CK6150数控车床的电气操纵系统的设计.docx

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CK6150数控车床的电气操纵系统的设计

阿

2009届毕业生

毕业论文

题目:

CK6150数控车床的电气操纵系统的设计

2012年06月10日

摘要

数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平。

伺服系统作为数控机床关键功能部件，它的特性一直是影响数控机床加工性能的重要指标。

伺服系统是自动控制系统的一个分支，通常采用闭环控制结构来控制被控对象的某中状态，使其能自动、连续、精确的复现输入信号的变化规律。

其中交流伺服系统是数控机床的主流伺服系统。

在数控产品应用广泛。

同时，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。

它是工业控制的核心部分。

PLC（可编程逻辑控制器），一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

随着PLC技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。

在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重。

PLC在数控车床中的具体应用于车床的辅助功能控制。

本文主要讲以采用西门子S7-200型PLC和西门子611A伺服驱动来完成CK6150数控车床的辅助控制功能。

关键词：

数控技术；交流伺服系统；可编程逻辑控制器；辅助控制功能

CK6150designofelectriccontrolsystemofNClathe

Abstract

Numericalcontroltechnologyisthebasisformachineautomation,isthecoretechnologyofnumericalcontrolmachinetool,itsstrategicpositionandStatelevelsrelatedtothenationallevelofcomprehensivenationalstrength.KeyfeaturesasaCNCmachinetoolservosystem,itscharacteristicshavebeeninfluencingtheperformanceofCNCmachinetoolkeyindicators.Isabranchoftheautomaticcontrolsystemofservosystem,typicallyuseclosed-loopcontrolstructuretocontrolthecontrolledobjectinaState,enablingittoautomatic,continuous,accuratereproductionoftheinputsignalchanges.MainstreamliftingisACservosystemofCNCmachinetoolservosystem.CNCproductswidely.Atthesametime,PLCapplicationinindustrycontrolfieldmoreandmorewidespread,itcontrolperformanceandhardwarecosts,andsoisthecomprehensiveadvantagesofotherindustrialproductsisdifficulttocomparewith.Itisacorepartoftheindustrialcontrol.PLC（programmablelogiccontroller）,adigitalelectronicsystemofarithmeticoperations,anddesignedspecificallyforapplicationinindustrialenvironments.Itusesaprogrammablememoryforitsinternalstoredprocedures,andperformlogicaloperations,ordercontrol,timing,countingandarithmeticoperations,suchasuser-orientedinstruction,throughdigitaloranalogueinput/outputcontrolofvarioustypesofmachineryorproductionprocesses.WiththedevelopmentofPLCtechnology,whichintermsofpositioncontrol,processcontrol,dataprocessingapplicationsmoreandmore.Inthecourseofpracticaldesignandproductionofmachinetools,inordertoimprovetheprecisionofnumericalcontrolmachinetool,foritsselectionofpositioningcontroldeviceisparticularlyheavy.ApplicationofPLCinnumericalcontrollatheintheaccessibilityofthelathecontrol.ThisarticlefocusedontheuseofSiemensS7-200Siemens611A-PLCandservodrivetocompletetheCK6150CNClathecontrolfunction.

Keywords:

CNCtechnology；　ACservosystems；　Programmablelogiccontrollers；Secondarycontrolfunctions

目次

1绪论……………………………………………………………………………………………………4

2CK6150数控车床的主要简介……………………………………………………………………6

CK6150数控车床的基本组成………………………………………………………………6

CK6150数控车床的技术参数………………………………………………………………6

CK6150数控车床控制要求简述……………………………………………………………7

3CK6150数控车床的伺服驱动系统……………………………………………………………9

CK6150数控车床伺服驱动装置………………………………………………………………9

数控车床对进给伺服系统的要求……………………………………………………10

4CK6150数控车床的控制电路工作原理………………………………………………………11

CK6150数控车床的主控制电路………………………………………………………………11

CK6150数控车床CNC接口和控制电路……………………………………………………11

CK6150数控车床的PLC控制电路………………………………………………………13

5可编程控制器在CK6150数控车床的辅助控制功能的设计……………………………16

可编程控制器的概述……………………………………………………………………16

可编程控制器（PLC）的特点………………………………………………………………16

可编程控制器的组成及工作方式…………………………………………………………16

CK6150数控车床的PLC控制主程序………………………………………………………17

CK6150数控车床的PLC控制主要子程序…………………………………………………18

液压卡盘和液压尾座控制子程序…………………………………………………………18

冷却和润滑控制子程序……………………………………………………………………20

换刀控制子程序………………………………………………………………………………21

主轴控制子程序………………………………………………………………………………22

急停、进给保持控制子程序…………………………………………………………………23

结论………………………………………………………………………………………………………24

致谢………………………………………………………………………………………………………25

参考文献………………………………………………………………………………………………26

1绪论

随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。

在现代制造系统中，数控技术是关键技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。

目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。

由于数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，因此#实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。

