书简要说明所设计任务的用途、工艺过程、动作要求、传动参数、工作条件及
（1）电气传动基本特性要求、自动化程度要求及控制精度；
（2）目标成本与经费限额；
（3）设备布局、安装要求、控制箱、操作台布置、照明、信号指示、报警方式等；
（4）工期、验收标准及验收方式。
Ⅱ.选择拖动方案与控制方式电动机选择基本原则：
（1）电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与被拖动负载特性相适应以保证运行稳定并具有良好的启动、制动性能，对有调速要求时应合理选择调速方案；
（2）工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值；
（3）电动机的结构形式应能满足机械设计要求，选择恰当的使用类别和工作制，并能适用周围的环境工作条件。
在满足设计要求情况下，应优先采用结构简单、维护方便的笼型三相交流异步电动机。
电力拖动方案确定后，电动机的类型、数量及其控制要求就已基本确定，采用什么方法去实现这些控制要求就是控制方式的选择问题。
在确定控制方案时，应尽可能采用新技术、新器件和新的控制方法。
Ⅲ.设计电气控制原理图、选用元器件、编制元器件目录清单。
Ⅳ.设计电气施工图，并以此为根据编制各种材料定额清单。
Ⅴ.编写设计说明书。
通过对主轴的控制的分析，可以从中发现对于主轴的控制是一个较复杂的过程。
要善于归纳与总结，才能较轻松的写出相应的程序。
1.4电气方案的确定
主轴驱动装置根据主轴速度控制信号的不同分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控
制的主轴驱动装置两类。
模拟量控制的主轴驱动装置采用变频器来控制主轴电机。
串行数字控制的主轴驱动装置是数控系统生产厂家用来驱动该厂家专业主轴电机的驱动装置，不同数控系统其主轴驱动装置各不相同。
目前国内中高端用户大多采用的即是西门子、发那科、三菱电机等这些国际知名公司的数控系统，尤其是在汽车及零部件制造业这样的大规模生产线上，这些品牌的数控系统占据着中高端的主流市场，其他国内外多种品牌特别是经济性数控系统在中低端市场则有百花齐放之势，还有很多专用数控系统亦是各有用武之地。
当前，第六代数控系统以西门子的840D和810D数控系统为代表，它的硬件结构更加简单、紧凑、模块化，软件内容更加丰富，功能更强大，代表并引领着当今数控技术的发展方向。
发那科0i和21i数控系统也很典型，其最新开发的是18i系统，稳定易用，实用性很强，应用非常广泛。
三菱电机M60S数控系统的替代品——C70适用于大规模生产线，其最新推出的M70/M700可更广泛地用于多种机械加工。
三菱电机还与山崎马扎克合作，开发了MazatrolFusion640数控系统。
MazatrolFusion640数控系统以其高品质的运动控制性能和先进的信息化、智能化功能在技术上同样居于世界领先地位。
继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。
继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。
继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制
PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可。
控制速度PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。
本课题采用模拟量控制的主轴驱动装置，FANUC公0iMATE数控系统。
随着数字SPWM变频调速系统的发展，越来越多的采用通用变频器作为数控机床主轴驱动装置。
变频器有多方面的优点：
可以和通用的笼型异步电动机配套使用，具有多种可供选择的功能，可应用于各种不同性质的负载。
FANUC的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统。
主要体现在以下几个方面。
（1）系统在设计中大量采用模块化结构。
这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。
（2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。
其工作环境温度为0～45℃，相对湿度为75％。
（3）有较完善的保护措施。
FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。
（4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。
对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。
（5）提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。
这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。
（6）具有很强的DNC功能。
系统
提供串行RS232C传输接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作。
（7）提供丰富的维修报警和诊断功能。
FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。
PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。
时间继电器定时精度不高，受环境影响大。
PLC的特点：
1编程方法简单易学2功能强，性能价格比高3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4可靠性高，抗干扰能力强5系统的设计、安装、调试工作量少6维修工作量少，维修方便7体积小，能耗低。
二、电气原理图的设计
1.电气原理图的设计
（1）电源电路
电源电路见附录（图1）
原理：
