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数控机床电气的设计
论文——数控机床电气设计
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数控机床电气设计
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，近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期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。
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要。
FBs系列PLC的NC定位功能较其它PLC更精准，且程序的设计和调试相当方便。
本文提出的是如何应用PLC的NC定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。
整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。
关键词：
数控机床、电气控制系统、控制软件总体结构设计、机电一体化、机电传动、电子技术、传感器技术、数控加工、CAD/CAM技术、电力电子技术、机械设计原理、电气控制系统、单片机、PLC;
注：
附图（共七张；元器件清单1份）
第一章绪 论
本绪论主要是从本课题的来源、目的、意义、应解决的主要问题及应达到的技术要求来介绍数控机床型，并且叙述了国内外发展概况以及存在的问题。
最后简述了本设计的指导思想。
1.1课题的来源
随着各种学科的交叉发展，原来的纯机械加工已经发展为机电一体化的加工机床，现在随着各种控制技术的日趋完善，机电一体化的加工系统——数控机床已经毫无疑问成为了工业生产的主力装备。
一方面，调查表明，我国要成为“世界工厂”，需要培训和造就数十万数控技术应用领域的操作人员、编程人员和维修人员，另一方面，来自机电一体化专业在实践方面对于专门的教学用的仪器设备的需求，是本课题产生的主要的原因。
1.2目的和意义
本方案用于实验所需的数控机床。
主要用于学校、工厂、以及科研所用，可用于数控机床，数控编程，数控原理实验与培训。
本课题是要求在指导的情况下通过查阅相关的内容的资料并进行总体方案的设计（包括机械总体结构，电气控制系统总体结构和控制软件总体结构设计）进而最终完成适合实验使用的数控机床。
该机床能实现单轴定位及两轴联动联动，从而可以完成对塑料制品的铣、铰等基本的切削运动，并能加工形状简单的零件。
1.3机电一体化系统的简介
机电一体化技术的基本概念是指将机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术。
机电一体化系统主要有五个组成部分:
动力、机构、执行器、计算机和传感器,组成一个功能完善的柔性自动化系统,其中计算机、传感器和计算机软件是机电一体化技术的重要组成要素。
机电一体化系统具有结构简单、功能多、效率高、精度高、能耗低的特点,与传统的机械产品比较,机电一体化产品至少有以下三个优点。
（1）原有的机构产品中增加信息处理装置及相应软件,来替代原有产品的部分机械控制机构,不仅提高了自动化程度,而且能大大提高产品质量,同时也降低了生产成本,提高经济效益。
（2）以机电一体化技术为主的新型产品,与原机械产品相比,不仅结构简单,而且功能更加丰富,精度也得到提高。
（3）将电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来,形成综合性优势,可开发出具有多种功能、智能化的高新技术产品。
1.3.1机电传动概述
机电传动就是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。
它的目的就是电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度控制，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。
机电传动控制系统发展愈来愈高。
现在机电传动机控制系统由微型操纵杆，敏感元件，计算机，伺服机构和执行机构等部分组成。
当操纵它时，电传系统立刻将机械动作转变为电信号，经计算机计算放大后，通过电机使执行机构动作。
电传操纵系统的优点是结构比较简单，体积和重量小，易于安装和维修、操纵灵敏度高，无滞后现象。
由于可以敷设多条电缆，“生存力”大大增强。
但就机电传动而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电机拖动和多电机拖动三阶段。
控制期间经过了四阶段：
1.接触器与继电器;
2.电机放大机控制;
3.磁放大器，大功率可控水银整流器;
