数控铣床伺服控制系统设计Word文档下载推荐.docx
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自1952年第一台数控机床在美国研制成功，数控设备已经逐渐占据了生产制造方面的重要地位。
数控机床具有加工精度高、产品质量稳定、高效简洁的加工方式、适用面广等优点。
目前数控机床可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控冲床和加工中心等。
本文主要对数控铣床的伺服系统进行设计研究。
数控铣床是利用数字化技术控制机床，以铣刀的旋转运动为主运动，刀具与工件之间的移动为进给运动。
可以完成对平面、沟槽、轮齿、螺纹和复杂型面的加工。
具有较强的灵活性、可以加工较为复杂的零件、加工精度高质量好、生产自动化程度高等优点。
1.2数控铣床系统的选用
目前社会常见的数控系统主要类型有以下几种：
（1）国产系统
国内主流数控系统为华中数控系统，但它一般应用与数控铣床方面。
如HNC—21T操作面板等；
广州数控系统，如GSK928T、GSK980T操作面板等；
北京航天数控系统，如CASNUC2100等。
（2）FANUC数控系统
FANUC数控系统由日本富士通公司研制开发，目前在我国得到了广泛的应用。
我国制造方面所广泛使用的FANUC数控系统是０系统以及０i系统。
（3）SIEMENS数控系统
德国的西门子公司研究发明了SIEMENS数控系统，SIEMENS系统在我国机械制造行业使用也较为广泛。
目前，在我国市场上，常用的数控系统除SINUMERIK840D／C和SINUMERIK840D／M等。
此外还有西班牙FAOGO公司生产的8010、8050和美国ALLEN-Brady公司的B8400、B600MT/TC、B8600AT900、B8600/WS等数控装置系统。
我们对FANUC、SIEMENS、华中等系统的调研、比较，决定本次毕业设计伺服系统的控制将采用FANUCOiMateTC系统。
据调研FANUCOiMateTC系统有以下的一些优点。
（1）FANUC系统的功能全面，且可以适用于很多方面。
（2）FANUC数控系统具有优质可靠的技术服务的优点。
（3）FANUC数控系统具有较好的自我保护措施。
（4）FANUC数控系统PMC功能指令与信号全面，这些指令可以使我们在编
写PMC程序更加容易，并且它的人机操作界面简单易用。
（5）FANUC数控系统具有很强的DNC功能。
通过串行RS232C接口让计算机与机床之间更快、更可靠的传输数据。
（6）FANUC数控系统具有自我诊断的功能以及给予了大量报警维修信息。
FANUCOiMateTC维修手册为用户将大量的报警信息进行了分门别类。
第二章数控铣床系统概述
2.1数控铣床主要技术参数
数控铣床主要技术参数包括数控铣床本身主要参数和数控系统主要参数，参数的作用和类型和作用参见表2.1。
在数控编程和数控铣削加工时应了解数控铣床技术参数，具体有主轴锥孔度、最大铣削距离、各坐标轴行程、主轴转速范围、铣削进给速度范围、定位精度、重复定位精度等技术参数。
表2.1数控铣床主要技术参数
名称
单位
数据
行程
X轴行程
mm
600
Y轴行程
410
Z轴行程
510
主轴端面至工作台面距离
125-635
工作台中心至立柱导轨面距离
220-630
工作台
工作台面积
800x400
工作台最大承重
kg
500
T型槽槽宽
3x18H8
主轴
主轴最高转速
rpm
8000
主轴孔锥度
-
BT-40
进给率
X/Y/Z轴快速位移
m/min
10/10/8
最大切削进给率
5
电机
主轴电机
Kw
5.5/7.5
X/Y/Z电机
Nm
11/11/16
冷泵电机
w
90
精度（直线轴精度参照JB/T8772.4-1998标准）
定位精度
X/Z：
0.016，Y：
0.014
重复定位精度
0.01,Y:
0.008
2.2数控铣床的组成及工作原理
2.2.1数控铣床的组成
数控铣床主要由床身、铣头、纵向工作台、横向床鞍、升降台、电气控制系统等组成。
能够完成基本的铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环等工作，可加工各种形状复杂的凸轮、样板及模具零件等。
数控铣床的床身固定在底座上，用于安装和支承机床各部件，控制台上有彩色液晶显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。
纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动，完成X、Y、Z坐标的进给。
