数控机床课程设计.docx

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数控机床课程设计

摘要

数控技术发展飞速的今天，数控技术在现代制造业发挥越来越重要的作用，数控机床是数控制造业的核心，本文主要介绍了对数控车床的电气系统设计的过程。

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。

关键词：

数控系统；数控车床；主电路；控制电路；PLC控制；电气原理图

ABSTRACT

Thenumericalcontrolsthatthetechniquedevelopmentfasttoday,thenumericalcontrolstechniqueatthemodernmanufacturingindustryexertivemoreandmoreimportancefunction,numericalcontroltoolmachineisnumbercontrolamanufacturingindustryofcore,thistextmainlyintroducedlogarithmstocontroltheprocessedthattheelectricitysystemoflatherdesign.

CK6140NClathe,astoit'stheelectricitysystemdesignmakeisimportant,itscontentsincludesastrongelectricallydesign,weaknessdesign,PLCimportationoutputandInterfacedesign,drawtheelectricitysystemprinciplediagramofathewholetoolmachineetc..

Thisprinciplediagramwhichdesignstothewholetoolmachinedrawsprocessandthepointpartsofmoldpieceturnandcomparedtoindetailintroduceeachfunctionanduseofpart.Isdividedintothe380Vsstrongelectricitybacktrack,controlbacktrack,thePLCimportationoutputsacontrol,theprincipalaxisdrivesamoldpieceandenterstoservodriveamoldpiece,andintroducedrelatedelectronicknowledge.

Throughthisdesignsystemcanbasicallycontrolnumericalcontroltheelectricityprincipleoflather,andbasicelectroniccommonsense,makethereaderregardlesscanunderstandnumericalcontrolthelatherrelatedseriesofelectricityknowledgefromwhollythetopstilleachmoldpiece.

KeyWords：

NCsystem;NClathe;Maincircuit;Controlcircuit;PLCcontrol;Electricprinciplecharts

第一章绪论2

1.1引言2

1.2数控机床概述2

1.3数控车床主简介4

第二章数控车床的基本组成和工作原理5

2.1数控车床组成5

2.2数控车床工作原理6

2.3数控车床运动分析6

2.4数控车床电气系统简述7

第三章数控车床主轴驱动系统9

3.1主轴驱动系统概述9

3.2变频器电动机主轴驱动装置10

第四章数控车床进给伺服系统设计14

4.1机床进给伺服系统概述14

4.2进给伺服系统的选型与控制原理14

4.3伺服电机的选型15

第五章数控车床辅助系统设计19

5.1数控车床辅助系统概述19

5.2刀架传动系统19

第六章数控车床控制界面设计21

6.1VB设计优点21

6.2数控车床控制面板概述21

第七章数控车床控制器的设计24

7.1数控控制器概述24

7.2PLC选型及I/O接线图25

7.3PLC程序设计26

第八章结论28

参考文献29

第一章

绪论

1.1引言

随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，中、小批量的生产越来越多。

在机械、军工、航空工业，中、小批零件的生产几乎占产品数量75%－80%，而且零件外形越来越复杂，精度要求也越来越高。

传统的机床己不能满足要求，柔性加工的重要性更加突出，数控技术相关装备的需求日益增大。

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：

（1）机械制造技术；

（2）信息处理、加工、传输技术；

（3）自动控制技术；

（4）伺服驱动技术；

（5）传感器技术；

（6）软件技术等。

1.2数控机床概述

数字控制（NumericalControl缩写为NC）简称为数控，是指用数字指令来控制一台或多台设备的动作。

它所控制对象有以下几种：

1、动作顺序的程序控制。

2、主轴、坐标进给速度、更换刀具、开闭冷却液等辅助功能控制。

3、有关部件位移量和相对位置关系的坐标控制。

数控技术是与机床的控制密切结合而发展起来的，通常把采用数控装置来实现自动化和高效率加工的机床统称为数控机床。

在实现加工合理化及高效率方面，数控机床与普通机床相比具有许多优势，它突出地表现为:

