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数控车床的电气设计
摘要
为实现数控车床的自动化，根据FANUC0iMate-DB数控系统的电气控制特点和数控车床的电气控制要求,运用FANUCPLC的使用和编程技术来完成冷却、润滑、刀架、主轴的PLC控制程序设计。
其设计思路和方法可为其他机电一体化产品控制系统设计提供借鉴。
关键词：
可编程控制器；FANUC；电气控制
ToachieveautomationofCNClathes,accordingtoCNCFANUC0iMate-DBelectriccontrolsystemforelectricalcharacteristicsandcontrolrequirementsofCNClathe,usingFANUCPLCprogrammingtechniquestotheuseandcompletionofcooling,lubrication,toolofPLCcontrolprogram.Thedesignideasandmethodsforothermechatroniccontrolsystemdesignforreference.
摘要………………………………………………………………………………………1
引言………………………………………………………………………………………3
第一章数控车床主要控制电路计………………………………………………………4
1.1数控车床常用电气元件…………………………………………………4
1.2380V强电控制回路………………………………………………………12
1.3电源回路…………………………………………………………………15
1.4交流控制回路……………………………………………………………16
1.5直流控制回路……………………………………………………………17
第二章PLC控制部分………………………………………………………………………19
2.1可编程控制器概述…………………………………………………………19
2.2FANUC0iMate-DBPLC程序……………………………………………21
结论………………………………………………………………………………………34
参考文献…………………………………………………………………………………35
致谢………………………………………………………………………………………35
引言
数控机床是典型的机电一体化产品，它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动以及精密机床等方面的技术。
数控机床的高精度、高效率决定了发展数控机床是当前中国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础，是制造业现代化的基础，是一个国家综合国力的重要体现。
我国在从制造大国向制造强国转变的过程中，大力发展数控技术具有重要意义。
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。
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。
而对于数控车床的电气设计我们主要从它的电路设计以及PMC的程序设计着手。
FANUC0iMate-TD数控车床的硬件连接图如下：
数控车床主要控制电路设计
1.1数控车床常用电气元件
1．低压断路器
低压断路器又称为自动空气开关，是将控制和保护的功能合为一体的电器。
它常作为不频繁接通和断开的电路的总电源开关或部分电路的电源开关，当发生过载、短路或欠压等故障时能自动切断电路，有效地保护串接在他后面的电器设备，并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件。
（1）塑料外壳式断路器
图2-1塑料外壳式断路器外形图、电气图形及文字符号
塑料外壳式断路器由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统组成，均安装在塑料外壳内组成一体，如图2-1所示。
机床作为配电、电动机的过载及短路保护用，亦可作为线路不频繁转换及电动机不频繁启动之用。
（2）小型断路器如图2-2所示
图2-2小型断路器外形图、电气图形及文字符号
机床作为过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁的通断电器装置和照明线路。
2．接触器
接触器是一种用来频繁地接通或分断电路带有负载（如电动机）的自动控制电器。
接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。
