基于KND数控系统CK6136电气控制电路设计及调试.docx
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基于KND数控系统CK6136电气控制电路设计及调试
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，随着经济的快速发展，机床工业也有了飞跃的发展：
体现在新技术的广泛应用和企业效益的明显改善。
目前机床行业的消费主流是数控机床。
从国内外市场对数控机床的需求来看，以后数控机床市场具有以下特征：
一是经济型数控机床是以后的主流产品。
二采用新技术，降低成本，提高产品稳定性是企业生存的关键。
本文主要介绍了对数控车床的电气系统设计的过程。
CK6136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
1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数控车床的组成
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。
图1.1数控车床的组成
⑴、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。
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。
1.4数控系统的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
计算机数控系统，由于采用封闭的体系结构，它的通用性、软件移植性、功能扩展和维修都比较困难；开放式体系结构的计算机数控系统的发展，使传统的计算机数控系统的市场正在受到挑战。
开放式计算机数控系统，采用软件模块化的体系结构，显示了优良的性能，能适应各种计算机的软件平台，具有统一风格的用户交互环境，操作、维护、更新换代和软件开发都比较方便，具有较高的性能价格比，已成为数控系统发展的方向。
世界CNC机床产量中,低、中、高档CNC机床之比为30:
60:
10。
高档CNC机床主要被德国、美国所垄断；日本占据了中档CNC机床的主要市场;韩国则是中低档CNC机床的主要供货商。
可见中高档CNC系统基本掌握在德、美、日本几个国家中。
2007年,全球CNC系统市场销售额为61亿美元。
国外的主要CNC系统制造商有西门子（Siemens）、发那克（FANUC）、三菱电机（MitsubishiElectric）等,2007年全球CNC系统市场Siemens占了34.6%,FANUC占了29.2%,三菱电机占了12.3%[2]。
传统CNC系统目前仍在世界各国得到广泛应用,由于传统CN
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