1、数控加工是用机械加工多品种，小批量生产的一种自动化手段。

自动化程度高、加工速度快是数控机床的突出特点。

2、数控加工能保持加工条件不变，而使产品质量稳定。

由于加工所的条件（吃刀深度、进给量、主轴转速、刀具等）都己事先由指令规定，所以无论由谁操作都能得到同一加工质量。

3、数控加工极大地提高外形复杂零件的加工效率和加工精度。

4、通过数控加工的零件，由于提高了工件与基准面相关尺寸的加工精度，有可能大大提高零件装配的互换性，而提高装配质量和效率。

5、由于加工时间固定，有利于管理，更进一步促使加工定量化，以达到生产管理的合理化、标准化。

这为实现计算机管理生产乃至建立计算机集成制造系统都打下了坚实的基础。

6、由于操作技术被数据化后，熟练工人就可以减少。

7、可以大幅度减少人为的操作失误，而降低废次品率。

可以不间断地连续加工，从而缩短了加工周期.由于工夹具的标准化，减少了工夹具的需用量。

正是由于数控机床的这些特点，从本世纪五十年代以来，随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，数控机床也在迅速发展和演变。

世界上的第一台数控机床是由美国在五十年代开发研制的，使用电子管元件，体积庞大。

到六十年代，由于半导体晶体管的开发应用，数控系统的可靠性提高、价格下降。

七十年代随着中小规模集成电路的应用并伴随着纸带传输系统的出现，大大提高了机床的加工效率及使用的灵活性，也使数控机床日趋完善。

八十年代以来，微处理器的发展与应用，数控技术也迎来了计算机数字控制（ComputerNumericalControl缩写为CNC）时代，随着微处理器的运算速度的不断提高，数控机床的功能和应用范围也在不断的发展与扩大。

从这些年数控机床的发展可以看出，它正向着高精度、多功能、高速化。

1、高精度化

当代工业产品对精度的要求越来越高，近十年来，普通数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密加工中心则从3～5μm提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

超精密加工机床在向更高精度（纳米级）发展的同时，也向高效率、和大型化发展。

与之相适应，在计算机技术发展的推动下，各种加工精度补偿技术得到了应用和发展，机床结构材料也开始普遍采用各种性能稳定、温度影响小的新型材料，如:

花岗岩、精密陶瓷等，使得数控机床的各项精度越来越高。

2、高速度化

提高生产效率是机床技术发展的永恒主题，这也表现在提高机床主轴的转速上。

中等规格的机加中心的最高转速为4000-6000rpm，到了九十年代，则达到8000-12000rpm;另一方面，坐标轴的快速移动速度的提高，换刀时间和托盘交换时间等非切削时间的缩短，也使机床的加工效率大幅提高。

3、高柔性化

当代产品的多样化和个性化，对机床提出了更高的柔性加工要求。

如铣削加工中心可以铣削、钻孔、攻丝等。

这种将各种加工功能在一台机床上进行集成，均是为了在一台机床上实现一次装夹就能完成对零件的不同加工要求，这充分展示了机床加工的柔性，并有利于提高加工精度。

4、高自动化

自动化是指在全部加工过程中，减少“人”的介入，而能自动地完成规定的任务。

传统的自动化往往与大批量生产联系在一起，使用大量的专用设备和组合机床。

而目前可以通过数控机床和机械加工中心，既可在大批量生产中实现自动化，也可在小批量、多品种产品生产中实现自动化加工。

5、造型宜人化

好的数控机床不仅功能齐全、操作安全可靠、性能良好，而且要成为外观宜人和符合操作人体学的一件艺术品。

6、操作简单化

从LED显示到TFT液晶显示，操作从按大量按钮到菜单选择甚至对话框操作使操作越来越简单，显示信息越来越多、越来越明快。

7、高可靠性

大规模集成电路及计算机的应用，使得数控机床越来越可靠。

同时，数控机床的这些特点也使得机床的数控化不仅从传统的铣、锉、车、钻一类切削机床，日益广泛地向磨床、压力机等塑性加工机床、绘图机、气割机等特殊加工设备方面发展,也向柔性制造系统（FMS），高速机床、专业机床发展。