如图2-3（a）、2-3（b）所示，其工作原理是当线圈通电后，铁芯产生电磁吸力将衔铁吸合。
衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。
当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触点系统随之复位。
按其主触点通过电流的种类不同，可分为直流、交流两种。
机床上应用最多的是交流接触器。
图2-3（a）交流接触器外形图
图2-3（b）交流接触器电气图形及文字符号
3．继电器
继电器是一种根据输入信号的变化接通或断开控制电路的电器。
继电器的输入信号可以是电流、电压、等电量，也可以是温度、速度、等非电量，输出为相应的触点动作。
继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：
电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器等。
按工作原理可分为：
电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器等。
（1）电磁式继电器，如图2-4（a）、2-4（b）所示
图2-4（a）电磁继电器外形图
图2-4（b）电磁式继电器电气图形及文字符号
电磁式继电器的结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是有电磁机构、触点系统和释放弹簧等部分组成。
根据外来信号（电压或电流）实衔铁产生闭合动作，从而带动触点动作，使控制电路接通或断开，实现控制电路的状态改变。
但是，继电器的触点不能用来接通和分断负载电路。
由于电磁式继电器具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等一系列优点，故在数控车床电气控制系统中应用最为广泛。
电磁式继电器按吸引线圈电源种类不同，有交流和直流两种。
按功能分分为电流继电器、电压继电器和中间继电器。
（2）时间继电器如图2-5所示
时间继电器是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器，按其动作原理与构造不同，可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等类型。
机床控制电路中应用较多的是空气阻尼式时间继电器，晶体管式时间继电器也获得愈来愈广泛的应用。
数控机床中一般由计算机软件实现时间控制，而不采用时间继电器方式来进行时间控制。
图2-5时间继电器电气图形及文字符号
（3）热继电器如图2-6（a）、2-6（b）所示
图2-6（a）热继电器外形图
图2-6（b）热继电器电气图形及文字符号
热继电器是一种利用电流热效应工作的保护电器。
热继电器由发热元件（电阻丝）、双金属片、传导部分和常闭触点组成，当电动机过载时，通过热继电器中发热元件的电流增加，使双金属片受热弯曲，带动常闭触点动作。
热继电器用于电动机的长期过载保护。
（4）固态继电器如图2-7所示
图2-7固态继电器电气图形及文字符号
固态继电器，简称SSR,是一种新发展起来的新型无触点继电器。
固态继电器使用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。
因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。
4．变压器
变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器。
（1）机床控制变压器如图2-8（a）、2-8（b）所示
机床控制变压器适用于频率50Hz～60Hz，输入电压不超过交流660V的电路。
常作为各类机床、机械设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器、局部照明及指示灯的电源。
图2-8（a）机床控制变压器外形图
图2-8（b）双绕组变压器电气图形及文字符号
（2）三相变压器如图2-9（a）、2-9（b）所示
在三相交流系统中，三相电压的变换可用三台单相变压器也可用一台三相变压器来实现。
从经济性和缩小安装体积等方面考虑，可优先选择三相变压器。
在数控机床中三相变压器主要是给伺服驱动系统供电。
图2-9（a）三相变压器外形图
图2-9（b）三相变压器电气图形及文字符号
5．直流稳压电源如图2-10（a）、2-10（b）所示
直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。
