机电一体化数控车床电气柜设计论文.docx

1、机电一体化数控车床电气柜设计论文(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)毕业设计说明书二级学院（系） 电气电子工程学院 专 业 机电一体化 摘 要数控机床由普通机床发展而来，它集机械、液压、气动、伺服驱动、精密测量、电气自动控制、现代控制理论、计算机控制和网络通信等技术于一体是一种高效率、高精密、能保证加工质量、解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备，并正逐步取代普通机床。数控机床的广泛的使用，给机械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来了深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家和企业现代化水平的重要标志。本设计主要对电气柜等设计。关键词：数控车床；FANUC；电

2、气柜设计 摘要 1第1章 绪论 21.1 数控机床电气控制系统的发展 21.2 强电控制柜简介 31.3 电气控制系统设计的意义 4第2章 电气柜的设计 52.1 电气柜柜体设计 52.2 元器件选型 82.3 电气控制柜组件的划分 132.4 抗干扰和接地对策 132.5 电气控制柜接线的注意事项 182.6 电气控制柜总体配置设计 18第3章 调试 203.1 手动进给的调试 203.2 全闭环伺服系统的调试 203.3 系统综合调试 22第4章 结论 23参考文献 24致谢 25附录一：数控车床电气柜柜体图 26附录二：数控车床布局说明 27附录三：FANUC 数控系统设备电气图（另附页

3、） 30第1章 绪论目前，数控技术已被世界各国列为优先发展的关键工业技术，成为国际间科技竞争的重点。数控技术的应用将机械制造与微电子、计算机、信息处理、现代控制理论、检测技术以及光电磁等多种学科技术融为一体，使制造业成为知识、技术密集的大学科范畴内的现代制造业，成为国民经济的基础工业。1952年，美国研制的世界第一台三坐标数控机床，其特点是用三个数控伺服系统代替了传统的机械进给系统。早期的数控机床同普通机床相比，除进给系统是数控伺服系统外，外形和结构基本相同。我国现在生产的经济型数控机床，就属于这种类型，因为这些产品是在普通机床的总体结构基础上经局部改进而发展出来的。数控机床不仅表现为数量迅速

4、增长，而且在质量性能和控制方式上也有明显改善。数控机床加工工件时，完全根据计算机发出的指令自动进行加工，不允许频繁测量和进行手术补偿，这就要求机床结构具有较高静刚度与动刚度，同时要提高结构的热稳定性，提高机械进给系统的刚度并消除机械传动间隙，消除爬行。这样，可以有效避免振动、热变形、爬行和间隙影响被加工工件的精度。数控机床在当今机械加工设备中有着举足轻重的作用，而机床有CNC、PLC、进给伺服驱动系统、主轴伺服驱动系统、辅助装置等部分组成。其中主轴是不可或缺的。高速铣削加工在高速切削加工中扮演着最重要的角色,而高速机床所选用的主轴系统特性的优劣,又直接影响着高速铣削加工的质量。1.1 数控机床

5、电气控制系统的发展数控机床电气控制系统的发展与数控系统、伺服系统、可编程控制器的发展密切相关。(一）数控系统的发展随着微电子技术和计算机技术的飞速发展。数控系统的功能不断的增多、柔性不断增强、性能价格比不断提高。当前数控系统正朝着下面几个方面发展。1. 高速度、高精度化2. 智能化数控系统应用高技术的重要目标是智能化。智能化主要体现以下几个方面：（1） 自适应控制技术（2） 附加人机会话自动编程功能（3） 具有设备故障自诊断功能3. 小型化4. 计算机群控5. 具有更高的通信功能（二）伺服系统的发展早期的数控机床伺服系统多采用晶闸管直流驱动系统。并且采用了闭环控制，以获得良好的动静态特性。但是

