数控立式车床电气控制系统设计毕业设计论文

1、南京工程学院 工 业 中 心 本科毕业设计说明书（论文） 题 目： 数控立式车床电气控制系统设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号：学生姓名： 指导教师： 丁文政 起迄日期： 2014.2.24 6.13 设计地点： 工程实训中心07号楼 毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要：目前我国已成为世界数控机床最大的生产国、进口国、消费国，数控机床在我国国民工业经济的各个领域尤其是高科技领域发挥了重要的作用。本文主要介绍了数控立式车床电气控制系统设计，数控立式车床是一种自动化程度高，结构复杂且又昂贵的先进加工设备，主要用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对小的重型及大型工件。设计采用SINU

2、MERIK 802D SL数控系统，SINUMERIK 802D SL数控系统有效实现了的X轴和Z轴联动控制,本课题数控电气控制系统的设计内容主要包括数控电气控制系统组成及连接、数控系统中PLC程序的设计及调试、数控系统的调试及系统基本参数的设定。关键词： 802Dsl数控系统；伺服电机；PLC；立式车床；毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Design of NC vertical lathe electrical control system AbstractAt present, China has become the world's largest CNC machin

3、e tool producer, has played a crucial role in the largest consumer, the largest importing country, CNC machine tools in all areas of our national industrial-economy, especially high-tech fields. This paper mainly introduces the design of NC vertical lathe electrical control system, NC vertical lathe

4、 is a high degree of automation, which has structure of complex and expensive advanced processing equipment and mainly used for processing heavy and large workpiece, which is the big radial size and small axial size relatively.The design used SINUMERIK 802D SL NC system, the coordinated movemen

5、t about X and Z axis could be implemented by SINUMERIK 802D SL numerical system effectively. The design about numerical control electric system components of hardware, the connecting method, PLC program design and debugging of CNC system, CNC system debugging and the system's basic parameter set

6、ting.Keywords : SINUMERIK 802D SL NC system; servo motor; PLC; vertical lathe目 录前 言1第一章 绪 论21.1数控机床21.2数控技术的发展历程及以后的趋势21.3 数控车床的工作原理和组成部分41.3.1 数控车床的工作原理41.3.2 数控车床的组成部分41.4选题背景与意义6第二章 伺服电机参数计算72.1 伺服电机概述72.2伺服电机参数计算72.2.1 滚珠丝杆的选择82.2.2滚珠丝杆的校核112.2.3伺服电机的选型14第三章 数控立式车床的电气原理图设计193.1 数控立式车床常用电器元件193.2

7、 设计电气控制要求243.2.1工作台电动机M5控制设计243.2.2液压泵电动机M4运动控制设计273.2.3横梁升、降M7控制设计283.2 802D数控系统电气图283.2.1 802D SL 数控系统简介283.2.2 802D SL 数控系统连接293.2.3 数控系统驱动器连接31第四章 数控立式车床控制面板设计324.1 数控立式车床控制面板概述324.2 辅助操作面板设计334.3 MPG手持单元34第五章 PLC程序设计365.1 PLC的基本结构和基本工作原理365.1.1PLC的基本结构 365.1.2PLC的基本工作原理 375.2 PLC在数控机床中的作用和特点385

8、.3 PLC输入/输出与通信接口395.4 PLC程序实例42第六章 数控系统的调试496.1数控系统调试的步骤496.2 数控系统初次通电496.3 PLC应用程序的调试516.4 驱动器调试51第七章 总结与展望59参 考 文 献60致 谢61前 言我国是制造业大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，所以我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。根据国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）明确规定了“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项要“重点开发航空航天、船舶、汽车制造、发电设备制造等需要的高档数控机床”，“逐步提高我国高档数控机床与基础制造

9、成套装备的自主开发能力，满足国内主要行业对制造装备的基本需求”。数控立车与普通立式车床相比具有精度高、加工灵活、通用性强、生产效率高、质量稳定等优点、在企业生产中有着至关重要的地位。数控立式车床系统又是数控立式机床的核心,而数控系统的性能保障是数控机床的电气控制系统。数控系统方面主要有日本的 FANUC 系统、德国西门子(SIEMENS)系统、德国的海德汉系统以及我国的华中数控控制系统、广州数控控制系统等等。其中日本的 FANUC 系统应用最广，控制功能完善，所以得到了广泛推广，其次是西门子（SIEMENS）系统，本次设计应用SIEMENS 802D SL T/M系统。本次设计的内容是数控立式