机械制造的竞争，其实质是数控的竞争。

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

现代数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。

数控技术的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，CAD/CAM、FMS、CIMC等技术都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木；数控技术是国防现代化的重要战略物质和商业贸易的重要构成，工业发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。

日本由于数控技术高度发展使其制造业迅速崛起，美国要挽回其失去的地位，欧洲要适应市场竞争的需求，从而以数控技术为主要标志的现代制造技术成了美国、日本和欧洲等工业国家竞争的焦点。

由于数控产业的企业行为，而在某种程度上体现了政府意志，其发展快慢有赖于政府的支持。

中国政府也已充分意识到发展数控技术的重要性，正积极采取各种有效措施大力发展中国的数控产业，把发展数控技术作为振兴机械工业的重中之重。

数控机床就是在数字控制下，能在尺寸精度和几何精度两方面完成金属毛坯零件加工成所需要形状的工作母机的总称。

数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。

数控机床是当代机械制造业的主流装备，国产数控机床的发展经历了30年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场1,500种数控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。

特别是在五轴联动数控机床、数控超重型机床、立式卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域部分技术已经达到世界先进水平。

其中，五轴（坐标）联动数控机床是数控机床技术的制高点标志之一。

它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。

数控技术的发展趋势：

（1）在功能发展方向上。

用户界面图形化；科学计算可视化；数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能；多媒体技术。

（2）在结构体系发展方向上。

模块化、专门化与个性化；智能化；网络化和集成化。

3）高速、高效、高精度、高可靠性发展方向

随着科学技术的发展和我国国民经济进入高速发展阶段，研究开发数控系统、应用数控机床已经成了各企业的自发行为，数控技术及产品的发展速度逐年加快，多轴、全功能中高档数控系统及交、直流伺服系统相继研制成功，FMS和CIMS也先后投入使用，数控系统及数控系统产品正朝着国际先进水平迈进，逐渐的缩小与国外先进水平的差距，我国数控技术进入了蓬勃发展时期。

2　CK6150数控车床的主要简介

CK6150数控车床的基本组成

CK6150数控车床有机床本体、数控系统和伺服驱动系统几部分组成。

机床本体是数控机床的主体，由基础件（如床身、底座等）和运动件（如工作台、主轴箱等）组成。

它不仅要实现有数控装置控制的各种运动，而且还要承受包括切削力在内的各种力，因此机床本体必须保证有良好的几何精度、足够的刚度、小的热变形、低的摩擦力，才能有效保证数控机床的加工精度。

数控系统是数控机床的核心，用来输入、存储零件加工程序，并根据零件加工程序进行计算、插补等处理，发出各种控制信号，控制机床各部件的动作，完成零件加工的控制。

CK6150数控车床采用不含PLC的FAGOR8025数控系统，需要独立配置可编程控制器来完成辅助功能的控制。

伺服驱动装置的作用是把来自数控装置的信号进行功率放大，通过执行元（如步进电动机、伺服电动机等）和机械传动结构，是机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度运动，实现零件加工。

CK6150数控车床主要技术参数

CK6150数控车床电气控制设备主要器件

CK6150数控车床部分技术参数

CK6150数控车床控制要求简述

液压启动/停止由按钮SB3、SB2控制，NC启动/停止由按钮SB5、SB4控制。

SA1为照明开关，SB1为外部急停按钮。

当有紧急情况发生时，按下急停按钮SB1，切断控制回路电源。

机床控制面板如图

图机床控制面板

CK6150数控车床的主轴采用分档变速，三个手动挡与四个自动档组成12档变速，四个自动档由MDI按键或零件程序中的S1、S2、S3、S4指令指定，主轴启动/停止受M03/M05指令控制。