D1—QF1为电源总断路器，电源AC380V供给变频器。
D1—TC1为控制变压器，一次侧为AC380V，二次侧为220V，为照明和交流接触器提供电源。
D1—VC1为开关电源，为CNC、CRT\MDI、中间继电器提供DC24V电源。
D1—Fu1、—Fu2、—Fu3、—Fu4、—Fu5为电路的短路保护。
（2）CNC电路图
CNC电路图见附录（图2）
本课题采用FANUC公司POWER0iMATE数控系统，
CNC电路图，W1-A1为CNC装置。
CNC装置控制模拟主轴（变频器JA11）、主轴位置编码器（JA12）、手摇脉冲发生器（W1-GP）及强电柜；
M1-K1为接通/断开继电器。
（3）主轴电路
主轴电路见附录（图3）
采用模拟主轴控制，配置3Kw、2880r\min的交流异步电动机，速度开环控制系统。
CNC输出的模拟信号到变频器的10与15端口，从而控制电动机的转速，通过设置变频器的参数，实现从最低转速到最高转速的调速。
H1—K1为主轴交流接触器，接通或断开主轴动力电源。
主轴位置上的编码器H1—GP使主轴能与进给驱动同步控制，以便加工螺纹；
M3—K3、M3—K4为主轴正反转继电器，通过PLC实现正反转控制。
Ｍ１—Ｋ２为急停，当变频器有异常情况是，通过１、2端口输出报警信号到PLC。
（4）强电电路
强电电路见附录（图4）
当按下急停按钮M1-SB1时，SB2、SB3为CNC接通/断开按钮，发出急停信号-K2停止主轴转动，打开电源钥匙M1-SA1,接通中间继电器-K3，AC220V上电，M3-K1为通过PLC接通主轴电动机接触器H1-K1的信号。
（5）PLC输入、输出电路
PLC输入、输出电路见附录图5、图6
M2-SB1、-SB2、-SB3分别为主电动机接通、断开、循环启动按钮；
按下急停按钮时发出急停信号M1-K2，机床立即停止工作；
当机床设备异常，出现一个报警信号时，报警灯亮。
M3-K1为接通主轴电动机继电器，-K3、-K4为主轴正反转继电器，-HL3为故障灯。
2.2电气元件的选择
（1）熔断器的选择
熔断器是一种简单而有效的保护电器。
在电路中主要起短路保护作用，选择熔断器时主要是选择熔断器的类型、额定电压、额定电流及熔体的额定电流。
选15A，选RT18-32
控制线路中Ｉ＝Pｎ\U＝12*3\220V=0.7A选择2A型号为RT18-32。
（2）变频器的选择
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
按照课题的要求，本课题选用的是FR-S540E-3.7K-CH型号的变频器。
根据生产机械的负载特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，决定选用那种控制方式的变频器，在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数：
1电动机的极数。
②转矩特性、临界转矩、加速转矩。
③电磁兼容性。
。
主要具有以下特点：
（1）变频器效率96%至97%；
（2）过载能力强，内置制动单元，5分钟内持续时间60秒150%（恒转矩）负载电流过载，或1分钟内持续3秒200%过载；
（3）起动冲击电流小于额定输入电流；
（4）各种保护齐全。
由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。
电机除了考虑常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还应考虑定子电阻、定子漏感抗、转子电阻、转子漏感抗、互感抗和空载电流。
数控车床用变频器特点如下：
①体积小，属于迷你型产品，占用控制柜空间较小;
②控制方式为正弦波SPWM（提供无速度反馈矢量控制），控制性能较以前的VF控制方式性
能上有很大的改善，特别是在低速转矩上满足机床主轴的需求，5Hz时起动转矩能够达到150%以上;
③载波频率范围0~15kHz，减小电机的电磁噪音;
④提供标准的0～10V模拟量接口（输入阻抗47kΩ，输出阻抗250kΩ），能够与大多数数控
系统接口兼容，通用性强;
⑤过载能力强，150%以上额定输出电流超过一分钟;
⑥提供多功能的输出端子信号，例如零速信号，运转中信号，速度到达信号，故障指示，满足系统对于主轴速度状态的监控;
⑦自动转矩补偿，满足机床主轴在低速情况下的加工需求;
⑧提供三组异常纪录，供维修人员从侧面了解机床主轴实际的运行状况;
⑨电机参数自动整定功能，在线识别电机参数，保证系统的稳定性和精确性。
（3）接触器
接触器是一种用来频繁地接通和分断带有负载的主电路的自动控制电器。
接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。
其中电磁机构由线圈、动铁心和静铁心组成；
触点系统包括三对触点、辅助触点。
工作原理是当线圈通电后，铁心产生电磁吸力将衔铁吸合。
衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。
当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触电系统随之复位。
选择交流接触器时主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率等。
u=380V，I>
I1=8A，选CJ10—10
冷却电机、卡盘电机电路。
（4）继电器
继电器是一种根据电量参数（电压、电流）或非电量参数（时间、温度、压力等）的变化自动接通或断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。
继电器用途广泛，种类繁多。
按反应的参数可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等；
按动作原理可分为电磁式、电动式、电子式等。
U=220V，I2=2.9A，I3=0.33A，触点对数为4对。
型号选择JZ7—44，5A，220V，JZ8—44，5A，24V
（5）变压器的选择