10、车床的电气原理图设计、伺服电机的选型计算、数控立式车床内部PLC程序设计等等。设计的目的是培养综合运用基础知识和专业，解决工程实际问题的能力，提高创新能力，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、模拟调试、使用手册等基本技能，培养正确的设计思想和严肃认真的科学态度。第一章 绪 论1.1数控机床数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。它把机械加工过程中各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。通过运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和

11、尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床可以较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。1.2数控技术的发展历程及以后的趋势1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。1949年，该公司与美国麻省理工学院(MIT)开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带

12、自动换刀装置的数控机床，称为加工中心( MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称 CNC)，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自

13、动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。从发展方向来看，数控技术将朝着以下几个方面发展：11.高速度、高精度化。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。主轴转数在 30000r/min（有的高达 100000 r/min）以上；轴移动速度：当分辨率为 1m 时，在 l00m/min（有的达200m/min）以上，当分

14、辨率为 01m 时，在 24m/min 以上。同时，采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。由于机床控制系统中位置环、速度环中的检测元件精度越来越高，目前主轴定位精度已经达到0.020.05m，普通的数控机床定位精度已达到 2m，精密的数控坐标镗床、落地镗床定位精度已达到 11.5m。2.多功能化。配有自动换刀机构(刀库容量可达100把以上)的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。3.智能化。现代数控机床将引进自适应控

15、制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。4.数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图 形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从 而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。6.控制系统小型化。数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前 主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系

16、统的占有空间。1.3 数控车床的工作原理和组成部分1.3.1 数控车床的工作原理按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。1.3.2 数控车床的组成部分数控机床一般由输入输出设备、CNC装置、伺服单元、驱动装置、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。图1.1数控车床的组成部分 机床本体机床本体是加工运动的实际机械部件，由主

17、轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置还有液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。数控机床除了应具有更好的刚性和抗振性，特别是相对运动面的摩擦系数要小、传动部件的间隙要小之外，好应具备自动变速、自动换刀和自动诊断故障等功能，以适应自动控制的需要。所以机床设计应紧密联系机床的技术要求。 CNC单元CNC单元是数控机床的核心，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，将各种指令信息输出给伺服系统，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。伺服系统驱动执行部件作进给运动。其包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、

18、纸带阅读机等）以及相应的软件。 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，现已不适用，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。输出是指输出内部工作参数，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。伺服单元伺服单元包括伺服驱动机构与机床的运动部件，它是数控系统的执行部分。伺服系统的作用就是来自数控装置的各种指令，转换成机床移动部件的运动。在数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功

19、率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。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。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。 驱动装置驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，按照信息要求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，驱动系统是数控机床的重要组成部分。可编程控

20、制器可编程控制器 (PC，Programmable Controller) 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。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，Programmable Logic Controller)。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， Programmable Machine Controller )。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。测量反馈装置测量装置也称反馈元件，它是将数控机床的实际位置，速度

21、以及机床当前的环境参数加以检测，转变为电信号，输送给数控装置，是数控装置能够校核机床的实际情况是否与指令一致。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选题背景与意义本课题主要对数控立式车床的电气控制系统进行研究。随着社会和经济的不断向前发展,大自然的环境承受能力又是有限的,提倡“低碳环保”的生存理念是人类以后追求的发展方向,其中在能源的供应方式上要求尽量采用绿色能源,向尽量较少对大自然环境有污染的方向发展。为此,在目前和今后的一段

22、时期内,风力发电既是环保、低成本的,又是能够创造巨大经济效益的发电模式。正是基于这种情况,目前国内风电项目开展速度非常迅猛,而相关配套的风电轴承需求量也非常大,所以轴承的专用加工设备车床的销量也非常大。结合科技发展的需求设计合理的电气系统是非常重要的。 第二章 伺服电机参数计算2.1 概述伺服电机2是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制精度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号

