潘亚菲CA6140车床数控化电气控制系统设计.docx

潘亚菲CA6140车床数控化电气控制系统设计.docx

《潘亚菲CA6140车床数控化电气控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《潘亚菲CA6140车床数控化电气控制系统设计.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

潘亚菲CA6140车床数控化电气控制系统设计

河南理工大学成人教育学院

毕业设计（论文）任务书

河南理工大学平职学院函授站08级电气自动化1班班级专业学生

一、设计（论文）题目：

《煤矿变频节能技术应用》

二、设计（论文）任务要求及主要原始资料：

三、设计（论文）时间：

年月日至年月日

指导教师（签名）

成教院院长（签名）

河南理工大学成人教育学院

毕业设计（论文）总评定书

电气自动化专业08年级学生于

2010年5月日完成了《煤矿变频节能技术应用》毕业

设计（论文），设计（论文）包括说明书页，附图张。

审阅意见及总评语：

指导教师（签名）

成教院院长（签名）

年月日

河南理工大学成人教育学院

毕业设计（论文）答辩委员会记录

河南理工大学平职学院函授站08级电气自动化1班专业学生的毕业设计（论文）于2010年5月日进行答辩。

设计（论文）题目：

出席人员：

主任委员

副主任委员

委员

答辩学生提交毕业设计（论文）答辩委员会（小组）下列资料：

一、设计（论文）说明书共页

二、设计（论文）图纸共页

三、指导教师评阅意见共页

毕业设计（论文）答辩委员会（小组）根据毕业设计（论文）提出的材料，指导教师的意见和学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会决定：

一、学生完成答辩并毕业设计（论文）以后，确定成绩为“”

二、对毕业设计（论文）的总评语：

毕业设计（论文）答辩委员会主任（组长）或副主任（副组长）：

毕业设计（论文）答辩委员会委员（组员）：

CA6140车床数控化电气控制系统设计

摘要

数控机床是集机械制造技术和计算机、液压、检测传感、信息处理、光机电等技术于一体的典型机电一体化产品。

它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。

数控机床的技术水平高低及拥有量的多少已成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志之一。

我国目前机床总量约400万台，其中数控机床总数只有20万台。

我国役龄10年以上的机床占总数的60%以上，而役龄10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%。

用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高、供货期长等现象，因而在国际、国内市场上缺乏竞争力。

而对于企业而言，单纯依靠购买全新数控机床，所需初始投资较大，只是许多企业，特别是中小企业心有余而力不足。

而且替换下来的机床闲置起来又会造成浪费。

如果对旧机床进行数控化改造，其投资少，见效快，是在短期内提高我国机床数控化率的一条有效途径。

第一章绪论

1.1C6140车床

1.1.1C6140车床的结构及运动情况

1.C6140车床的结构

C6140车床主要构造由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板与刀架、尾座、丝杠、光杠等几部分组成，其外形图如图1-1所示。

2.C6140车床的运动情况

主运动（切削运动）：

主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动

进给运动：

溜板箱带动刀架的直线运动。

其它运动有：

刀架的快速移动。

刀架移动和主轴旋转都是由一台电动机来拖动的。

1.1.2C6140车床电气线路分析

1.车床加工对控制线路要求分析

1）主运动（切削运动）——主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动

2）进给运动——溜板带动刀架的直线运动

（1）机械调速：

工件材料、尺寸加工工艺等不同，切削速度应不同，因此要求主轴的转速也不同。

正反转控制：

车削螺纹时，要求主轴反转来退刀，因此要求主轴能正反转。

车床主轴的旋转方向可通过机械手柄来控制。

制动：

为了缩短停车时间，主轴停车时采用能耗制动。

其它：

显示电动机的工作电流以监视切削状况。

3）快速移动——溜板带动刀架的快速运动

单向点动操作、短时工作方式。

4）冷却润滑要求

车削加工中，根据不同的工件材料，也为了延长刀具的寿命和提高加工质量，需要切削液对工件和刀具进行冷却润滑，而有时又不采用，因此采用自动空气开关控制冷却泵电动机单向旋转。

此外还应配有安全照明电路和必要的联锁保护环节

1.2数控技术与数控机床

数控技术，简称数控（NumericalControl-----NC）,是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。

由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerNumericalControl-----CNC）。

采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。

它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。

机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。

与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因此应用日益广泛。

1.3机床数控化改造

在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时期。

由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。

在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床生产线数控改造的新的行业。

我国目前机床总量约400万台，其中数控机床总数只有20万台，即我国机床数控化率仅为5%左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达到20%以上。