液压卡盘的松开、夹紧有脚踏开关SQ1控制。

液压尾座可点动伸出（点动左SB7）、连续伸出（连续左SB6）、连续退回（连续右SB8）。

冷却液的开关由按钮SA2和程序中的M08（开）、M09（关）共同控制。

导轨润滑采用定时控制，每30分钟一次。

刀架的控制由MDI按键或程序中的T1、T2、T3、T4指令指定。

进给运动可点动进给，也可以连续自动进给，有CNC装置控制。

如果超过正负向限位，则产生急停报警，按住超程解除按钮SB9后才可进行点动。

3CK6150数控车床的伺服驱动系统

CK6150数控车床伺服驱动装置

伺服（Servo）系统又叫随动系统，是一种能够跟随指令的变化而动作的自动控制装置，根据实现方法不同，可以分为机械随动（仿形）系统、液压伺服系统、电器伺服系统等，CK6150采用电器伺服系统。

在数控机床上，CNC装置发布命令的“大脑”，而伺服系统数控机床的四肢，是一种执行机构，它能够准确的执行来自CNC装置的运动指令。

CK6150数控车床的伺服系统包括进给伺服系统和主轴伺服（驱动）系统，前者是以机械位移（位置控制）为直接控制目标的自动控制系统，用来加工轮廓；后者以速度控制为主，提供切削过程中需要的转矩和功率。

伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。

伺服驱动装置的主要功能是功率放大和速度调节，将弱信号转换为强信号，并保证系统的动态性能。

伺服电动机用来将电能转换为机械能，多动机械部件移动或转动。

数控的伺服驱动控制线路与普通机床电路有所不同，除了常用的电气控制线路外，它还有数控装置。

普通车床与数控车床的主要区别是数控机床的主轴调速和刀架的进给全部自动完成，即根据编程指令按要求执行。

数控装置是整个数控机床的核心，机床的操作由此发出。

驱动装置位于数控装置和机床之间，包括进给驱动和主轴驱动装置。

驱动装置根据控制电机不同，其控制电路形式也不同。

步进电机有步进驱动装置，直流伺服电机有直流伺服驱动装置，交流伺服电机有交流伺服驱动装置。

机床电气控制装置数控装置和机床本体之间，它主要接收数控装置发出的开关命令。

CK6150数控车床采用主轴变频调速，机床主轴的旋转运动由变频主轴电动机经皮带传动，经三联齿轮变速将运动传至主轴，并得到低速、中速和高速三段范围内的无级变速。

机床进给为两轴联动，配有四工位电动刀架，可满足不同需要的加工。

Z坐标为大拖板左右运动，其运动由GK6063-6AC31交流永磁伺服电动机与滚珠丝杠直联实现；X坐标方向为中拖板前后运动方向，其运动由GK6062-6AC31交流永磁伺服电动机通过一对齿轮带动滚珠丝杠旋转得以实现。

为保证车削加工螺纹时主轴转一圈，刀架移动一个导程。

主轴箱的左侧安装了一光电编码器配合纵向进给交流伺服电动机，主轴至光电编码器的齿轮传动比是1：

1.

CK6150数控车床对进给伺服系统的要求

CK6150数控车床对进给伺服系统的要求是：

（1）调速范围宽，在大的速度范围内运转稳定。

一般要求调速比可达1：

10000，最低稳定运转速度n≤min。

（2）负载特性硬，抗扰动能力强，能保证切削过程中受负载冲击时速度不变，尤其在低速时应有足够的负载能力。

（3）反应速度快。

一般要求伺服响应时间为几十毫秒，伺服电机角加速度≥4000rad/s，即从静止状态加速到额定转速1500r/min所需时间不大于。

（4）准确度高。

定位精度和重复定位精度可达到，甚至微米。

4CK6150数控车床的控制电路工作原理

CK6150数控车床的主控制电路

图CK6150数控车床的主控制电路

在图所示的主回路中，三相交流电源通过自动空气开关QF1引入，进过自动控制开关QF2-QF6分配给M1-M5交流异步电动机回路。

自动空气开关具有短路保护功能，并能够起到一定的过载保护功能。

KM1为液压电动机M1的启动和停止控制接触器。

KM2、KM3、KM4为主轴电动机M2的高速、低速控制接触器；当KM2吸合KM3、KM4断开时，电动机M2定子绕组呈三角形接法，4极低速运行；当KM3、KM4吸合KM2断开时，电动机M2定子绕组呈双星形接法，2极高速运行。