电器柜安装在床身立柱的后面，其中装有电器控制部分。
图2.1数控铣床
（1）输入装置
数控铣床运行按照程序的编程人员所编制的程序去顶，通常程序员将处理特定的格式或代码存储在载体上，然后通过输入设备输入到数控铣床的数控设备。
（2）数控装置
铣床的核心是数控装置，一般由输入、输出设备、、存储器、控制器、运算器、I/O接口等相关部分组成。
它将输入装置输入的数据，通过内部的控制电路、逻辑电路和控制器等进行编译，数学运算和处理后，然后输出指令和信号控制不同部分运动进行加工。
（3）伺服系统
伺服系统时实现机床轴运动（主轴、进给运动，位置控制等）的主要系统以位置为控制目标的自动控制系统。
接收数控装置输出的各种信号经过分配、放大和转换等功能，驱动各个运动部件，完成零件的切削加工。
它的伺服精度和动态响应是影响数控铣床的加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。
（4）位置检测反馈装置
位置检测、速度反馈装置根据系统需求确定移动部件的位置或速度不断转化为电信号传输到数控设备，数控设备将接收信号与目标信号相比、计算，然后不断地补偿控制驱动系统，以保证运动部件的运动精度。
（5）床身
数控铣床的床身主要由夹具、床身、导轨、立柱、T型槽、工作台等组成。
这些部分的设计和制造应具备结构先进、刚性好、制造精度高、工作可靠的优点，以此保证加工工件的高精度和高效率。
2.2.2数控铣床的工作原理
数控铣床是一种高度自动化的机床，是用数字化的信息来实现自动化控制的，将与加工零件有关的信息即工件与刀具相对运动轨迹尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸）、铣削加工的工艺参数，以及各种辅助操作（主运动变速、刀具更换、切削液打开停止、工件加紧松开等）等加工信息——用一定的文字、数字和符号组成的代码，按规定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自行自动加工。
机床MT侧与CNC、PLC信号传输如图。
P
L
C
M
T
Y
N
G
X
F
MT与CNC、PLC信号传输
数控铣床工作过程
2.3数控铣床的伺服系统
2.3．1数控铣床伺服系统的基本概念及组成
一、伺服系统的基本概念
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，主要是各坐标轴进给驱动的位置控制系统。
它可以接受来自CNC装置的进给脉冲，通过转换和放大从而驱动各坐标轴进行指令脉冲运动。
使得刀具相对于工件进行复杂的机械运动，进而加工出复杂的工件。
它是数控机床的重要组成部分。
二、伺服系统组成
一般由两个控制环组成的双闭环系统，内环是速度环，在速度环中用作速度反馈的检测为脉冲编码器、测速发电机等。
外环是位置环。
主要对机床运动坐标轴进行控制
三、伺服系统分类
按有无检测元件可分为开环、闭环、半闭环伺服驱动系统。
按执行元件可分为步进驱动系统、直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统。
按反馈比较控制方式分为脉冲（数字）比较伺服驱动系统、相位比较伺服驱动系统、幅值比较伺服驱动系统等分类方法。
2．3.2数控铣床对伺服系统要求
（1）精度高。
（2）稳定性好。
（3）快速响应。
（4）调节范围宽。
（5）低速大转矩。
第三章数控铣床伺服控制系统电气控制电路设计
3.1电源电路设计（D1）
电源电路如图3.1所示，其中电源供给380V50HZ的交流电；
QF1为电源的总断路器，保护电源；
QF2，QF3为主电机的驱动电源电路短路，过载保护；
TC1是控制变压器，一次侧是AC380V，二次侧为AC220V，为接触器供给电源；
VC1为电源开关，为伺服控制电源，机床I/O接口，CNC，中间继电器提供直流DC24V电源。
电源电路的设计主要是为整个电路提供短路和过载保护，另一方面是为伺服控制系统提供直流电源。
图3.1电源电路电气图
3.2伺服控制电路的设计（K1）
伺服控制电路如图3.2所示，K1为伺服交流接触器；
TC1为伺服变压器，一次侧是三相AC380V，二次侧是三相AC200V；
QM1伺服动力电源保护开关，它的辅助触点输入到PLC中做其状态信号；
K2是伺服单元的接触器；
Z1为灭弧器。
伺服单元中，外部24V直流稳压电源连接到X轴的CX19B，X轴的CX19A连接到Y轴的CX19B，Y轴的CX19A连接到Z轴的CX19B。
做伺服单元的控制电路的输入电源；
CX29为主电源控制信号接口；
CZ7-3为伺服电动机的动力接线口；