变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器。
变压器的功能主要有：
电压变换；
电流变换，阻抗变换；
隔离；
稳压（磁饱和变压器）;
自耦变压器；
高压变压器（干式和油浸式）等。
变压器的选择原则
选择变压器的主要依据式变压器的额定值。
1）根据实际情况选择一次额定电压U1（380V、220V），在选择二次额定电压U2（二次额定值是指初级加额定电压时，二次的空载输出电压，二次带有额定负载时输出电压下降5%，因此选择输出额定电压时应略高于份额在额定电压）。
2）根据实际负载情况，确定各二次绕组额定电流I
一般绕组的额定输出电流应大于或等于额定负载电流。
二次额定容量由总容量确定。
根据经验公式
P=K∑P
式中P
------电磁元件的吸持功率和灯等负载消耗的功率，单位为kW；
K-------变压器的容量储备系数，K=1.1～1.5。
本课题中选择的接触器、继电器一般功率12W，系统输入输出小于100W,由于本课题中控制变压器的容量P可根据由它供电的最大工作负载所需要的功率来计算并留用一定的余量.所以本设计中的控制变压器D1-TC1的容量为：
P=（100+12×
4）×
1.2=150VA
因此控制变压器D1-TC1的容量选择为150VA。
（6）空气开关
电源总空气开关D1-QF1主要给主轴电动机H1-M1提供电源,而在控制变压器二次侧的NC、强电控制电路等在变压器一次侧产生的电流相对较小,因此电源总空气开关D1-QF1的额定电流的选择主要考虑主轴电动机H1-M1的额定电流
P1=3Kw，P2=1.1Kw，P3=125w，U=380V
I=P1\U=7.9A，I2=2.9A，I3=0.33A，I总=I1+I2+I3=11.3A，所以选择16A，确定空气开关为DZ115—40\1901，220V，16A，级数为一。
（7）其他元气件的选择
1.直流稳压电源
直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。
在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器及信号指示灯等提供直流电源。
在数控机床中主要使用开关电源。
直流稳压电源的功率为100W。
2.按钮的选择
根据需要的触电数目,动作要求,使用场合及颜色等进行按钮的选择。
一般用红色表示停止，绿色表示启动。
本设计中按钮M1-SB1为急停按钮，红色；
M1-SB2和M2-SB1选择按钮的颜色为绿色,按钮M1-SB3、M2-SB2选择的颜色为红色。
三、PMC程序的设计
3.1FANUC系统、可编程控制器PLC的简介
FANUC系统是日本富士通公司的产品，通常其中文译名为发那科。
FANUC系统进入中国市场有非常悠久的历史，有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有FANUC0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。
在这些型号中，使用最为广泛的是FANUC0系列。
系统在设计中大量采用模块化结构。
这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。
FANUC系统设计了比较健全的自我保护电路。
PMC信号和PMC功能指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。
系统提供串行RS232C接口，以太网接口，能够完成PC和机床之间的数据传输。
FANUC系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本统一的操作界面。
FANUC系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。
鉴于前述的特点，FANUC系统拥有广泛的客户，使用该系统的操作员队伍十分庞大。
PLC（ProgrammableLogicController）可编程程序控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
PLC的工作原理是用触点和线圈实现逻辑运算。
FANUC数控系统将PLC记为PMC,称作可编程机床控制器，即专门用于控制机床的PLC。
目前FANUC系统中的PLC均为内装型PMC。
CNC侧包括CNC的硬件和软件；
MT侧包括机床机械部分、机床辅助装置、机床操纵台、机床强电电路等。
PMC处于CNC侧和MT侧之间，对CNC侧和MT侧的输入、输出信号进行处理。
PMC、CNC侧和MT侧三者之间的信息交换包换如下4部分：
MT侧至PMC；
PMC至MT侧；
CNC至PMC；
PMC至CNC侧。
PMC地址的规定如下。
X：
由机床至PMC的输入信号（MT→PLC）
Y：
由PMC至机床的输出信号（PMC→MT）
F：
由CNC至PLC的输入信号（CNC→PLC）
G：
由PMC至CNC的输出信号（PMC→CNC）
R：
内部继电器
D：
非易失性存储器
3.2PMC的基本指令、功能指令
PMC的指令有两种：
基本指令和功能指令两种指令。
在设计顺序程序时，使用最多的是基本指令。
由于数控机床执行执行顺序逻辑往往较为复杂，仅使用基本指令编程会十分困难或规模庞大，因此必须借助功能指令以简化程序。
PMC的基本指令、功能指令见表3－1、表3－2。
表3－1基本指令表
No.
指令
处理内容
1
RD
读出指定信号状态,在一个梯级开始的触点是常开触点时使用
2
RD.NOT
读出指定信号的“非”状态,在一个梯级开始的触点是常闭触点时使用
3
WRT
将运算结果写入到指定的地址
4
WRT.NOT
将运算结果的“非”状态写入到指定的地址
5
AND
执行触点逻辑“与”操作
6
AND.NOT
以指定信号的“非”状态进行逻辑“与”操作
7
OR
执行触点逻辑“或”操作
8
OR.NOT
以指定信号的“非”状态进行逻辑“或”操作
9
RD.STK
电路块的起始读信号，指定信号
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