数控车床电气控制系统设计说明

1、数控车床电气控制系统设计说明郑州铁路职业技术学院毕业设计说明书论文题目 : 数控车床电气控制系统设计系 部 : 机电工程系专 业 : 数控技术作者姓名 : 张强学 号： 100333032指导教师 : 张勇起止日期： 2013 年 3 月 4 日至 2013 年 4 月 15 日目录1、前言(1)2、 数控的发展史(1)3、 数控的分类(3)4、工作流程分析(4)5、电气设计(5)6、 数控车床电气接线表(12)7、数控故障表查询( 16 )8、收获(21 )9、参考文献(22 )10、致谢(22)刖言我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数 控技术，“七五”期间组织消

2、化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控 产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速， 19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年幵始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达 94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与 大型数控机床的研究幵发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是 中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的 研究幵发深度不够、制

3、造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控，系统生产应用推广不力与数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数 控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。一、数控的发展史高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和幵放性是当今数控机床行业的主要发展方向。数控技术的问世已有 40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21世纪的数控技术提出了更高的要求。一、个性化的发展趋势1. 高速化、高精度化、高可靠性高速化：提高进给速度与提高主轴转速。高精度化：其精度从微米级到

4、亚微米级，乃至纳米级（高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。2. 复合化数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、 铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。3. 智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能与使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以与智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断与维修。4. 柔性化、集成化 当今世

5、界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床 ）、线（FMC、FMS、FTL、FML ）向面（工 段车间独立制造岛FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发 展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业 适应动态市场需求与产品迅速更新的主二、个性化是市场适应性发展趋势 当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高 精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、 专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。三、开放性是体系结构的发展趋势 新一代数控系统的开发核心是开放性。开放性有软件平台

6、和硬件平台的开 放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用 程序接口。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。 目前许多国家对开放式数控系统进行研究， 数控系统开放化已经成为数 控系统的未来之路。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配 置规范、运行平台、数控系统功能库以与数控系统功能软件开发工具等是 当前研究的核心。网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。数控装备的 网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也 是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内 外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两

7、年推出了相关的新概 念和样机。二、数控的分类数控机床所受控制可分为两类：一类是“数字控制”，例如，数控机床各坐标轴的移动距离，各轴运行的插补、补偿控制等；另一类是“顺序控 制”，根据机床各行程幵关、传感器、按钮、继电器等的幵关量信号，并 根据预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启 /停、换向、刀具的更换、工件的 夹紧/松幵、液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。数控机床从结构上看通常可分为三部分：CNC系统（计算机数控系统）， 机床电气，机床本体。对内装式 PLC，它包含在CNC系统内部；对于独 立式PLC则一般在机床电气内。从机电的角度看，CNC系统和机床电气为电，机床本体则为机。在讨论PLC时

8、，常以PLC为界把数控机床分为“ NC侧”和“ MT侧”（即机床侧）两大部分。“ NC侧”包括CNC系统的硬件软件以与 CNC 系统的外部设备。“MT侧”则包括机床的机械部分、液压、气压、冷却、 润滑、排屑等辅助装置，以与机床操作面板、继电器线路、机床强电线路 等。PLC处于NC与MT之间，并对NC和MT的输入、输出信号进行处 理。MT侧顺序控制的最终对象的数量随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大的差别。一般来说，机床结构越复杂，辅助装置越多， 受控对象数量就越多。相比而言柔性制造单元（FMC ）、柔性制造系统（FMS ）的受控对象数量多，而数控车床、数控铣床的受控对象数量较少。三

9、、工作流程分析1电气原理图分析的方法与步骤 电气控制电路一般由主回路、控制电路和辅助电路等部分组成。了解 了电气控制系统的总体结构、电动机和电器元件的分布状况与控制要求等 内容之后，便可以阅读分析电气原理图。分析主回路 从主回路入手，根据伺服电机、辅助机构电机和电磁阀等执行电器的 控制要求，分析它们的控制内容，控制内容包括启动、方向控制、调速和 制动。分析控制电路 根据主回路中各伺服电机、辅助机构电机和电磁阀等执行电器的控制 要求，逐一找出控制电路中的控制环节，按功能不同划分成若干个局部控 制线路来进行分析。而分析控制电路的最基本方法是查线读图法。分析辅助电路 辅助电路包括电源显示、工作状态显