JF1连接到相应的伺服电动机M1\M2\M3内装编码器的接口上，做X轴、Y轴、Z轴的速度和位置的反馈装置的信号控制；
X轴伺服单元的伺服高速串行总线接口COP10A与Y轴的COP10B连接，Y轴的COP10A与Z轴的COP10B相连；
CX30为急停信号接口；
K2为急停继电器。
伺服控制电路的设计主要控制了X轴、Y轴、Z轴的进给和速度控制，控制了X轴、Y轴、Z轴的回参，快移等动作，整个伺服单元接通三相交流电源200V，50/60Hz。
图3.2伺服控制电路电气图
3.3强电控制电路的设计（M1）
强电控制电路如图3.3所示，当未压下急停按钮SB1或X/Z轴超程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4时，K2接通，打开电源钥匙开关SA1，接通中间接触器K1，AC220V上电，接通伺服动力电源接触器K1-K1，SB2、SB3为CNC接通/断开按钮，K3继电器控制CNC上电，通电顺序为先接通伺服单元，在接通CNC，断电顺序相反，Z1、Z2为灭弧器，强点控制电路的设计主要是控制伺服单元与CNC的连接以及CNC的起动/停止。
图3.3强电控制电路电气图
3.4PLC的I/O接口分配
本设计所采用的PLC属于单体控制系统，它没有其他特别的控制要求，一共有12个开关量，开关量输出触点数有2个，输入、输出触点共有12个，只需选用一般中小型可编程控制器即可。
3.4.1PLC输入电路的设计（M2）
PLC输出电路如图3.4所示，按下急停按钮时或超程时发出急停信号M1-K2，机床立即停止运动，SB5、SB6、SB7、SB8、SB9为进给点动和快移按钮，按下其中一个方向键时相应的轴拖板移动，同时按下快移键和一个方向键时轴拖板则快速移动。
SQ1、SQ2为基准点行程开关，伺服断路器K1-QM1的辅助触点接入PLC进行控制，PLC输入电路的设计主要是控制了伺服单元与PLC的连接以及PLC对机床X轴、Y轴、Z轴的点动和快移的信号控制。
图3.4PLC输入电路
3.4.2PLC输出电路的设计（M3）
PLC输出电路如图3.5所示，PLC输出信号主要有X轴、Y轴和Z轴的基准点灯的输出信号。
PLC的输出电路的设计主要是PLC和机床信号之间的相互转换以及相互控制。
图3.5PLC输出电路
第四章数控铣床伺服控制系统的电气元件选择
4.1接触器的选择
1）交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器，如果主要是交流负载的控制系统，而直流电机或直流负载容量很小，也可以选择交流接触器控制，但触点的额定电流要更大。
2）选择接触器主触头的额定电压：
应等于或大于负载的额定电压。
3）选择接触器主触头的额定电流：
被选用接触器主触头的额定电流应不小于负载电路的额定电流。
也可根据所控制的电动机最大功率进行选择。
如果接触器是用来控制电动机的频繁启动、正反或反接制动等场合，应将接触器的主触头额定电流降低使用，一般可降低一个等级。
在本次设计中，因额定电流为2A，控制回路电源为200V，所以M1-K1需要的主触点为三对，辅助常开触点两对，所以选用接触器M1-K1，主触点额定电流为5A，线圈电压为200V；
因额定电流为4A，控制回路电源为220V，因此M1-K2需要的主触点为三对，辅助常开触点两对，故选用接触器M1-K2，主触点额定电流为5A，线圈额定电压为200V。
4.2继电器的选择
继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开控制电路，实现控制目的的电器。
继电器的输入信号可以是电流、电压等电学量，也可以是温度、时间、压力等非电量，而输出通常是触头的动作。
因额定电流为4A，控制回路电源为24V，所以M1-K3需要的主触点为三对，辅助常开触点两对，所以选用继电器M1-K3，主触点额定电流为5A，线圈电压为24V；
同理，M1-K4、M1-K5与M1-K3等继电器的参数相同。
4.3控制变压器的选择
控制变压器和普通变压器原理没有区别.只是用途不同.控制变压器:
用途广泛,可做升压,亦可做降压用。
变压器的工作原理是用电磁感应原理工作的。
变压器有两组线圈。
初级线圈和次级线圈。
次级线圈在初级线圈外边。
当初级线圈通上交流电时，变压器铁芯产生交变磁场，次级线圈就产生感应电动势。
变压器的线圈的匝数比等于电压比。
例如：
初级线圈是500匝，次级线圈是250匝，初级通上220V交流电，次级电压就是110V。
变压器能降压也能升压。
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。