4. 计算机数字控制CNC。
就本次设计而言,系统的驱动部分采用了步进电机驱动，控制部分采用比较先进的微机与PLC控制。
1.3.2数控加工的概述
数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也发生了明显的变化。
以下是数控加工的特殊之处：
1.工序集中：
数控机床一般带有可以自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序控制自动进行，因此，工序比较集中。
工序集中带来巨大的经济效益：
a）．减少机床占地面积，节约厂房。
b）．减少或没有中间环节（如半成品的中间检测、暂存搬运等），既省时间又省人力。
2.加工自动化：
数控机床加工时，不需人工控制刀具，自动化程度高。
带来的好处很明显:
a）.对操作工人的要求降低：
一个普通机床的高级工，不是短时间内可以培养的，而一个不需编程的数控加工操作工人培养时间极短（如数控车工需要一周即可，还会编写简单的加工程序）。
并且，数控工在数控机床上加工出的零件比普通工在传统机床上加工的零件精度要高、时间要省。
b）.降低了工人的劳动强度：
数控工人在加工过程中，大部分时间被排斥在加工过程之外，非常省力。
c）. 产品质量稳定：
数控机床的加工自动化，免除了普通机床上工人操作时所产生的疲劳、粗心、估计等人为误差，提高了产品的一致性。
d）.加工效率高：
数控机床的自动换刀等使加工过程紧凑，提高了劳动生产率。
3.柔性化程度高；传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专机，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，很难适应市场经济下的激烈竞争带来的产品频繁改型。
只要改变程序，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，因此数控机床能很好适应市场竞争。
4.加工能力强：
数控机床能精确加工各种轮廓，而有些轮廓在普通机床上无法加工。
数控机床特别适合以下场合：
a）.不许报废的零件。
b）.新产品研制。
c）.急需件的加工。
1.3.3数控加工的设备
数控加工所使用的主要设备---数控机床是信息技术与机械制造技术相结合的产物，代表了现代基础机械的技术水平与发展趋势。
数控机床具有以下明显特点：
1）.适合于复杂异形零件的加工。
2）.实现计算机控制，排除人为误差。
3）.通过计算机软件可以实现精度补偿和优化控制。
4）.加工中心、车削中心、磨削中心、电加工中心等带有刀具库并具有换刀功能，从而减少了人工装夹的次数，提高了加工精度。
5）.数控机床使机械加工设备增加了柔性化的特点。
柔性加工不仅适合于多品种、中小批量生产也适合于大批量生产，且能交替完成两种或更多种不同零件的加工，增加了自动变换工件的功能，可实现夜间无人看管的操作。
由几台数控机床（加工中心）组成的柔性制造系统（FMS）具有更高柔性的自动化制造系统，包括加工、装配和检验等环节。
数控机床可划分为三个层次：
1）.高档型数控机床：
是指可以进行复杂形状的加工，具有多轴控制或工序集中、自动化程度高、高度柔性的数控机床。
2）.普及型数控机床：
具有人机对话功能，应用较广，价格适中，通常称之为全功能数控机床。
3）.经济型数控机床：
结构简单，精度中等，但价格便宜，仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件。
选用数控机床需遵循的原则是：
1）.实用性：
是指明确数控机床来解决生产中的哪一个或哪几个问题。
2）. 经济性：
是指所选用的数控机床在满足加工要求的条件下，所支付的代价是最经济的或者是较为合理的。
3）.可操作性：
用户选用的数控机床要与本企业的操作和维修水平相适应。
4）.稳定可靠性：
是指机床本身的质量，选择名牌产品能保证数控机床工作时的稳定和可靠。
PLC（可编程逻辑控制器）发展的现状及发展的趋势PLC发展到现在共经历了四代。
现在的PLC采用16位以上的微处理器作为CPU外，内存容量更大，还可以将堕胎PLC连接起来，实现资源共享;还可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；变成语言除了可使用传统的梯形图、流程图等还可以使用高级语言；外设多样化，可以配置CRT和打印机等。
目前国内外用于这方面控制系统的PLC主要是由几大主要生产商提供的。
即：
Siemens（GER）,GE（U.S）,Rockwell（U.S）,Mitsubishi（Jap）,Omron（Jap）这几家主要的PLC供应商占据了PLC市场的75%~80%。
现在的主要的PLC的厂商都集中在日本和美国等发达国家，国内生产和制造PLC的工艺技术都还落后于这些国家。
其发展的趋势是：