10、示、照明和故障报警等部分，它 们大多由控制电路中的元件来控制的，所以在分析时，还要回头来对照控 制电路进行分析。分析连锁与保护环节 机床对于安全性和可靠性有很高的要求，实现这些要求，除了合理地 选择元器件和控制方案以外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必 要的电气连锁。总体检查经过“化整为零” ，逐步分析了每一个局部电路的工作原理以与各部分之间的控制关系之后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，看是否有遗漏。特别要从整体角度去进一步检查和理解各控制环节之 间的联系，理解电路中每个元器件所起的作用。四、电气设计1、设计要求机床的运动与控制要求数控车床主轴的旋转运动由 5.5kw 变

11、频主轴电机实现，与机械变速配 合得到低速、中速和高速三种无级变速。Z 轴、 X 轴的运动由交流伺服电机带动滚珠丝杠实现，二轴的联动由数 控系统控制并协调。螺纹车削由光电编码器与交流伺服电机配合实现。除上述运动外，还有电动刀架的转位，冷却电机的启、停等。主回路分析图1是 380V 强电回路。3-AC380V50HzPE电源开关 QF11 L2 3乍伺服强电主轴强电25iTC1设备界线1 ；3-2|4614 jS1 T1QF325AKM3(22A)刀架电机冷却电机UVW2 4 66U21 V21 W21U12 V12W12KM6(9A)6U11 V11 W15 (9A)W3M33135424KM5

12、图1 TK40A强电回路图中QF1为电源总开关。QF3、QF2、QF4、QF5分别为主轴强电、伺服强电、冷却电机、刀架电机的空气开关，它的作用是接通电源与短路、 过流时起保护作用；其中 QF4、QF5带辅助触头，该触点输入 PLC，作为 报警信号，并且该空开的保护电流为可调的，可根据电机的额定电流来调 节空开的设定值，起到过流保护作用。KM3、KM1、KM6分别为主轴电机、伺服电机、冷却电机交流接触器，由它们的主触点控制相应电机；KM4、 KM5为刀架正反转交流接触器，用于控制刀架的正反转。TC1为三相伺服变压器，将交流380V变为交流200V供给伺服电源模块；RC1、RC3、 RC4为阻容吸

13、收，当相应的电路断开后，吸收伺服电源模块、冷却电机、 刀架电机中的能量，避免产生过电压而损坏器件。电源电路分析图2为电源回路图。控制变压器TC2600W110DU QF6V 110AQF8V100AC110V7|4 220C 1|-24C 16A2 24A.'11 .8门强电指示灯11JHLDAc：,9 AC24V2L 24B220A2QF7工作灯24VAC 40W电柜风扇电柜风扇110A110B5 AC220VQF9220B低通滤波器吊挂风扇图2 TK40A电源回路图图中TC2为控制变压器，原方为AC380V，副方为AC110V、AC220V、AC24V，其中AC110V 给交流接触

14、器线圈、为强电柜风扇提供电源；AC24V给电柜门指示灯、工作灯提供电源；AC220V通过低通滤波器滤波给伺服模块、电源模块、24V电源提供电源；VC1为24V电源，将AC220V转换为AD24V电源，给世纪星数控系统、PLC输入/输出、24V继电器线圈、伺服模块、电源模块、吊挂风扇提供电源；QF6、QF7、QF8、QF9、QF10空幵为电路的短路保护。控制电路分析a.主轴电机的控制图 3 、图 4 分别为交流控制回路图和直流控制回路图。先将 QF2 、 QF3 空开合上，见图 1 强电回路，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