23、转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。2.2伺服电机的参数计算已知基本参数X轴方向滑座的重量为800KgZ轴方向刀架的重量为500KgZ轴滚珠丝杠按要求有效行程为600mm设计后丝杠总长为800mmX轴滚珠丝杠按要求有效行程为1250mm设计后丝杠总长为1500mmX轴最高移动速度Vmax = 5（m/min）Z轴最高移动速度Vmax = 5（m/min）主轴电机功率P=25KW 工作台的转速范围2400r/min最大行程内行程误差=0.035mm失位量=0.045mm滚珠丝杠的安装、方式为

24、（X方向固定固定、Z方向固定支撑）2.2.1滚珠丝杠的选择1. 确定滚珠丝杠副的导程设Z轴快移速度为Vmax=5m/min伺服电机最高转速Nmax=3000r/min （2-1）式中，Ph滚珠丝杠副的导程此处为了安全考虑Z轴丝杠导程Ph取10mm设X轴快移速度为Vmax=5m/min伺服电机转速为Nmax=3000r/min式中，Ph滚珠丝杠副的导程此处为了安全考虑Z轴丝杠导程Ph取10mm2. 切削力的计算最大切削功率，查机床设计手册 ； （2-2）式中，PQ主电动机功率 主传动系统的总效率，一般为0.70.85，这里取=0.8切削功率应在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切

25、削速度（或转矩）来计算， （2-3） （2-4）式中，Fc主切削力 V最大切削线速度 d 最大工件直径d=1250mm n主轴转速，当工件直径为最大加工直径时n取20r/min 按用硬质合金刀具一般切削钢件时的速度取V=78.5m/min 在一般外圆车削时 取： 式中，Fx纵向切削力 FZ垂直方向切削力3.计算进给率引力Fm作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，因而其数值大小和导轨的型式有关。Fm(N)计算公式如下：三角形或综合导轨 式中，K考虑颠覆力矩影响的试验系数，K=1.15； f 导轨上的摩擦因数，取f=0.150.18,f

26、=0.16； 纵向工作台； 横向工作台；Z轴丝杠所受的力 （2-5） X轴丝杠所受的力 4. 滚珠丝杠平均转速的计算最大切削力的进给速度VS（r/min），可取最高进给速度的1/21/3（取为1/2），丝杠导程为Ph则滚珠丝杆平均转速为 （2-6） 5. 滚珠丝杠寿命的计算丝杠寿命取t=20000h(2班制10h)则丝杠计算寿命 (2-7) 6. 滚珠丝杠副承受最大当量动载荷的计算 (2-8) 式中：fW运转系数，按一般运转取fW=1.21.57.试着选取滚珠丝杠试选取Z轴的滚珠丝杠型号CDM50103,此类型的滚珠丝杠公称直径,导程,钢球直径Dw=6.35mm,丝杠外径d=49,螺纹底42.

27、3,其额定动载荷为38547N,强度足够，钢球循环系列数为1.5×2。试选取X轴的滚珠丝杠型号CDM50103,此类型的滚珠丝杠公称直径,导程Ph=10mm,钢球直径Dw=6.35mm,丝杠外径d=49,螺纹底径，其额定动载荷为59811N,强度足够，钢球循环系列数为2.5×2。2.2.2滚珠丝杠的校核 滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算丝杠的拉伸或压缩变形量、滚珠与螺纹滚道接触变形量和支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形之和应不大于机床精度所允许变形量的。否则，应考虑选用大直径的滚珠丝杠副。滚珠丝杠的变形量计算步骤如下： 1. 丝杠的拉伸或压缩变形量 (2-9) (2-10) 式