在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器、信号指示灯等提供直流电源。
图2-10（a）开关电源外形图
图2-10（b）直流稳压电源电气图形及文字符号
6．熔断器
熔断器是一种广泛应用的最简单的有效的保护电器。
在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔断体能自动迅速的熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏。
熔断器主要由熔断体（俗称保险丝）和熔座（俗称保险座）两部分组成。
如图2-11（a）、2-12（b）所示。
图2-11（a）熔断器及熔断隔离器外形图
图2-11（b）熔断器电气图形及文字符号
7．开关电器
（1）行程开关如图2-12（a）、2-12（b）所示
行程开关是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器，用来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护。
图2-12（a）行程开关外形图
图2-12（b）行程开关电气图形及文字符号
（2）接近开关如图2-13（a）、2-14（b）所示
接近开关是非接触式的监测装置，当运动着的物体接近它到一定距离范围内，就能发出信号。
从工作原理看，接近开关有高频振荡型、感应电桥型、霍尔效应型、光电型、永磁及磁敏元件型、电容型、超声波型等多形式。
图2-13（a）接近开关外形图
图2-13（b）接近开关电气图形及文字符号
1.2380V强电控制回路
图2-14380V强电回路（a）
图2-14为数控车床的主电路的一部分，也是机床的动力电路，断路器QF1为机床电源的总开关，亦用来对整个动力线路进行过载及短路保护，交流接触器KM2和KM3采用互锁连接用来控制主轴电动机M1的正反转，断路器QF3作为主轴电动机的过载及短路保护；伺服变压器TC1是将交流380V电压转换为交流220V电压给伺服模块供电，QF2作为伺服强电的过载及短路保护，KM3用作开关控制，灭弧器RC1、RC2用来保护交流接触器的主触点，防止当主触点断开时，在动、静触点间产生强烈电弧，烧坏主触点。
图2-15为数控车床的主电路的另一部分，断路器QF4和QF5分别作为冷却电机和刀架电机的过载及短路保护；交流接触器KM6用来控制冷却电动机M2的启动和停止，KM4和KM5也是采用互锁电路控制刀架电机的M3的正反转，灭弧器RC3、RC4用来保护交流接触器的主触点，防止当主触点断开时，在动、静触点间产生强烈电弧，烧坏主触点。
图2-15380V强电回路（b）
典型电路控制分析：
实际生产中考虑到经济、高效、准确等因素，此次设计中采用了互锁电路控制实现主轴和刀架电动机的正反转，有三相异步电动机的原理可知，只要将电动机接到三相电源中的任意两根连线对调，即可使电动机反转。
图2-16互锁控制线路
如图2-16所示，启动按钮SB2、SB3使用复合按钮，复合按钮的常闭触点用来断开转向相反的接触器线圈的通电回路，两个接触器的常闭触点KM1、KM2起互锁作用，即当一个接触器通电时，其常闭触点断开，使另一个接触器线圈不能通电。
1.3电源回路
图2-17电源回路图
图2-17为机床的电源线路，图中变压器TC1原边接三相AC380V，副边三组绕组分别提供AC220V、AC24V、AC110V电压，AC220V给开关电源供电，AC24V给工作灯供电，AC110V给电柜风扇供电，熔断器FU1-FU3用来对线路进行过载及短路保护。
1.4交流控制回路
图2-18为机床的交流控制线路，图中交流接触器KM2线圈和KM3一对常闭辅助触点串接，交流接触器KM3线圈和KM2一对常闭辅助触点串接，从而实现主轴电动机正反向接触器间的互锁控制；交流接触器KM4线圈和KM5一对常闭辅助触点串接，交流接触器KM5线圈和KM4一对常闭辅助触点串接，从而实现刀架电动机正反向接触器间的互锁控制；交流接触器KM1线圈和KM6线圈分别用来控制KM1和KM6的主触点吸合。
继电器KA1-KA8触点由可编程控制器或数控装置IO口控制，用来控制交流接触器KM1-KM6的线圈通电或断电。
图2-18交流控制回路
1.5直流控制回路
图2-19为机床的直流控制线路，在伺服强电和主轴强电通电的条件下，当机床未压限位开关、伺服未报警、急停未压下、主轴未报警时，KA2、KA3继电器线圈通电，继电器触点吸合，并且PLC输出点Y00发出伺服允许信号，KA1继电器线圈通电，继电器触点吸合。
当主轴交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，主轴变频器上加上AC380V电压，若有主轴正转或主轴反转转速指令时，PLC输出主轴正转Y10和主轴反转Y11有效，主轴转速指令输出对应于主轴转速的直流电压值（0-10V）至主轴变频器上，主轴按指令值的转速正转或反转。