15、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， KM1 交流接触器线圈通电，交流接触器触 点吸合， KM3 主轴交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，主轴 变频器加上 AC380V 电压，若有主轴正转或主轴反转与主轴转速指令时（手动或自动），PLC输出主轴正转Y10或主轴反转Y11有效、主轴AD 输出对应于主轴转速的直流电压值 （0-10V ），主轴按指令值的转速正转或 反转；当主轴速度到达指令值时， 主轴变频器输出主轴速度到达信号给 PLC 输入 X31（ 未标出 ），主轴转动指令完成。主轴的起动时间、制动时间由主轴变频器内部参数设定。

16、b .刀架电机的控制当有手动换刀或自动换刀指令时， 经过系统处理转变为刀位信号， 这 时是 PLC 输出 Y06 有效， KA6 继电器线圈通电，继电器触点闭合， KM4 交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电机正转，当PLC输入点检测到指令刀具所对应的刀位信号时，PLC输出Y06有效撤消、刀架电机正转停止； PLC 输出 Y07 有效， KA7 继电器线圈通电，继电器触点 闭合， KM5 交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电机反 转，延时一定时间后（该时间由参数设定，并根据现场情况作调整） ， PLC 输出 Y07 有效撤消， KM5 交流接触器主触点断开，刀架电机反转

17、停止。 选刀完成。为了防止电源短路，在刀架电机正转继电器线圈、接触器线圈 回路中串入了反转继电器、接触器常闭触点，见图 3。请注意，刀架转位 选刀只能一个方向转动，取刀架电机正转。刀架电机反转只为刀架定位。C.冷却电机控制当有手动或自动冷却指令时，这时 PLC 输出 Y05 有效， KA8 继电器 线圈通电，继电器触点闭合， KM6 交流接触器线圈通电，交流接触器主 触点吸合，冷却电机旋转，带动冷却泵工作。伺服电机的控制请参考其他资料书在这里不作重点叙述。主轴电机伺服强电允许 外部运行允许 伺服OK ?y主轴电机 刀架电机 刀架电机 冷却电机xa?y Xaxa?a £Y0000420

18、Y10Y11Y06Y07Y05KA2KA3KA11314SQX-1|(OTBS2SQX-3SB2 SQZ-3(OJBS)急停（面板）急停（手持盒）KA3口 1414KA2KA41314KA7 3 KA6 3I II 11KA5 KA6 KA7131313141414KA81314图4 TK40A直流控制图2、设计规划PLC控制系统的电气设计包括以下内容：（如下图所示）原理图、元器件清单、电柜布置图、接线图与连接图，如果是定型设备还应包括工艺图，这在其它书本有详细介绍。电气设计时特别要注意以 下几点:(1) PLC输出接口的类型，是继电器输出还是光电隔离输出等。(2) PLC输出接口的驱动能力，

19、一般继电器输出为2A，光隔输出为500mA。(3) 模拟量接口的类型和极性要求，一般有电流型输出(-20mA+20mA )和电压型输出(-10V一+10V )两种可选。(4) 采用多直流电源时的共地要求。(5) 输出端接不同负载类型时的保护电路。执行电器若为感性负载， 需接保护电路。直流可加续流二极管，交流可加阻容吸收电路。(6) 若电网电压波动较大或附近有大的电磁干扰源，应在电源与PLC 间加设隔离变压器、稳压电源或电源滤波器。(7) 注意PLC的散热条件，当PLC的环境温度大于55oc时，要用风 扇强制冷却。电円总中1I jjmz ?xltt no二存鼻*W专*号E幢I H B R五、数控