28、中， Ph工作负载Fm引起导程Ph的变化量 E弹性模量E=2.1×l05(Nmm2) A丝杠横截面积 L丝杠总长 由于两端均采用推力角接触球轴承，且丝杠又进行可预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍。其实际变形量为 (2-11)2. 滚珠与螺纹滚道间接触变形 滚珠丝杠副及轴承均进行预紧，滚珠与螺纹滚珠道接触变形 Error! No bookmark name given. 式中滚珠数量， J圈数；K列数；z每圈螺纹滚道内的滚珠数。对于型号CDM50103的Z轴的滚珠丝杠滚珠数量为： (2-12)变形量为： (2-13)对于型号CDM50103的X轴的滚珠丝杠滚珠数量为： 变形量

29、为： 因为丝杠加有预紧力，2可减少1/2，因此实际变形量 (2-14)3. 支承滚珠丝杠的轴承轴向接触形变支承X轴滚珠丝杠的轴承为7308B/DB型角接触球轴承，几何参数为d1=40mm,滚动体直径dQ=8mm，滚动体数量ZQ=25，以及N308型圆柱滚子轴承，几何参数为d=40,D=90,B=23。支承Z轴滚珠丝杠的轴承为7308B型角接触球轴承，几何参数为d1=40mm,滚动体直径dQ=6.35mm，滚动体数量ZQ=18，以及N308型圆柱滚子轴承，几何参数为d=40,D=90,B=23。 (2-15) 因施加预紧力，故实际变形量 (2-16) 因此(2-17) 所以所选的丝杠合格，故刚度

30、足够。2.2.3 伺服电机的选型传动比：ix=1.25 iZ=1.67Z轴丝杠螺距10mm，输送重量500Kg，X轴丝杠螺距10mm，输送重量800Kg1. 最大移动速度（V）Z轴电机轴旋转速度3000r/min时，X轴电机旋转速度为3000r/min 2.1立式车床传动结构图 (2-18) 2. 对电机轴换算的负载惯性矩(JL) Z轴丝杠长度为800mm、直径为Ø50mm X轴丝杠长度为1500mm、直径为Ø50mm （2-19） GL为减速比，ix=1.25 iZ=1.67 当输送重量为500Kg时 （2-20）当输入重量为800Kg时 Z轴电机的负载转动惯量为 (2-

31、21)X轴电机的负载转动惯量为3.对电机换算的负载转矩（TL）输送重量600Kg、摩擦系数（µ）0.1、机械效率（）0.9 (2-22)输送重量800Kg、摩擦系数（µ）0.1、机械效率（）0.9 4.容量选择条件允许负载惯量为5倍以下，即JL5JM则JMJL/5，经计算JMZ=28.48 ，JMX=28.94允许负载转矩为0.9倍以下，即TLTR ×0.9 则TR TL/0.9，经计算TRZ=1.93Nm，TMX=1.92Nm5. 临时选择从容量选择条件得X轴伺服电机为 西门子同步电机 1FK7084-2AF71-1ECB0(JM32.5×10-4kg

32、·m2，TR=10Nm，TAC20Nm)从容量选择条件得Z轴伺服电机为 西门子同步电机 1FK7084-2AF71-1ECB0(JM32.5×10-4kg·m2，TR=10Nm，TAC20Nm)6.最短加速/减速时间 (2-23) 加速/减速为0.05s时的加速/减速转矩： (2-24) 7.实效转矩 TrmsZ轴实效转矩 (2-25)式中：X轴实效转矩 由于实效转矩在额定转矩以下，所以该电机可以正常运行。选择结果：Z轴伺服电机为西门子伺服电机型号为1FK7084-2AF71-1ECB0，额定功率为3.1KW，额定转矩为10Nm，额定电流为6.5A,转子惯量为32

33、.5×10-4kg·m2。 X轴伺服电机为西门子伺服电机型号为1FK7084-2AF71-1ECB0，额定功率为3.1KW，额定转矩为10Nm，额定电流为6.5A,转子惯量为32.5×10-4kg·m2。第三章 数控立式车床的电气原理图设计3.1 数控立式车床常用电器元件1. 熔断器熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一，如图2-1所示。 图3.1 正泰熔断器外形图、电