6、由于直流电动机受机械换向的影响和限制，大多数直流驱动系统适用性差，维护比较困难，而且其恒功率调速范围小。20世纪80年代以后，交流驱动系统进入实用阶段。目前交流伺服驱动系统已经基本取代了直流伺服驱动系统。图1-1数控机床系统伺服（三）可编程控制器的发展1969年在美国出现第一台可编程逻辑控制器（PLC programmable logic controller）以来，经过多年的发展，PLC现在已成为一种重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。1.2 强电控制柜简介强电控制柜主要用来安装机床强电控制的各种电气元件，除了提供数控、伺服等一类弱电控制系统的输入电源，以及各种短路过载、欠压等

7、电气保护外，主要在PLC的输出接口与机床各类辅助装置的电气执行元件之间起连接作用，控制机床装置，如各种交流电动机，液压系统电磁阀或电磁离合器等。此外，它也与机床操作台有关手动按钮连接。强电控制柜由各种中间继电器、接触器、变压器、电源开关、接线端子和各类电气保护元件等构成，它与一般普通机床的电气类似，但为了提高对弱电控制系统抗干扰性，要求各类频繁启动或切换的电动机、接触器等其中的电磁感应器件中均必须并联RC阻容吸收器；对各种检测信号的输入均要求用屏蔽电缆连接。1.3 电气控制系统设计的意义电气柜的设计、电气线路的设计是数控机床靠可靠性的最重要关口，设计的先天缺陷对产品的可靠性影响非常大，有时是无

8、法补救的。一定尽量在设计中避免上述问题的出现，不要等出现问题再去补救，费时费力且会对厂家的信誉产生影响。通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3.使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风。第2章 电气柜的设计2.1 电气柜柜体设计在设计电柜时，必须充分考虑电柜运输和使用的环境条件，比如：温室中，它运行时的

9、温度最好在045 ；在存贮或运输中。最好在-20 60 之间。还有湿度通常小于等于75%，短期（一个月内）最好小于等于95%。当然，还要考虑振动、海拔高度等等其他因素。（一）电柜的密封电柜的密封需满足运输和使用的环境要求，设计电柜时必须有效防止灰尘、冷却液和有机溶液的进入，防止其对设备造成伤害。1.密封装置在空气入口处使用空气过滤器，控制气流以保证进入空气入口的灰尘量。换气风扇也应加过滤器处理。风扇要装在控制柜下面的要进风，上面或顶上的要出风，（热空气上升)，电气柜内装有变频器等大功率发热设备，那么电气柜上的风扇排气量要大于内部设备的总排气量。图2-1风扇或空气入口空气过滤器及护罩2电缆锁紧装

10、置使用电缆锁紧装置进行密封，可同时起到电缆的固定作用。另外，以下情况会导致间隙过大，而导致密封程度过低：(1)密封圈的单孔内穿进多根电缆者;（2）密封圈没有完全套在电缆护套上或将密封圈割开套在电缆上的；（3）密封圈与电缆护套之间有其它包扎物者;（4）密封圈部分破损；（5）一个进线嘴内多个密封圈的；（6）密封圈内径大于引入电缆外径超过1mm；（7）密封圈厚度电缆外径的0.7倍、密封圈内外径差电缆外经的0.3倍者。图2-2电缆锁紧装置及孔堵图片3电柜门及操作站的密封处理使用密封胶条或其他密封措施进行密封处理。如果电柜或操作站部分密封不够充分，灰尘就会不断穿过缝隙而附着在单元上，灰尘累积会引起绝缘效

11、果的恶化。图2-3柜门加密封胶条可防止灰尘累积（二）电柜温升设计1.设计电柜时，需保证电柜内的温度上升时柜内和柜外的温度差不超过10摄氏度。2.一个封闭的电柜必须安装风扇（或空调等换气冷却装置）以保证内部空气的循环。风扇需作调整设计以保证空气以0.5msec的速度流过每一个安装单元的表面，但不能直吹，如果空气由风扇直接吹向单元，灰尘会很容易附着，容易引起单元的故障，缩短元件使用寿命。热交换器的排风尽量保证能够直接作用到伺服或用电设备。3.冷风机和空调的安装使用有两种安装方式，顶装与侧装。顶装的优势在于热空气往上，机柜底部应开通风口，形成自下而上的空气流动，这样在电器元件表面不容易形成热点和局部