我国机床役龄10年以上的占60%以上，役龄10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。

可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。

用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等现象，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。

 1.4普通机床与数控机床的比较

数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：

1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工；2.加工精度高；3.生产效率高；4.减轻劳动强度，改善劳动条件；5.良好的经济效益；6.有利于生产管理的现代化。

数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。

我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。

但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。

我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。

但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。

旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。

随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。

在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。

许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。

1.5步进电机

1.5.1步进电机的介绍及分类

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

　现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

　永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

　反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

1.5.2步进电机的特点

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

　　2．步进电机外表允许的最高温度。

　　步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

　3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

　当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

　　4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

　　步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

第二章SINUMERIK802Sbaseline数控系统的特点

SINUMERIK802Sbaseline数控系统集成了所有的CNC，PLC,MHI,I/O于一个单一的部件，其主要特点如下：

1.可独立于其他部件进行安装。

坚固而又节省空间的设计，使它可以安装到最方便用户的位置；

2.操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器，同时还提供12个带有LED的用户自定义键。

工作方式选择（6种），进给速度修调，主轴速度修调，数控停止与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作；

3.SINUMERIK802Sbaseline的输入/输出点为48个24V的直流输入和16个24V的直流输出。

输出同时工作系数为0.5时负载能力可达0.5A。

为了方便安装，输入输出采用可移动的螺丝夹紧端子，该端子可用普通的螺丝刀来紧固；

4.SINUMERIK802Sbaseline可控制三个进给轴和一个伺服主轴或变频器。

提供脉冲及方向信号的步进驱动接口。

除三个进给轴外，SINUMERIK802Sbaseline还提供一个±10V的接口用于连接主轴驱动；

5.SINUMERIK802Sbaseline的控制软件已经存储在数控部分的Flash-EPROM（闪存）上Toolbox软件工具（调整所用的软件工具）包含在标准的供货范围内。

系统不再需要电池，免维护设计。

采用电容防止掉电引起的数据丢失。

程序的变化和新程序软件存储。

系统软件面向车床和铣床应用，并可单独安装。

在每一个工具盒中都包含有车床和铣床的PLC程序示例，以便用户能很快地调试完毕。

第三章电柜设计及电源选用

3.1在设计电柜时应注意事项

1.电柜应有冷却或通风装置，在使用风扇是必须在进气窗口安装防尘过滤网；

2.电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上；

3.电柜的防护等级为IP54；

4.接地应遵守国标GB/T5226.1—2002/IEC60204—1:

2000“机械安全电气设备第1部分：

通用技术条件”；

5.电柜中布线时，交流电源线（如85VAC,220VAC,380VAC以及变频器到主轴电机的电缆）必须与24VDC电缆和信号线电缆分开走线；

6.系统直流稳压电源24VDC之前需接入隔离变压器（控制变压器380VAC→220VAC,JBK3-400VA）,如图3-1所示。

步进驱动85VAC必须采用独立的隔离变压器（驱动变压器380VAC→85VAC,JBK3系列）。

如图1-2所示。

两个变压器的初级不可以接入到380VAC的同一相。

图3-1控制变压器

图3-2驱动变压器

7.现场没有良好接地的情况下，控制变压器必须为浮地设计，但此时任何与CNC控制器连接的外设（如PC等），其220VAC电源必须连接到控制变压器，如图1-1所示。

3.224VDC电源选用

CNC控制器采用24V直流供电，系统可在24V-15%到+20%之间正常工作。

直流电源的质量是系统稳定运行的关键，所有在选择电源时，其输出波应如图3-3所示。

24V直流电作为低压电源必须具有可靠大电隔离特性（按照IEC204-1,条款6.4，PELV），其电气参数如表3-1所示。

因此我们在选用西门子配套的24V直流稳压电源。

图3-3电源波形

表3-1负载电源电气参数

参数

最小值

最大值

单位

条件

电压平均值

20.4

28.8

V

波动性

3.6

V

非周期性过压

35

V

500ms持续时间，50s恢复时间

额定消耗电流

1.5

A

启动电流

4

A

数字输入和输出所需的24VDC用独立的24V直流电源，而不能与CNC控制器公用同一个24VDC稳压电源。

所有输入信号必须为电平信号，即“0”电平〔-3V---5VDC〕和“1”电平〔11V---30VDC〕。

悬空和高阻信号均为“0”电平。

第四章数控系统各部分的连接及接口设计

4.1系统的接线

SINUMERIK802Sbaseline控制器与步进驱动STEPDRIVEC/C+和步进电机的连接如图4-1所示。

连接电缆必须使用屏蔽电缆。

在系统一侧，电缆内屏蔽层必须与插头中的金属壳相连，为了使模拟量的指令值信号免受低频信号的干扰，驱动一侧的屏蔽不能接地。

4.2接口布置

系统的接口布置如图4-2所示

4.2.1CNC部分

1.X1电源接口（DC24V）：

3芯孔式端子排，用于连接24VDC负载电源；

2.X2通信接口（RS232）：

9芯D型针式插座；

3.X6主轴接口（SPNDLE）：

15芯D型孔式插座，用于连接一个主轴增量式编码器（RS422）；

4.X7驱动接口（AXIS）,50芯D型针式插座，用于连接具有包括主轴在内最多4个模拟驱动的功率模块；

5.X10手轮接口（MPG），10芯针式端子排，用于连接最多2个电子手轮；

6.X20高速输入接口（BERO），10芯针式端子排，用于连接NC-READY继电器和BERO接近开关。

4.2.2I/O部分：

1.X100到X105，各为10芯插头，用于数字输入；

2.X200到X201，各为10芯插头，用于数字输出；

3.S2系统总清开关；

4.调试开关S3启动方式选择开关；

5.保险丝F1-4A保险丝，外部设计使用户可以方便地更换。

6.D15-7字段LED显示当前系统的工作状态。

图4-1数控系统接线图

图4-2数控系统接口布置图

4.3PLC输入输出接口定义

SINUMERIK802Sbaseline在出厂时已经预装了“SAMPLE·PTP”—集成PLC实例应用程序，我们在定义系统输入输出接口的时候，可以与厂家提供的PLC实例程序中的接口定义保持一致，这样在改造过程中，我们就无需自编PLC程序，只需利用厂家提供的“SAMPLE·PTP”PLC实例程序就可以了，所要做的工作只是设定一下PLC机床参数。

本次改造的输入输出接口定义如表4-1所示。

4.4接口连接

4.4.1电源端子的连接（X1）

系统工作电源为直流24V电源，接到接线端子X1上。

其CNC一侧端子分配如表4-2所示

表4-1PLC输入输出接口定义

类别

接口名称

说明

输入信号

X100

I0.0

硬限位X+

I0.1

硬限位Z+

I0.2

X向参考点开关

I0.3

Z向参考点开关

I0.4

硬限位X-

I0.5

硬限位Z-

I0.6

过载

I0.7

急停按钮

X101

I1.0

刀架信号T1

I1.1

刀架信号T2

I1.2

刀架信号T3

I1.3

刀架信号T4

I1.4

未定义

I1.5

未定义

I1.6

未定义

I1.7

就绪信号

X102-----X105

未定义

输出信号

X200

Q0.0

主轴正转CW

Q0.1

主轴反转CCW

Q0.2

冷却控制输出

Q0.3

未定义

Q0.4

未定义

Q0.5

未定义

Q0.6

未定义

Q0.7

未定义

X201

Q1.0

未定义

Q1.1

未定义

Q1.2

未定义

Q1.3

未定义

Q1.4

主轴制动

Q1.5

未定义

Q1.6

未定义

Q1.7

未定义

表4-2电源端子X1端子分配

端子号

信号名

说明

1

PE

保护地

2

M

0V

3

P24

直流24V

4.4.2通讯接口RS232的连接（X2）

在使用外部PC/PG与802Sbaseline进行数据通讯（WinPCIN）或编写PLC程序时，使用RS232接口，各引脚如图4-2所示。

其引脚1为屏蔽，其它引脚功能参见信号说明。

图4-2通讯接口RS232与PC的连接

信号说明：

RxD—数据接收TxD—数据发送RTS—发送请求

CTS—发送使能DTR—备用输出DSR—备用输入

M—接地

4.4.3主轴测量系统的连接（X6）

X6作为主轴编码器接口使用，用于把主轴的旋转角度反馈给802Sbaseline，其引脚分配如表4-3所示。

所连接的编码器应为5V增量式编码器。

表4-3插座X6的引脚分配

引脚

信号

信号含义

信号类型说明

引脚

信号

信号含义

信号类型说明

1

n.c.