KM5为冷却泵电动机M3的启动和停止控制接触器。

KM6、KM7为刀架电动机M4的正转和反转的控制接触器。

KM8为润滑泵电动机M5的启动和停止控制接触器。

FR1、FR2、FR3分别为M1、M2、M3电动机的过载热保护热继电器，由于刀架电机和润滑电机的工作时间很短，所以不需要加过载保护。

为了提高系统的抗干扰能力，在总电源回路和主轴电动机回路中设置了阻容吸收电路FV1-FV6。

CK6150数控车床CNC接口和控制电路

图（a）机床的整体原理框图

由于CK6150数控车床采用了不含PLC的FAGOR8025数控系统，因需要独立配置可编程控制器来完成辅助控制功能的控制。

如图（a），系统采用了西门子S7-200型可编程控制器和西门子611A伺服驱动。

图（b）CK6150数控车床CNC接口和控制电路原理图

在图（b）所示的伺服驱动接口、CNC接口和控制回路中，伺服驱动器采用三相交流380V电源供电，三相电源经过自动空气开关QF7引入；FARGOR8025数控系统采用单相交流220V电源供电，电源经过自动空气开关QF8引入；控制回路采用单相交流110V电源供电，380V电源经过自动空气开关QF9引入后，经过变压器T1和自动空气开关QF10向控制回路供电。

KM9为伺服驱动器、FAGOR8025数控系统、S7-200可编程控制器和直流24V开关电源的电源控制接触器。

在系统上电后，按下液压启动按钮SB3，接触器KM1吸合并自锁，液压泵电动机得电运转，液压泵开始工作。

按下NC按钮启动SB5，接触器KM9吸合并自锁，伺服驱动器、FAGOR8025数控系统、S7-200可编程控制器和直流24V开关电源同时得电，FAGOR8025数控系统开始自检。

FAGOR8025数控系统自检结束后，在没有外部急停报警的情况下，从I/O1口输出X轴、Z轴伺服使能信号，通过继电器KA1、KA2转接后，分别接通611A伺服驱动电源X331、X332的65、9端，伺服驱动器开始工作。

当手动方式点动或者自动执行程序进给时，如果来自PLC的进给保持信号无效，则数控系统通过I/O1口输出0V-10V模拟给定信号到611A伺服驱动器的X331、X332的56、14端，伺服驱动器开始工作，驱动伺服电动机M6、M7运转。

在伺服电动机上，同轴安装两个传感器，一个是转子位置和速度测量传感器T，另一个是用于位置测量反馈的旋转编码器G。

两个伺服电机的转子位置和速度反馈信号分别接到伺服驱动器的X331、X332上，旋转编码器输出的位置测量反馈信号接到FAGOR8025数控系统的A1、A3接口。

在伺服驱动器上电后，也要进行自检，如果自检正常，则输出一个伺服准备好开关信号给PLC的。

在工作过程中，611A具有电机过热、过载保护功能，一旦检测到电机过热，过热保护继电器动作，向PLC的发出伺服热保护信号，产生急停报警。

其他像主轴启/停、换挡，换刀等辅助动作，由FAGOR8025数控系统通过I/O1、I/O2接口将工作方式、辅助控制命令等信号送到PLC处理控制。

有些辅助动作的处理控制结果还要有PLC送回数控系统的I/O1接口，通过进给保持信号同步程序的执行。

CK6150数控车床的PLC控制电路

图CK6150数控车床的PLC控制电路工作原理图

在图所示的PLC控制电路中，有西门子S7-200系列CPU226（24V直流入/16继电器出）主单元和EM221（8入）直流24V输入扩展单元、EM222（8出）继电器输出扩展单元组成56点可编程控制器。

冷却液开关SA2、尾座操作按钮SB6-SB8、超程接触按钮SB9分别接到PLC的输入端，用于手动操作。

液压电机控制接触器辅助触点KM1、主轴电机控制接触器辅助触点KM2、KM3分别接到PLC的输入端，用于连锁控制。

四个刀位检测开关T1-T4分别接到PLC的输入端，用于换刀控制。

X轴、Z轴正负向限位开关SQ1、SQ2、SQ4、SQ5分别接到PLC的、输入端，用于超程报警。

“伺服准备好”信号和“电机过热”信号分别接到PLC的、输入端，用于急停报警。

来自FAGOR8025数控系统的MST选通信号、工作方式（JOG）信号、NC急停信号和复位信号、辅助功能编码（MST01-MST20）信号