12、的热导效应。冷风机主要以给排风为主，即向柜外抽风式。当风机无法达到机柜内降温的要求时，可选装机柜空调。选装机柜空调时应注意功率选择，功率过大会使机柜内温度低于或等于28度，极可能形成凝露现象，这将导致电器元件短路等问题。此外，过大功率的机柜空调制冷时间过短，工作与非工作状态切换频率过高，对机柜空调本身的使用寿命有很大影响。4.模块放大器的安装使用带有散热片的模块尽量将散热片安装在电柜外部，因为散热片对柜内温度影响很大，同时为防止环境影响可考虑给散热片增加防护。各种模块发热量及计算方法参考“ 电柜温升计算”。 图2-4 将模块散热片置于电柜外部 图2-5 防护设计（三）电柜柜体的抗干扰设计电柜设

13、计时还必须考虑到尽量降低噪声，并且防止噪声向CNC单元传送，在柜体设计时须考虑元件的布局情况，尽量减少元件之间相互干扰情况。1单元在电柜内部的安装和排列必须考虑检查和维修的方便，元件分交直流布置，走线尽量做到交直流分离，因此要在设计柜体时充分考虑各元件安装情况。2如果有电磁辐射的元件（比如变压器，风扇风机，电磁接触器，线圈和继电器）安装在显示器附近，他们经常会干扰显示器的显示。电磁元件位置固定且和显示器之间的距离小于300mm时，可以通过调整电磁元件的方向来降低对屏幕显示的影响。3. 柜体设计时充分考虑柜体接地策略，预先设计好接地点，详细参考“ 电柜的抗干扰和接地对策”。（四）电气柜的制造工艺

14、对于电柜板金的制作要求首先是能够为柜内电气设备提供一个可靠的保护箱体，同时必须拥有良好的接地。在实际生产中柜内接地螺丝只是使用镀锌螺丝且由于使用焊接的方法固定在柜内，使得被焊接后的螺丝很快就发生锈蚀现象。况且电柜还要经过油漆烘漆等柜体防腐蚀和美观处理，这样一来接地螺丝反而成了“准绝缘螺丝”，其接地效果会大打折扣。所以电柜制作时一般采用铜质螺柱，电柜的柜门将全部焊上接地桩而取代过去的接地螺丝。以解决以前“准绝缘”螺丝的问题。电源线导体截面S （mm2）接地铜导体件最小截面Q（mm2）接地螺柱直径 （mm）S4Q=S，但Q不小于1.5M64S120Q=70M10表2-1接地导体、螺柱关系表2.2

15、元器件选型低压电器选型的一般原则：1.低压电器的额定电压应不小于回路的工作电压，即UeUg。2.低压电器的额定电流应不小于回路的计算工作电流，即IeIg。3.设备的遮断电流应不小于短路电流，即IzhIch4.热稳定保证值应不小于计算值。5.按回路起动情况选择低压电器。如，熔断器和自动空气开关就需按起动情况进行选择。（一）熔断器作用：短路保护，做过载保护使用时，可靠性不高，因此不考虑价格因素断路器更可靠稳定。（二）断路器作用：过载保护，短路保护，欠压保护图2-6断路器1.正常工作条件 周围空气温度 周围空气温度上限+40; 周围空气温度下限-5; 周围空气温度24h的平均值不超过+35。 海拔:

16、安装地点的海拔不超过2000m。 大气相对湿度在周围空气温度为+40时不超过50%;在较底温度下可以有较高的相对湿度;最湿月的月平均最大相对湿度为90%,同时该月的月平均最低温度+25，并考虑到因温度变化发生在产品表面上的凝露。 污染等级：污染等级为3级。2.一般选型需满足以下几点要求：1.断路器额定电压线路额定电压；2.断路器额定电流线路计算负荷电流；3.断路器脱扣额定电流线路计算负荷电流；4.断路器极限通断能力线路中最大短路电流；5.线路末端单相对地短路电流不小于1.25倍的自动开关瞬时（或短延时）脱扣整定电流；6.断路器欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。3.电动机保护用自动开关的选型

17、需满足以下几点要求：1.长延时电流整定值电动机额定电流；2.六倍长延时电流整定值的可返回时间电动机起动时间；3.鼠笼形瞬时整定电流为815倍脱扣器额定电流；绕线形瞬时整定电流为36倍脱扣器额定电流。（三）接触器作用：接触器用来接通和分断负载。与热过载继电器组合，保护运行中的电气设备。与继电控制回路组合，远控或联锁相关电气设备。接触器选型原则：接触器的选型主要需要确定种类，负载类型，主回路参数，控制回路参数辅助触点，以及电气寿命，机械寿命等多种情况综合考虑。1.根据使用目的和要求选型：注意严格区分主回路负载类型是直流还是交流。交流接触器不同于直流接触器，用于直流负载时只适用于DC-1至DC-5负

18、载，对于DC-5以上的直流负载建议使用直流接触器。另外电容接触器不能用普通交流接触器替代。注：DC-X指直流-使用类别，不做详细介绍，DC-5指的是串励电机的起动、反接制动与反向运转、点动，电机动态分断情况。2.根据负载类型和主回路参数选型：主回路参数主要是额定工作电压、额定电流、极数、通断能力、绝缘电压和耐受过载能力等。尤其要注意负载类型。接触器可以运行在不同的负载类型下，但是对应的型号不同，不能完全依靠主极电压和功率选型。3.控制回路及辅助触点：接触器的线圈电压按照控制回路电压确定。目前，国产接触器一般只有交流线圈。如果需要直流线圈，需要选择进口产品。对于辅助触点，不同接触器所允许安装辅助

19、触点的位置和个数均不同，需根据实际情况进行选择。4.电气寿命和机械寿命：在设计过程中，如果对电气寿命有严格超过数百万次要求，需特殊注意根据样本进行选择符合要求的接触器类型。（四）变频器变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压

20、、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也一样得到了非常广泛的应用。 图2-7 变频器（五）开关电源 直流电源在电气线路设计中的合理使用非常重要，原则上系统的输入、输出用电源尽可能要采用不同的电源，即每台机床至少有两个开关电源，一个提供系统、IO、面板、光栅接口及输入X地址使用，一个给输出Y（DOCOM）地址提供电源驱动柜内或机床外围元件使用。不要简单地增加电源容量。严禁电源并联使用。开关电源有以下参数需在选型时关注：1.开关电源的安装方式，导轨安装或直接固定2.温度范围有三个参数：工作温度、满载温度及存储温度，需根据现场工作环境进行选择。3.输入电压及频率范围，一般输入交流电压1

21、10V-240V，50-60Hz，也有直流输入规格，如有特殊需要可根据样本进行选择。4.防护等级，根据现场环境情况确认。 5.环境湿度要求，不同质量的电源能够承受的湿度范围不同，具体需参考相应电源样本确定。6.过载性能：根据样本中的VI、IT进行确认能否达到现场使用要求。7.输出电压的可调范围，不同输入状态下可获得更佳的输出电压范围。额定输出电流，根据负载情况决定，为保证负载的稳定运转，电源容量需有一定余量，同时基于节能考虑，当使用一个电源带多个负载回路时，要清楚负载回路的时序，选择电源容量大于联动负载最高值即可满足。8.尽量将开关电源安装在远离强干扰源的位置。9.推荐的外部24VDC电源（稳