1、人机界面更加友好PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC＋网络＋IPC＋CRT的模式被广泛应用。
2、网络通讯能力大大加强PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。
由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。
3、开放性和互操作性大大发展PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。
开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识。
4、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）＋DCS（过程控制）的模式变成PLC＋IPC模式。
5、工业以太网的发展对PLC有重要影响，以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。
目前的挑战在于:
1）.硬件上如合适应工业恶劣环境；
2）.通讯机制如何提高其可靠。
以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。
但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。
从PLC的发展趋势来看，PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。
在未来的工业生产中，PLC技术、机器人技术、核CAD/CAM技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。
1.4国内外动态
1.4.1国内研究的状况
近十几年来，我国各级政府在工业控制计算机及其系统，可编程序逻辑控制器（PLC）、数控系统、工业机器人等技术和产业都曾列入重点发展规划，各项都有上千万元的投资，但真正能形成规模性产品生产的产业却寥寥无几，在国内市场的占有率不足10％。
跟踪研究国外先进技术的发展、加大市场调研力度是高新技术产业开发中的一个严肃的课题，不能不引起各层次决策者重视和积极支持。
外资企业进入我国市场时，在市场调研方面的资金投入是惊人的重视。
相比之下，我国各级政府、各企事业特别是国营企业在跟踪研究和市场调研方面的投入却重视得不够。
同时机电一体化技术涉及的领域广泛，不可能全面发展。
就可编程序逻辑控制器（PLC）而论，80年代末90年代初我国有三十多家企事业单位小批量生产中低档产品系列。
面对年需求量十几万台整机产品的庞大市场需求，大多数国内的企事业单位都未能越过国外大型企业的竞争壁垒，没有一家企业能达到规模性产业，纷纷退出竞争，国外企业几乎独霸了市场。
数控机床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。
在整个机床行业不景气的时期，数控机床的发展一枝独秀，最近几年，我国数控机床无论在产量、品种还是在高档机床的生产方面发展很快。
自1999年以来，机床行业出现了止滑回升的好势头，尤其是随着数控机床产品的开发，质量和品质可靠性的提高所取得的显著成效，增长较快。
2003年数控机床出口额同比增长了15.87%。
数控机床已经成为了当代机械行业的主流装备。
如国内的北京第一机床厂就与大连理工大学等高校合作生产出XK4860五坐标数控螺旋桨铣床等国内领先的数控机床。
但随着我国经济的快速发展，数控机床生产远满足不了市场需求，国产数控机床仅占我国总消费额的50%左右。
台湾、日本成为我国大陆数控机床进口的主要来源地。
1.4.2国外研究的状况
目前国际先进制造业不断改善自动控制系统、提高传统制造业的技术水平和市场竞争力；机电一体化产业结构不断调整，各行业不断融合，数控技术趋于模块化、网络化、多媒体和智能化。
现场总线是当前自动化控制与仪器仪表领域技术发展的第一热点。
电力电子技术成为改造传统产业的基础，它拓宽了微电子技术的应用领域，为机电一体化、新能源技术、核技术、航天技术、超导应用、激光装置、生物工程、新材料技术提供了高性能、高精度、高效率和高质量小型的电控设备和电源设备，成为发展高新技术的基础。
工业发达国家应用机电一体化技术已十分广泛，不仅在单机产品中占有重要位置，而且在生产制造系统内也十分活跃。
例如，计算机集成制造系统（CIMS）、快速成型制造系统（RPM）、智能制造系统（IMS）等。
机电一体化产品模块化的发展促进了新产品的开发，品种不断增多，花样不断翻新，缩短了开发周期。
以驱动为核心的驱动模块单元（简称D），以伺服为核心的运动控制模块单元（简称M），以二根导线把各功能单元连接起来的总线或现场总线等，已形成了标准化的产品。
智能制造技术是21世纪机电一体化技术的重点发展领域。