34、气图形及文字符号2、低压断路器低压断路器（曾称自动开关）相当于闸刀开关，熔断器（保险丝一类）等电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行过载和短路保护的电器；是一种不仅可以接通和分断正常负载电流，电动机工作电流和过载电流，而且可以接通和分断电流的开关电器，如图2-2所示。 图3.2 低压断路器外形图、电气图形及文字符号机床电气控制系统目前采用的低压断路器主要为DZ47，其内部一般装设热脱扣器和电磁脱扣器，分别起过载保护和短路保护作用。3、主令电器控制系统中，主令电器是一种专门发布命令、直接或通过电磁式继电器间接作用于控制电路的电器。常用来控制电力拖动系统中电动机的启动、停车、调速及制动等。

35、控制按钮按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。在低压控制电路中，用于手动发出控制信号，如图2-3所示。图3.3 低压断路器外形图、电气图形及文字符号行程开关行程开关又称限位开关，是一种按工作机械的行程，发出操作命令的位置开关。行程开关主要用于行程控制、位置及极限位置的保护等，属于行程原则控制的范围，如图2-4所示。图3.4 行程开关电气图形及文字符号 接近开关 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。4.接触器接触器是一种用来频繁地接通或分

36、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2-5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。图3.5 交流接触器电气图形及文字符号5.继电器继电器是根据某中输入的信号的变化，接通或断开控制电路，实现自动控制的电器。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。中间

37、继电器中间继电器在电路中起到扩大触点数量和容量的中间放大与转换作用。其种类有JZ系列和DZ系列。JZ系列适用于交流电压500V（频率为50Hz或60Hz）、直流电压220V以下的控制电路中；DZ系列主要用于各种继电保护线路中，用以增加保护继电器的触点数量和容量。中间继电器如图2-6所示。图3.6 中间继电器电气图形及文字符号时间继电器主要用于需要按时间顺序进行控制的电气控制系统中。当其检测部分在检测到有或无控制信号后，使其触点延时一段时间闭合或断开。时间继电器如图2-7所示。图3.7 时间继电器电气图形及文字符号热继电器热继电器是一种利用电流的热效应原理来工作的保护电器，专门用来对过载及电源断

38、想进行保护，防止电动机因故障导致过热而损坏。热继电器如图2-8所示。图3.8 热继电器电气图形及文字符号6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3.9所示机床控制变压器适用于频率50Hz60Hz，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3.9 双绕组变压器电气图形及文字符号（2）三相变压器 如图3.10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

39、数控机床中三相变压器主要是给伺服驱动系统供电。图3.10 三相变压器电气图形及文字符号5直流稳压电源 如图3.11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3.11 直流稳压电源电气图形及文字符号3.2设计电气控制要求从图可知，立式车床由5台电动机拖动：主轴电动机M5，液压泵电动机M4，横梁升降电动机M7。进给轴X电机SMX，进给轴Z电机SMZ。只有在液压泵电动机M4启动运行、机床润滑状态良好的情况下，其他电动机才能启动。3.2.1 工作台电动机M5控制设计工作台电动机M5可采用Y

40、-减压启动控制，如图2.12所示，也可采用正、反转点动控制，还可采用停车制动控制，由主拖动电动机M5拖动的工作台还可以通过电磁阀的控制来达到变速的目的。图3.12工作台运动主电路图3.12工作台运动控制电路1. Y启动按压起动运行按钮PB1（8-3区），经PLC按已存程序判断使接触器KM53线圈得电，触点动作完成对电动机绕组相Y接，同时KM51(反转时KM52)接触器线圈得电，触点动作，接通电动机M5供电电源，电动机M5“Y”接转动。 2.Y变换当电动机Y接运转10秒时，经PLC内部按程序判断，使KM53接触器线圈断电，其触点解除电动机M5绕组Y接状态，KM53断电后，又经0.5秒延时，KM5

41、4接触器线圈得电，其触点完成对电动机M5绕组的接，实现了Y变换。3.工作KM54接触器线圈得电，于是电动机M5在接通状态下运转直至额定转速。4.工作台电动机M5正、反转电动控制按下“启动”按钮再点动按钮SS1（8-4区），接触器KM51线圈通电，继而接触器KM51通电闭合，主拖动电动机M5正向Y接法点动启动运转。按下“启动”按钮，接触器KM52线圈通电，继而接触器KM52通电闭合，主拖动电动机M5反向Y接法点动启动运转。5.主拖动电动机M5停车制动控制 控制原理采用能耗制动，如图2.13所示，操作方式采用手动控制制动时间，即按压停止按钮时间为电动机制动时间，松开按钮制动被解除。图3.13电动机