22、压电源）指标：电源电压必须满足UL1950的要求。输出电压范围：24V10%(21.6V26.4V)。负载的波动（包括突变电流）：由于外部输出或其它因素使负载波动时输出电压波动不要超出允许范围。允许的输入瞬间中断持续时间（供参考）：10ms(输入幅值下降100时)20ms（输入幅值下降50时）。（六）接线端子的选型及布置规范在接线过程中，需尽量按以下规范布置端子排走线：1.交、直流分开在同一类型的端子排中，如果有分配直流的，还有分配交流的，那么把分配直流的端子排和分配交流的端子排分开。要么先直流后交流，要么先交流后直流。即把其中一种排完再排另一种。这样便于走线，也防止出现错误。2.每个端子排上

23、有2个或多个点相通，每个点内只能有一个端子。所以，在用端子排分线的时候，一定要数清接点的个数，不够用的可使用短接片连接多个端子排，以满足使用需要，并以此来确定端子排的数量。图2-8使用短接片连接图:端子排排号的方法有多种，最常见的就是用阿拉伯数字依次排序，或者用原理图上的线号直接标记。3.接到端子排上的线号，要与端子排的接点一致，便于查线。因为0V和24V的端子排的数量比较多，所以用短接片短接在一起，但是为了明确各个不同出处及去处的端子，便在线号0V和24V后面加上表示它们在端子排上的位置的线号。例如三点的端子排，由上至下依次标记为A、B、C点。接线表中接到端子排的A点上的0V标记线号为0VA

24、，接线表中接到端子排的B点上的0V标记线号为0VB，依次类推。这样便于在接线过程中正确接线，防止出现所接线过长过短或线号标记方向错误的问题。4.接地端子排的使用图2-9接线端子图中可以看出接地端子和普通端子的设计区别在于接地专用端子导轨卡脚处是金属铜片连接，而导轨和背板通过螺丝或铆钉连接，同时背板会接地，但由于中间转接环节多，电阻较大，通常在接地端子排完成后加接一条较粗的接地线直接接地。2.3 电气控制柜组件的划分 由于各种电器元件安装位置不同，在构成一个完整的电气控制系统时，就必须划分组件。划分组件的原则是：(1)把功能类似的元件组合在一起； (2)尽可能减少组件之间的连线数量，同时把接线关

25、系密切的控制电器置于同一组件中； (3)让强弱电控制器分离，以减少干扰； (4)为力求整齐美观，可把外形尺寸、重量相近的电器组合在一起； (5)为了电气控制系统便于检查与调试，把需经常调节、维护和易损元件组合在起。2.4 抗干扰和接地对策 电磁干扰有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。在高速PCB及系统设中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。因为表面安装和大规模集成电路的应用

26、，CNC的体积已经得到稳步减小。设计上也可以防止外部的噪声对CNC的损坏。然而，很难定量测量噪声的水平，并且噪声有很多不确定的因素。防止内部噪声的产生和防止外部噪声传入CNC都非常重要。如果能注意到这些，就会提高CNC加工中心的稳定性。CNC的功能部件经常和电柜中的能产生噪音的电磁元件装在一起。可能传入CNC的噪声源有电容耦合、电磁感应和对地的循环。以下这些措施实施简单，效果明显，能够很好的提高抗干扰能力。（一）信号线的分离机床中使用的电缆种类如下所述：组信号线抗干扰处理办法A初级交流电源线将A组电缆与B组和C组电缆分开捆绑（分组捆绑时两组电缆间距离至少10cm）。或者将A组电缆进行屏蔽（使用