所谓智能制造技术是指90年代初由日本发起的“智能制造系统”（IMS）国际合作研究计划提出的技术。
这个合作研究组织包括日、美、欧盟、澳大利亚等，计划在十年中投资10亿美元，设立100个研究开发项目，开展智能制造的前期研究工作，目标是开发出能使人和智能设备都不受操作者和国界限制的合作系统。
而数控加工的主力设备数控机床技术在国外的发展已经呈现出五大特点：
1.高速、高效和复合加工机床发展迅速
2.机床更强调安全和环保要求
3.功能部件发展迅速，已形成完整配套件产业
4.控制系统功能更加完善、强大，开放式结构趋势明显
5.机床的外观、质量水平更高。
1.5机电一体化技术的发展与展望
（1）.数控化和综合化将先进的计算机及多种控制技术手段、以及高精度和自动化的工件定位系统相结合，从而形成研制和生产的加工中心，已成为数控加工技术发展的一个重要趋势。
（2）.小型化和组合化国外已把切割铣削和模具冲压多种加工方法组合在一台机床上，制成多功能的冲床，它兼有切割铣削的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割铣削复杂外形、打孔、打标、划线等加工任务。
第二章 系统的总体设计
一个较完善的机电一体化系统，包括以下几个要素：
机械本体、能源部分、测试传感部分、驱动装置、控制及信息处理单元，各要素之间通过接口相联系。
2.1机械部分
机械部分设计与分析将根据机械设计原理提出几种机械设计方案，并对这些方案进行比较选择，阐明设计方案选择的理由以及所采用方案的特点；同时，就设计过程阐述本人对有关设计的一些表述.本设计是一个主要用于教学实验用的数控铣床系统，是要对零件进行铣削加工的。
我们要论证教学实验用的数控铣床系统的总体方案，就需要对该系统有一个整体的了解。
要进行总体方案论证，先要熟悉设计参数，我们才能以此为依据进行取舍。
下面就是我这次设计的参数。
实验用的数控铣床系统，其工作参数如下：
机床尺寸（宽×长×高）：
760×1475×1400 （㎜×㎜×㎜）； 最大加工范围（X×Y×Z）：
400×300×150 （㎜×㎜×㎜） ；主轴电机功率：
60 （W）；主轴转速：
3000 （r/min） 平；工作台尺寸 160×160 （㎜×㎜）；空间加工范围 170×160（㎜×㎜）；工作台最大承重s50 （㎏）；工作速度 :
0～5（ｍ／min）快速移动速度8 ｍ／min ；数控机床的结构形式有很多，通过对其主要的结构形式的分析，大体上最常见的可分为如下两类：
<1>工件沿X坐标方向移动的类型，这类机床主要采用的是龙门式结构，其工作的原理为：
工作台沿X方向移动。
而Y坐标则为打印头在由双立柱及横梁构成的龙门上的运动，既可用于二、三坐标作平面铣削，又可以扩展为四坐标机床用于切割管件和型材，还能构成五坐标机床加工空间曲面。
这类机床的规格尺寸较大。
另外工件沿X坐标方向移动式结构还有两种悬臂式的结构,一者是为工作台沿X坐标方向移动，另一者为工件及夹具同时沿X坐标方向移动，其规格尺寸都比龙门式的要小。
<2>工件沿X,Y二坐标方向移动的类型这类机床多为单纯用于切割的二、三坐标机床，其切割头悬臂伸出，在水平面内并无移动；而工件则可以沿X、Y两个方向运动，这类机床的结构比较简单，规格尺寸也较小，最大2000x1500（mm×mm）。
工件沿二坐标方向移动的类型又可分为十字工作台式和工件与夹具移动式两种；前者工件与工作台连动，规格更小些；后者规格尺寸稍大，工作台固定不动，而工件则由夹具夹持着移动，大多是与自动冲裁技术结合在一起成为可完成切割铣削，冲裁等多种加工功能的多功能机床。
2.2电气控制系统方案
要实现对机电一体化的数控机床的有效控制，这样的电气控制系统有多种方案可以选择。
其中最主要的是采用：
<1>采用单片机的控制系统；
<2>采用了集成DSP芯片的控制板与PC机相联系的控制系统；
<3>采用PLC与PC机相联系的控制系统。
各控制系统方案的特点与比较：
<1>采用单片机的控制系统所谓的单片机即是一块集成了CPU、RAM\ROM（EPROM或EEPROM）、定时/计数器、时钟、多种功能的串行和并行I/O口的芯片。
如Intel公司的8031系列等。
除了以上基本功能外，有的单片机还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。
概括起来说，单片机具有如下特点：
（1）可靠性好。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令，常数，表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道都在一个芯片内部，故可靠性高。
（2）易于扩展。
片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行I/O管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