本设计中选择的接触器、继电器一般功率12W，系统输入输出小于500W,由于本设计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=（500+12×
4）×
1.2=630VA
因此控制变压器D1-TC1的容量选择为630VA。
设计中的控制变压器K1-TC1的容量为：
P=（500+12×
1.5=1000VA
因此控制变压器K1-TC1的容量选择为1000VA。
4.4基准点灯的选择
基准点灯HL1、HL2和HL3都选择ZSD—0型，6.3V，0.25A，且都为绿色
4.5按钮的选择
根据需要的触点数目、动作要求、使用场合、颜色等对按钮进行选择，在本设计中，急停按钮M1-SB1选择LA18型按钮，其颜色为红色；
八个起动按钮选择LA18型按钮，其颜色为黑色；
一个停止按钮SB3选择LA18型按钮，颜色为红色。
4.6行程开关的选择
行程开关又叫做位置开关或者是限位开关，其作用是将机械信号转化成电信号，使电动机运行状态发生改变，控制机械运动或者实现安全保护。
行程开关一般根据机械位置对开关的要求和控制对象对开关触点数目的要求进行选择。
在本次设计中，行程开关工作电压为直流DC24V，工作电流为4A，故行程开关M1—SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、M2—SQ1、SQ2均选用LX32—1QS型行程开关。
4.7直流稳压电源的选择
直流稳压电源的作用是将非稳定交流电源变成稳定直流电源，根据电源输出电压路数、电源的尺寸及环境条件因素对直流稳压电源进行选择，本次设计中，系统电源为直流24V，输出功率为500W，输出电压路数为单路，所以直流稳压电源VC选用SDA—500W-24型稳压电源。
4.8断路器的选择
4.8.1断路器的简介
断路器也称自动空气开关，用作于电动机和其他用电设备的电路中，一般情况下，可以分断和接通工作电流。
当电路发生过载、短路、失压等情况是能自动切断故障电路，保护串接与断路器后面的电气设备，还可以用于不频繁地接通、分断负荷的电路，控制电动机的运行及停止，功能类似于闸刀开关、过电流继电器、热继电器、漏电保护电器等部分或者是全部功能的总和。
断路器主要由触点系统与灭弧装置、脱扣器、操作机构与脱扣机构三部分组成。
（1）触电系统与灭弧装置
触点系统用于接通和分断主电路，为加强电路的灭弧的能力，在主触点处加有灭弧装置。
（2）脱扣器
脱扣器是断路器的感测元件，包括过流、过载、欠压以及热脱扣器等类型。
当电路出现故障时，脱扣器收到信号工作，经脱扣机构动作，触点分离。
（3）操作机构与脱扣机构
操作机构与脱扣机构是断路器的机械传动机构，当脱扣机构收到信号后由断路器切断电路。
4.8.2主要技术参数
（1）额定电压：
断路器长期工作时和分断后能够耐受的电压，其量值一般等于或大于电气设备的额定电压。
（2）额定电流：
断路器能长期通过的电流，它决定于断路器各部分长期工作时的容许温升。
（3）额定短路分断能力：
断路器在故障条件下能可靠的分断最大短路电流，它是断路器的主要技术指标之一。
4.8.3断路器的选择
对于单台直接起动步进伺服电动机，应按照下面公式计算
I
=（1.5～2.5）I
式中I
--------脱扣器的额定电流
----------电动机的额定电流。
对于多台直接起动步进伺服电动机，应按照下面公式计算
+∑I
式中I
------功率最大的一台电动机的额定电流；
∑I
--------其余电动机的额定电流之和。
数控铣床采用三相交流380V50HZ的电流，额定电流约为10.5A。
计算断路器D1-QF1的额定电流为：
I=10.5×
1.5=15.8A
故D1-QF1选用额定电流为20A的DZ47-60（C）型断路器。
计算断路器D1-QF2的额定电流为：
I=（150÷
380）×
1.5=0.6A
故D1-QF2选用额定电流为2A的DZ47-60（C）型断路器。
根据上述电气元件的选择，可列出数控铣床伺服控制系统的电气元件明细表，见表4.1。
表4.1数控铣床伺服控制系统的电气元件明细表
序号
符号
型号
规格
数量
1
K1,K2
交流接触器
CJ20-40
5A，线圈电压200V
2
K3、K4、K5
继电器
JZ7-44
5A，线圈电压24V
1
3
D1-TC1
控制变压器
BK-100
630VA,380V/127、36、6.3V
4
K1-TC1
1000VA,380V/127、36、6.3V
HL1、HL2、HL3
基准点灯
ZSD-0
6.3V，绿色
6
SB1
急停按钮
LA18
5A，红色
7
SB2、S
升级会员 