42、M5停车制动控制连接电路 按压停止按钮PB2(8-3区)，PLC内部按已存入的程序发出工作台停止指令，使KM51（反转方式KM52）接触器线圈失电，触点动作，切断交流电源，同时接触器KM54线圈失电，如图2.12所示，触点动作，解除电动机M54的接状态。经0.5秒延时，按“制动”按钮，KM55接触器线圈得电，触点动作，接通制动电源交流供电回路，电动机M5进入能耗制动状态，则工作台就会很快地停止下来，如不按“制动”按钮，电动机M2就处于自由停止状态，工作台停止所用的时间就会拖长。6.工作台的变速控制 设计机床工作台变速是液压转阀采用机械手轮操作达到有级变速，在电气控制方面只完成通过电气控制液压系

43、统，解除变速锁杆对齿轮的锁紧，在变速过程中控制电动机M5作伺服转动，用以消除和防止齿轮间的顶齿现象发生造成变速困难或完不成变速。按压“换档确认”按钮，PLC按工作台变速程序发出工作台变速的控制指令，锁杆放松电磁阀YV1线圈得电，衔铁动作，压力油通过阀孔推动锁杆放松到位并压合变速开关LS7，如图2.14所示，变速指示灯亮。KM51、KM53接触器线圈得电，触点动作，接触电动机交流供电电源，电动机M5转动，经0.5s KM51、KM53接触器线圈断电，电动机M5停转，又经2s间歇时间，YV1线圈断电，电动机又工作0.5s间歇时间为2s的的脉动运动，工作台也跟随做脉动。图3.14 工作台变速控制从Y

44、V1线圈得电起经7s仍然完不成变速，伺服停止，“换档确认”信号灯亮，说明变速困难，重新按压“换档确认”再变一次。3.2.2液压泵电动机M4运动控制设计从图2-15、16可知，按下按钮PB8，接触器KM4闭合，液压泵电动机M2启动运转，同时14区接触器KM4的常开触点闭合，如图2-12所示，接通了其他电动机控制电路的电源，“油泵”信号灯亮，标志机床液压系统正常，为其他电动机的启动运行做好了准备。图3.15液压电机、横梁电机控制电路图3.16液压电机、横梁电机主电路控制3.2.3 横梁升、降M7控制设计 设计机床横梁可沿床身导轨上下移动，根据行程要求设有终点限位开关LS10、LS11，横梁移动操作

45、只有点动，由于横梁是被液压油缸通过杠杆放大，将横梁牢固得夹紧在立柱上，因此如果要移动横梁，必须首先使其放松，且要放松到位，在电气控制方面设有横梁放松电磁阀YV2，当YV2得电后，压力油进入夹紧油缸的大面积端，使横梁得到放松，放松到位压合LS9行程开关，为横梁移动准备好条件，否则无法开动横梁。从图2-15、16可知。按压“横梁上升”按扭PB5，接触器线圈KM7得电横梁向上移动，停止按压按钮，横梁停止。按压“横梁下降”按扭PB6，接触器线圈KM70得电横梁向下移动，停止按压按钮，横梁停止。3.2 802D数控系统电气图3.2.1 802D SL 数控系统简介SINUMERIK 802D SL是一款

46、结构紧凑的控制系统，它将数控系统中的所有模块(CNC , PLC和HMI)都集成在同一控制单元中。采用SIEMENS公司全新设计的驱动技术，这种新的驱动技术提供DriveCLiQ接口，与SINAMICS S120驱动器实现简便、可靠、高速的连接通信。可在车削、铣削、磨削和冲压等各种机床中应用。使用CF卡与USB接口，可以进行快速的程序执行与数据读写，内置以太网与高速I/O接口，轻松扩展。无硬盘，无电池，无风扇，采用长寿显示屏光源，无需日常维护。SINUMERIK 802D solution line相对于802D在性能上有许多的改进，将PCU与驱动控制系统集成在一起控制，可与全数控键盘（垂直型