应用范围日益扩大。

但是，数控机床毕竟是一种高自动化的设备，技术复杂、成本较高，从其使用的经济效益出发，在目前阶段，特别是在我国，仍多用于精度高、形状复杂的批量零件的加工。

相信在不远的将来，随着数控技术的发展，以数控机床为核心的柔性制造系统、无人工厂必将逐步取代现有的生产模式，成为机加行业的主导力量。

1.3数控车床主简介

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）主控制系统为S7-200。

（6）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。

第二章

数控车床的基本组成和工作原理

2.1数控车床组成

数控车床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CNC单元）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量反馈装置组成。

如下图是数控车床的组成框图。

1、机床本体

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。

但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化，这种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。

图2-1数控机床

⑵、CNC单元

CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。

CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。

⑶输入/输出设备

输入装置将各种加工信息传递于计算机的外部设备。

在数控机床产生初期，输入装置为穿孔纸带，现已淘汰，后发展成盒式磁带，再发展成键盘、磁盘等便携式硬件，极大方便了信息输入工作，现通用DNC网络通讯串行通信的方式输入。

输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。

⑷伺服单元

伺服单元由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。

它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。

对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。

每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。

⑸驱动装置

驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。

和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。

伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。

⑹可编程控制器

可编程控制器（PC，ProgrammableController）是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。

由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制，故把称它为可编程逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicController）。

当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器（PMC，ProgrammableMachineController）。

PLC己成为数控机床不可缺少的控制装置。

CNC和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。

⑺测量反馈装置

测量装置也称反馈元件，包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。

通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。

2.2数控车床工作原理

使用数控机床时，首先要将被加工零件图纸的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序;然后将加工程序输入到数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理、分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。

2.3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。

主运动传动由交流主轴电动机配备变频器实现无级变速调速。

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、尾座

数控车床尾座一般是在加工时对工件起辅助支撑作用，它由尾座体和尾座套筒两部分组成。

尾座体可在床身上移动和固定。

尾座套筒前安装顶针，套筒可以自动伸出和缩回，实现顶尖对工件的支撑作用。

2.4数控车床电气系统简述

数控卧式车床的电气控制系统是由CNC主控制装置、交流伺服驱动系统、主轴系统、强电控制部分等构成。

CNC主控制装置以及伺服驱动装置，采用德国SIEMENS公司的产品，使机床性能价格比十分优越；主轴系统采用日本三菱D700变频器主轴变速，方便灵活。

（1）机床电气容量及要求

电源总容量：

24KVA

满载电流：

34A

电源总熔断电流：

40A

防护等级：

IP54

（2）机床电气主要技术要求

机床供电电源要求采用三相四线制，380V50Hz交流电。

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采用不小于6mm2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R<10Ω。