27、接地板在两组间进行屏蔽）在线圈或者继电器上安装灭弧装置或者二极管。次级交流电源线交流直流电源线（包括伺服和主轴电机的电源线）交流直流线圈交流直流继电器B直流线圈（24VDC）将直流线圈和继电器与二极管连接起来。将B组电缆与A组电缆分开捆绑，或者将B组电缆进行屏蔽。B组电缆与C组电缆尽量远离。建议将B组电缆屏蔽处理。直流继电器（24DC）CNC和强电柜之间的DIDO电缆CNC和机床之间的DIDO电缆连接控制单元及它外围设备的24-VDC输入电源电缆CIO LINK电缆将C组与A组电缆分开捆绑，或者将C组电缆进行屏蔽。C组电缆与B组电缆尽量远离。用于位置和速度反馈的电缆CNC与主轴放大器之间的电缆

28、位置编码器的电缆手摇脉冲发生器的电缆CNC与CRTMDI之间的电缆RS-232-C与RS-422用的电缆电池用的电缆其它屏蔽用的电缆表2-2 机床使用电缆的分类及抗干扰处理措施（二）接地接地的含义是提供一个等电位点或等电位面。接地可以接真正的大地，也可以不接，例如飞机上的电子电气设备接飞机壳体就是接地。如果接的是大地，则地线的电位就是大地电位，为零电位。1.接地的目的接地的目的有两个，一是为了保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，这类地线称为保护地线，应与真正的大地相连接。由于电柜壳体是通过保护地线接大地的，机壳始终保持大地电位，即使人手接触柜体也不会发生危险。如果不接保护地线，故

29、障时柜体电位很高，这时人手触及柜体，故障电流就会全部流过人体入地，从而产生触电的危险；二是为了保证设备的正常工作，例如直流电源常需要有一极接地，作为参考零电位，其他极与之比较。信号传输也常常需要有一根线接地，作为基准电位，传输信号的大小与该基准电位相比较。对设备进行屏蔽时在很多情况下只有与地相结合，才能起到应有的效果。这类称为工作地线，在电子设备中一定要注意工作地线的正确接法，否则会产生共地线阻抗干扰、地环路干扰或共模电流辐射等等。2.接地的方式1.单点接地：即把各个接地点用工作地线串联起来，然后接地。这种接地方式在频率较低、地线阻抗不大、组内各电路的电平又相差不大的情况下使用比较多，比较简单

30、，电路布线比较容易。但是由于电源回流的影响，很容易产生共阻抗干扰。2.单点并联接地：用这种方式接地的各电路的地电位只与本电路的地电流及电线阻抗有关，不受其他电路的影响。在实际电路布置中，常常把单点串联接地和单点并联接地方式结合起来使用。单点接地只适用于低频电路，较长的地线应尽量减少其阻抗，特别是减小电感，例如增加地线的宽度，采用矩形截面导体代替圆导体作地线带等等。3.多点接地：多点接地的思路是把需要接地的电路就近接到一金属面上，各电路接地点到金属面的引线要尽可能缩短。金属面要导电好、面积大，这样阻抗很小，不易产生共阻抗干扰，还可改善地线的高频特性。（三）噪音抑制器强电柜中要用到线圈和继电器。当

31、这些设备接通断开时由于线圈自感应会产生很高的脉冲电压。导线中的脉冲电压会对电子线路产生干扰。我们在电柜中采用了灭弧装置，有效的抑制了导线中的脉冲电压。选择灭弧装置的注意事项1.选择由电阻和电容组成的灭弧装置，这种灭弧装置被称为CR灭弧装置。（在交流中使用）（电阻在限制脉冲电压的峰值时有用。但不能限制脉冲电压突然升高的电流，所以我们使用CR灭弧器。）2.灭弧器的电容和电阻参考值由静态线圈的直流阻值和电流来决定。（1） 电阻（R）：线圈的等效直流电阻（2） 电容（C）： I210到I220 （uF）I：线圈的静态电流图2-10 噪音抑制器原理图选用CR类型的噪声消除装置，因为相比与电阻类型的噪声消除装置，它即可以限制脉冲电压的峰值，又能限制脉冲电压突然的上升沿。二极管用于直流电路选用耐压值约为外加电压的2倍，耐电流约为外加电流2倍的