当有换刀指令时，经过系统处理转变为换刀信号，PLC输出Y06有效，KA6继电器线圈通电，继电器触点闭合，交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电动机正转；当PLC输出Y07有效时，KA7继电器线圈通电，继电器触点闭合，交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电动机反转，延时一定时间后,PLC输出Y07有效撤销，交流接触器主触点断开，刀架电动机反转停止，换刀过程完成。
图2-19直流控制回路
PLC控制部分
2.1可编程控制器概述
可编程控制器（以下简称PLC）是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置，目前已广泛应用于各种工业设备。
可编程控制器是计算机技术与自动控制技术有机结合的一种通用工业控制器。
在此之前，机床的顺序控制是以机床当前运行状态为依据，使机床按预先规定好的动作依次地工作，这种控制方式的实现，是由传统的继电器逻辑电路RLC完成的。
RLC是将继电器、接触器、按钮、开关等机电式控制器件用导线、端子等连接起来的电路，以实现规定的顺序控制功能。
1969年，美国DEC公司研制出世界上第一台型号为“PDP-14”的可编程控制器，在通用汽车公司的自动装配线上使用，获得了成功。
因为这种装置当时称为“可编程逻辑控制器”（ProgrammableLogicController），故简称PLC。
可编程控制器是一种数字运算电子系统，专为在工业环境下运用而设计。
它采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工业控制系统，且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计。
数控机床的控制由数控装置和可编程控制器协调配合共同完成：
数控装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等；可编程控制器（以下简称PLC）主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有实现轨迹运动上的具体要求。
1．可编程控制器（PLC）具有如下特点：
（1）PLC是一种专用于工业顺序控制的微机系统。
为了适应顺序控制的要求，PLC省去了微机的一些数字运算功能，而强化了逻辑运算控制功能，是一种介于继电器控制和微机控制之间的自动控制装置；
（2）PLC是专为在恶劣的工业环境下使用而设计的，所以具有很强的抗干扰能力。
除输入输出部分采用光电隔离的措施外，对电源、运算器、控制器、存储器等也设置了多种保护和屏蔽。
PLC没有继电器那种机械触点，因此，不存在触点的接触不良、熔焊、磨损和线圈损坏等故障；
（3）相对于RLC，PLC采用软件实现用户控制逻辑，结构紧凑、体积小，很容易装入机床内部或电气箱内，便于实现动作复杂的控制逻辑和数控机床的机电一体化；
（4）目前大多数的PLC，均采用梯形图编程方式。
梯形图与继电器逻辑控制电路图十分相似，图形符号形象直观、工作原理易于理解和掌握、编程简单、操作方便、改变程序灵活；
（5）PLC可与编程器、个人计算机等联接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断、存储和传送等操作。
2．可编程控制器的分类：
从数控机床应用的角度可编程控制器可分为两类：
一类是CNC的生产厂家专为数控机床顺序控制而将数控装置（CNC）和PLC综合起来而设计制造的“内装型”PLC。
另一类是专业的PLC生产厂家的产品，它们的输入输出信号接口技术规范，输入输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能均能满足数控机床的控制要求，称为“独立型”PLC。
3．可编程控制器的组成及工作方式：
PLC实质是一种专用计算机，它的组成形式基本上与微机相同，主要包括：
微处理器（CPU）、存储器、用户输入输出部分、输入输出扩展接口、外围设备以及电源等。
对于内装型PLC，CPU、存储器、外围设备、电源等部分一般与CNC装置共用。
PLC的基本工作方式是顺序执行用户程序，每一时刻执行一条指令，由于相对于外部电气信号有足够的执行速度，从宏观上看是实时响应的。
对用户程序的执行一般有循环扫描和定时扫描两种，扫描过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，图3-1为数控车床中的PLC系统。