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的连线分开，分别接在五线制中的PE和N端子上。

电网电压：

交流380V（±10%）

电网频率：

50Hz（±1Hz）

工作环境温度：

5～40度

相对湿度：

25°时80%

（3）机床电气的构成

1）数控系统CNC

德国SIEMENS公司：

S7-200

2）伺服驱动装置及伺服电动机

X轴：

β-SVM1-20伺服驱动装置aC12/2000伺服电动机

Z轴：

β-SVM1-20伺服驱动装置aC12/2000伺服电动机

本伺服电动机配有绝对值编码器，在加工过程中有断电保护功能

X轴：

理论最大进给速度6000m/min。

Z轴：

理论最大进给速度8000m/min。

3）强电控制单元

主轴电动机M1：

7.5KW1000r/min变频电动机

刀台电动机M2：

0.18KW1500r/min

控制变压器TC1：

交流380V/220V/24V/26V/28V630VA。

主要为控制回路提供220V电源；为整流桥提供26V交流电源；为稳压电源GS1提供220V交流输入

稳压电源GS1：

为控制回路提供稳定的220V交流。

控制变压器TC2：

交流380V/220V2200VA。

主要为稳压电源GS2、伺服驱动装置和伺服电动机提供220V交流。

稳压电源GS2：

主要为CNC装置、LCD/MDI、I/OLINK、PLCI/O、伺服驱动装置等提供24V稳定的直流电源。

接触器构成该车床电气输出执行元件；继电器构成该车床电气输出放大元件；各种压力开关、防护开关、脚踏开关、按钮等构成该车床电气输入元件。

第三章

数控车床主轴驱动系统

3.1主轴驱动系统概述

主轴驱动系统包括主轴驱动装置和主轴电动机。

主轴驱动系统分为直流驱动系统和交流驱动系统。

目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动控制的方式。

本次课程设计数控车床主轴驱动系统采用交流主轴电动机配备变频器控制的方式。

3.1.1主轴电动机

主轴驱动部分是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统（CNC）的S代码速度指令及M代码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。

在数控机床上，同样由主轴夹持工件或刀具旋转，直接参加表面成形运动。

主运动的最高与最低转速、转速范围、传递功率和动力特性，决定了数控机床的切削加工效率和加工工艺能力。

主轴组件的回转精度、刚度、抗振性和热变形，直接影响加工零件的尺寸、位置精度和表面质量。

3.1.2主轴电动机选型的要求：

一般要求

1.调速为了适应不同工件材料及刀具等各种切削工艺要求，主轴必须具有一定的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。

调速范围的指标，主要由各种加工工艺对主轴最低速与最高速的要求来确定。

2.功率要求主轴有足够的驱动功率或输出扭矩，能在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或转矩，特别是满足机床强力切削时的要求。

并且有一定的过载能力和较硬的调速机械特性，即在负载变化的情况下（如断续切削时），电动机转速波动较小。

即要求在大力矩、强过载能力的基础上实现宽范围无级变速

3.精度这里主要指主轴回转精度。

并具有足够的刚度和抗振性，具在较好的热稳定性，即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小。

4.动态响应性要求主轴升降速时间短，调速时运转平稳。

对有的机床需同时能实现正反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制，即要求有四象限驱动能力。

3.1.3主轴电动机选型

查机电一体化手册车削功率在5-8kw之间根据切削功率PC与主传动链的总效率η估算,即P=

。

主传动链的功率效率η=0.7—0.85，数控车床多采用调速电动机和较短的机械传动链，效率较大，因此取

=0.78,则估计P在6.41kw~10.25kw.之间。

数控车床的加工范围一般都比较大，切削功率PC可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力

PC=

KW

---主切削力的切向分力，N；

---切削速度N••

；

查金属切削手册知，以硬质合金刀具车削合金结构钢为例，数控车床有代表型的主切削力的切向分力

大约在2500左右，切削速度取90—250r/min，则知道

PC=2500

120/60000=5kw

P=

=6.4kw

考虑到空转运转的功率损失，如各传动件在空转运行时的摩损功耗，传动件的搅油和克服空气阻力功率以及其其它动载荷的摩擦损耗等。

CK6140数控车床床是中等规格数控车床，参照国内外同类机床的电动机功率，此机床可以选取7.5kw的电动机，考虑到数控机床变速范围比较大，选用交流变频电动机TLD12-YVP112，标称功率7.5kw，额定转矩60N•m。

3.2变频器电动机主轴驱动装置

3.2.1三菱D700主轴驱动装置

主轴系统主要由主轴驱动装置及主轴电动机组成。

三菱D700变频器作为主轴驱动装置。

本机床采用通用变频器作为主轴驱动装置。

（1）变频器的工作原理：

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。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

（2）变频器的调速：

基于调速方便、节能、运行可靠的优点，变频调速器已逐渐替代传统的变极调速、电磁调速和调压调速方式。

在推出PWM磁通矢量控制的