9

M

电源接地

电压输出

2

n.c.

10

Z

零脉冲信号

5V输入信号

3

n.c.

11

Z_N

零脉冲信号

5V输入信号

4

P5_MS

电源+5.2

电压输出

12

B_N

B向信号

5V输入信号

5

n.c.

13

B

B向信号

5V输入信号

6

P5_MS

电源+5.2

电压输出

14

A_N

A向信号

5V输入信号

7

M

电源接地

电压输出

15

A

A向信号

5V输入信号

8

n.c.

4.4.4步进及主轴驱动器与CNC控制器的连接（X7）

X7用于将步进驱动器及主轴驱动器同CNC控制器相连，电缆分配如表4-4所示。

连接示意如图4-3所示。

图4-3步进及主轴驱动器与802Sbaseline的连接

表4-4电缆分配

CNC侧

电缆

驱动侧

引脚

中芯颜色

驱动轴

引脚

5

黑

X轴

P1

38

棕

P1N

6

红

D1

39

橙

D1N

18

黄

E1

19

绿

E1N

40

白/灰

Y轴

P2

7

棕/黑

P2N

41

蓝

D2

8

紫

D2N

20

灰

E2

21

白

E2N

9

白/黑

Z轴

P3

42

白/棕

P3N

10

棕/红

D3

43

棕/橙

D3N

26

白/红

E3

27

白/橙

E3N

17

白/黄

主轴

9

50

白/绿

65

4

白/蓝

14

37

白/紫

56

4.4.5手轮接口（X10）

通过手轮接口X10可以在外部连接两个电子手轮。

X10有10个接线端子，引脚说明见表4-5。

表4-5手轮接口X10

引脚

信号

说明

引脚

信号

说明

1

A1+

手轮1A相+

6

GND

电源接地

2

A1-

手轮1A相-

7

A2+

手轮2A相+

3

B1+

手轮1B相+

8

A2-

手轮2A相-

4

B1-

手轮1B相-

9

B2+

手轮2B相+

5

P5V

+5VDC

10

B2-

手轮2B相-

4.4.6高速输入接口（X20）

通过接线端子X20可以连接3个接近开关，其引脚说明见表4-6。

由于数控车床只有X和Z轴，所以需要两个接近开关。

如图4-4所示，SQ11、SQ12分别为X轴、Z轴回参考点接近开关（霍尔式、PNP型常开、有效电平为DC24V），分别接入高速输入接口X20的3号管脚HI_1和5号管脚HI_3。

表4-6高速输入接口X20

引脚

信号

说明

引脚

信号

说明

1

RDY1

NCReady使能触电1

6

HI_4

2

RDY1

NCReady使能触电2

7

HI_5

3

HI_1

X轴参考点脉冲

8

HI_6

4

HI_2

Y轴参考点脉冲

9

N.C.

5

HI_3

Z轴参考点脉冲

10

M

接地

图4-4X20接线图

4.4.7数字输入端的连接（X100和X101）

PLC数字输入接口X100的接线如图4-5所示，SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、SQ9和SQ10分别为X+硬限位、Z+硬限位、X-硬限位、Z-硬限位、X轴参考点减速开关、Z轴参考点减速开关，FR1、FR2和FR3为热继电器的常开触电，当主电机、刀架电机或冷却泵电机过载时将闭合，其产生的过载信号从I0.6数字输入口输入。

SB1为急停按钮，当被按下时，所有PLC输出端口均无信号输出。

SQ5、SQ6、SQ7、SQ8和SB1均采用常闭逻辑。

若采用常开逻辑，则当P24端子到PLC输入点线路接触不良或开路时会造成SQ5等无效（即便是SQ5等闭合），从而会导致机床出现重大事故。

而采用常闭逻辑（负逻辑），则可避免事故的发生。

因为当P24端子到PLC的输入点之间的线路出现开路或接触不良时，该点被认为有效，机床会立即报警，这样就保证了机床只有在电路连接良好的情况下才能正常运行，提高了机床的安全性。

图4-5X100接线图

X101的接线如图4-6所示，I1.7接步进驱动器2中的RDY准备好信号。

SQ1、SQ2、SQ3和SQ4为四个霍尔式接近开关，分别对应于自动刀架的四个工位。

当某一刀位处于工作位置时，其位置传感器（霍尔元件）输出低电平，其余三个刀位的霍尔元件输出处于悬空状态，没有电平输出。

而SINU