47、或水平型）直接连接，最多可以连接3块PP72/48 I/O模块，提供216个数字输入和144个数字输出。采用SIEMENS公司全新设计的驱动技术，这种新的驱动技术提供Drive CLiQ接口。3.2.2 802D SL 数控系统连接1.24V DC电源连接在802Dsl系统连接部件中，需要24V DC电源供电的部件有PCU单元的X4接口和两块PP72/48模块的X1接口，插头上已经标明了24V、0V和PE（接地）。24V DC电源一般直接选用开关稳压电源供电，为了提高系统的可靠性，可使用两个独立的24V直流电源，一个用于802Dsl的PCU、PP72/48和输入信号的公共端，而另一个电源为 P

48、P72/48的输出信号供电（接X111、X222、X333端子的47/48/49/50）。两个24V DC电源的“0V”应连通。2.ProfiBus现场总线的连接SIEMENS 802Dsl是基于PROFIBUS总线的数控系统，PCU（面板控制单元）通过PROFIBUS总线和PP72/48伺服驱动进行数据交换和监控, PROFIBUS总线为串行连接,PCU为PROFIBUS的主设备,每个PROFIBUS从设备（PP72/48和S120伺服驱动器）都具有自己的总线地址，如图3.16所示，设备的总线地址不重，复即总线上不可出现两个相同的地址。图3.16PROFIBUS总线连接3.电子手轮的连接 手

49、轮亦称为手摇脉冲发生器，802Dsl的手轮(可接二个电子手轮），连接至PCU的X30。4.NC键盘的连接802Dsl可以选用水平或垂直的键盘，连接时用所提供的电缆与PCU连接，用带弯角的插头将PCU X9接口与键盘相连即可。如下图3.17所示。5.机床控制面板的连接机床控制面板 6FC5303-0AF30-1AA0 用于MCPA 配套，机床控制面板不与PCU单元直接相连接而是通过PP72/48模块的插座X111、X222分别与机床控制面板的X1201、X1202接口连接，如下图3.17所示。6. 机床外部I/O点的连接由于PP72/48的I/O插座X111、X222、X333是50芯的针脚，所

50、以其要与外部相连时必须通过端子转换器才可以连接。图3.17 802D SL Value 连接总图3.2.3 数控系统驱动器连接SINAMICS S120 是西门子公司新的一代驱动系统，S120驱动系统采用了比较先进的软硬件技术以及通讯接口技术2。SINUMERIK 802D solution line分类分为value、plus和pro 3个版本。本课题设计采用SINUMERIK 802D SL value。因此，采用SINAMICS S120 模块式驱动器，适用于常规金属切削，如标准型数控车床、数控铣床。如图3.18所示。图3.18 驱动器与电机连接图 第四章 数控立式车床控制面板设计4.1

51、数控立式车床控制面板概述操作面板是操作人员与数控机床之间进行信息交换的接口，它是随着信息技术的发展不断进化的。好的操作面板具有美观易懂、经济适用、操作简单等特点，同时还具有引导操作和提高效率等功能。数控车床的操作面板由机床控制面板和数控系统操作面板两部分组成，下面分别作一一介绍。 1、机床控制面板 机床控制面板上的各种功能键可执行简单的操作，直接控制机床的动作及加工过程。2、 数控系统操作面板 由显示屏和 MDI 键盘两部分组成，其中显示屏主要用来显示相关坐标位置、程序、图形、参数、诊断、报警等信息；而 MDI 键盘，包括字母键、数值键以及功能按键等，可以进行程序、参数、机床指令的输入及系统功能的选择，各功能键的作用如图4.1、4.2所示。图4.1机床控制面板MCP图4.2 802D 水平键盘4.2 辅助操作面板设计根据设计要求设计辅助操作面板，以及各个按钮的功能运动，如图4.3所示。电源：转动钥匙开关， SINUMERIK802D系统上电，系统开始工作。横梁上升：按下此键，如