（3）控制功能强。
为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有丰富的条件分支、I/O口的逻辑操作以及位处理指令。
一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。
（4）单片机一般采用了面向控制的指令。
（5）价格低廉。
如低档单片机价格只有几元钱。
开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多,后备人才充足。
并且国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。
<3>采用PC与PLC相联系的控制系统可编程逻辑控制器。
（Programmable Logic Controller，简称PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置。
它是计算机家族中的一员，是为了工业控制应用而设计的，主要用于代替继电器实现逻辑控制。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这种控制装置将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有高可靠性，灵活通用，易于编程，使用方便等特点，而且随着技术的发展，它的功能早已大大超出了逻辑控制的范围，因此近年来在工业自动控制，机电一体化，改造传统产业方面得到广泛地应用。
虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU，存储器，输入输出设备（I/O）和其他的可选部件组成。
CPU是PLC的核心，它用于输入各种指令，完成预定的任务。
自整定，预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中，RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间；输入输出系统I/O使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等，使PLC的应用十分广泛。
在本控制系统中，PLC模块除了能够实现对机床各轴的顺序运动控制功能，还能实现X,Y轴的插补运动控制功能。
所以选择PC与PLC相联系的控制系统。
参考文献：
[1]朱晓春，数控技术（第2版），机械工业出版社，2006年4月；
[2]周军，电器控制及PLC，机械工业出版社，2005年11月；
[3]梁静，数控机床设计手册，机械工业出版社，2003年1月；
[4]华天宇，数控机床设计系统参考，机械工业出版社。
2007年6月；
序号
代号
名称
型号、规格
数量
备注
1
TC2
控制变压器
AC380V/AC220V/AC80V/AC24V900WR型400W400W100W
1
九川
2
VC
开关电源
AC220V/DC24V/145WS-145-24
1
明玮
3
NC
数控装置
HNC-21TD-08-F16
1套
自制
4
FDD
软驱单元组件
HFD-1101（含电缆）
1套
自制
5
+M-MX
步进电机
90BYG501（5NM,带航插）
1
华惠
6
+M-MZ
交流伺服电机
GK6053-6AC31-FE（带键）4NM
1
登奇
7
+T-SDMX
步进驱动模块
WD5LD01（带插头）
1
华兴
8
QF1
空气开关
DZ15-40/39010A
1
九川
9
手操机构
DZ15
1
九川
10
QF2
空气开关
DZ47-63（5A/3P）
1
九川
11
QF3
空气开关
DZ108-20/211（0.1-0.16A）
1
九川
12
QF4
空气开关
DZ108-20/211（0.16-0.25A）
1
九川
13
FU1、3
熔断器芯
RT18,10,3X,500V/6A
2
14
FU2
熔断器芯
RT18,10,3X,500V/4A
1
15
熔断器座
RT18-32X
3
16
ZL
低通滤波器
6A/250V
1个
上海埃德
17
RC1-RC2、6
三相灭弧器
JD63561003P-3P
3个
昆山
18
RC3-RC5、7
单项灭弧器
JD6310200TF-2P
4个
昆山
19
KM1-KM4
交流接触器
CJX1-9/22（220V9A）
4个
九川
20
电柜轴流风扇
SJ1238H2BAC220V+4个风扇罩
2套
卡固
21
吊挂轴流风扇
AVP-1225H24BDC24V+2个风扇罩
1套
卡固
22
23
标准手持单元
HWL-1003
1套
自制
24
APHR
PLC输出继电器板
HC5301-R
1
自制
25
US
变频器
SJ100-022H
升级会员 