图3-1数控车床中的PLC
2.2FANUC0iMate-DB的一些主要程序
1.主轴参数的设置
（1）、主轴速度参数：
在3741中设定10V对应的主轴速度。
（2）、主轴控制电压极性参数：
系统提供的主轴模拟控制电压必须于连接的变频器的控制极性相匹配。
当使用单极性变频器时可通过参数3760：
#7（TCW）#6（CWM）来控制主轴速度输出时的电压极性（采用默认设置即可）
（3）、速度误差调整
当主轴的实际速度合理论速度存在误差时，往往是由于主轴倍率不正确或者输出电压存在零点漂移而引起的。
如是后者的原因可通过相关参数进行调整。
先将指令转速设为“0”，测量JA40电压输出端，调整参数3731（主轴速度偏移补偿值），使得万用表上的显示值为0MV。
设定值=-1891*偏执电压
再将指令速度设为主轴最高转速（参数3741设定的值）测量JA40的电压输出端，调整参数3730（主轴速度增益），先设定1000，然后测量输出电压，调整的设定值=10V*参数3730的设定值测定的电压值，使得万用表的显示值为10V.再次执行S指令,确认输出电压是否正确。
主轴程序如下：
2.润滑泵
润滑泵在这是一个辅助的功能，在这里我们的要求是：
（1）、每次开机自动打油15S。
（2）、正常时打油30S，间隙5分钟。
（3）、可手动打油（每次大有时间为25S）。
（4）、可通过M15打油（每次打油5S）。
润滑泵的程序如下：
3.刀架功能调试
（1）、刀架的操作：
刀架换刀有两种模式，一种是手动换刀，一种是通过T指令进行自动换刀。
（2）、刀架控制原理：
系统发出换刀信号通过PMC输出一个刀架正传的信号，刀架电机正向旋转，刀架开始找刀。
刀架的刀位检测电路在正向旋转地过程中输出刀位信号，每个刀位各有一个霍尔位置检测开关，各刀具按顺序依次经过发磁体位置产生相应的刀位信号输入到PMC中，当实际刀位和目的刀位寄存器中的刀位相一致时，刀具刀位。
系统通过PMC输出刀架锁紧信号，刀架反转，锁紧时间可通过程序进行设定，时间不宜过长或过短。
过长就有可能烧坏电机或造成电机过热空开跳闸，时间过短有可能造成刀架不能够锁紧。
刀架锁紧以后，整个刀架过长结束。
刀架的程序如下：
结论
在这次毕业设计中，我在对数控车床的工作原理以及内部结构的分析研究的基础上，进行了FANUC0iMate-DB数控车床的电气系统设计，它具有高速、精密、可靠、经济等特点。
车床的电气系统设计是整个车床的核心部分，主要分为强电回路设计、控制回路设计、PLC输入输出设计、伺服驱动进给设计和主轴驱动设计五个方面，要求绘制出整个车床的电器原理图。
在此次设计中，我在认真地分析了FANUC0iMate-DB数控系统的同类车床的基础上，在查阅了大量车床电气系统资料的前提下，在实地考察了车床的工作环境以及工作所需的各种外部条件的基础上，对其电气系统进行了完整的设计改造，并绘制出了完整的车床的电器原理图。
在主轴电机工作方面，刀架电机工作方面，进行了合理的设计，使它们的运行反应更迅速，工作更准确，使机床的工作运行更稳定，制造成本更节省。
但是由于时间的关系和实际的条件有限，此次设计工作还只是一个起步，但是通过这次设计为以后的数控车床的改造、研发奠定了基础。
在此次设计中也存在着不足之处，由于实际条件，此次设计中没有考虑到油泵润滑电机的设计，以及刀架电动卡盘的设计，是以后的设计工作中改进的重点。
通过此次设计，也使我受益非浅，不仅是我了解了一台数控车床的电气系统工作原理，更是我学会了很多电气设计方面的知识，不仅丰富了我自己，而且也弥补了以前学习过程中的漏洞，虽然时间不长，但是收获颇丰，但是由于时间的关系，以及本人的能力有限，此次设计中也存在着需要改进的地方和不足之处，希望各位老师给与点拨和指教。
参考文献
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（3）、顾京.数控机床加工程序编制[M].北京:
机械工业出版社，2009（3）
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（6）、戴一平.可编程控制器技术及应用[M].北京:
机械工业出版社,2009
（7）、戴一平.可编程序控制器逻辑控制案例[M].北京:
机械工业出版社,2009
（2）
致谢
大学的学习生活即将结束，在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。
本文能够成功的完成，要特别感谢我的指导老师沈军达老师的关怀和教导，感谢各位师兄师姐特别是殷华蓓师姐的关心和帮助。
最后还要感谢我的父母，是他们一直在背后支持着我。
谨以此文献给他们！
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