20、车床电气接线表和图 如下所示如:五、数控车床电气接线表和图 如下所示如:信号端子号说明备注车铣车床铣床加工中心床床MM124VDC 地L+L+224VDC输出（作为X333输入信号的公共端）10.0I0.03急停按钮I0.1I0.14X轴“正”向限位幵关I0.2I0.25X轴“负”向限位幵关I0.3I0.36无Z轴“正”向限位幵关I0.4I0.47无Z轴“负”向限位幵关I0.5I0.58X轴参考点幵关I0.6I0.69无Z轴参考点幵关I0.7I0.710Z轴“正”向限位幵关Y轴“正”向限位幵关I1.0I1.011Z轴“负”向限位幵关Y轴“负”向限位幵关I1.1I1.112Z轴参考点幵关Y轴参考

21、点幵关I1.2I1.213无无伸出到位I1.3I1.314无无缩回到位I1.4I1.415无无松幵到位I1.5I1.516无无锁紧到位I1.6I1.617刀架电机过载无I1.7I1.718I2.0I2.019驱动器就绪I2.1I2.12012/t报警12.2I2.22112.3I2.322I2.4I2.423冷却液液位过低I2.5I2.524冷却泵电机过载I2.6I2.625润滑液液位过低I2.7I2.726润滑泵电机过载27-30无定义Q0.0Q0.031脉冲使能Q0.1Q0.132驱动器使能Q0.2Q0.233控制使能Q0.3Q0.334Q0.4Q0.435冷却泵Q0.5Q0.536润滑泵

22、Q0.6Q0.637Q0.7Q0.738Q1.0Q1.039刀架正转无刀库正转Q1.1Q1.140刀架反转无刀库反转Q1.2Q1.241无无刀库伸出Q1.3Q1.342无无刀库缩回Q1.4Q1.443无无刀柄松幵Q1.5Q1.544无无刀柄锁紧Q1.6Q1.645Q1.7Q1.746L+L+47、48输出信号的公共端：24VDCL+L+49、50输出信号的公共端：24VDCMM124VDC 地L+L+224VDC输出（作为X333输入信号的公共端）13.0I3.03刀位检测信号T1I3.1I3.14刀位检测信号T2I3.2I3.25刀位检测信号T3I3.3I3.36刀位检测信号T4I3.4I3

23、.47刀位检测信号T5I3.5I3.58刀位检测信号T6I3.6I3.69刀位检测信号T7I3.7I3.710刀位检测信号T827-30无定义L+L+47、48输出信号的公共端：24VDCL+L+49、50输出信号的公共端：24VDC六、数控故障表查询根据部分电路图查询常见的故障，图如下所示:llRIEKH序号故障点故障现象车床铣床1主轴电机电压输出幵路主轴电机不启动2主轴信号STF输出幵路MCPA模块面板的Uni-Dir1 接口有24V输出，但主轴不能正转3主轴信号STR输出幵路MCPA模块面板的Uni-Dir2 接口有24V输出，但主轴不能反转4主轴信号SD输出幵路MCPA模块面板的Uni

24、-Dir1 和Uni-Dir2 接口都有24V输出，但主轴不能正反转5主轴信号+V输出幵路控制信号无输入，变频器外部模拟量控制时主轴不 转6丿J架电机电源输出幵路（模 拟刀架）刀库正转控制信号 Q1.0有输出，相应的指示灯亮，但不能换刀无7主轴模拟里信号 SVC输出幵 路主轴模拟输出信号SVC无信号输出，主轴不转8主轴方向1信号输出幵路MCPA模块面板的 Uni-Dir1 接口没有24V输出，主轴不能正转9主轴方向2信号输出幵路MCPA模块面板的 Uni-Dir2 接口没有24V输出，主轴不能反转10驱动器电源模块24V电源输驱动器电源模块断电不启动，进给驱动面板的P24和出幵路M无24V电源

25、。注：故障排除后系统需重新上电11PP72/48模块24V电源输出幵路PP72/48模块断电不工作，输入信号面板X24接口的24V和M无24V电源。注：故障排除后系统需重新上 电12NC电源输出幵路NC不启动13驱动器就绪信号输出幵路系统出现003000急停、700016驱动器未就绪报警1412/t报警信号输出幵路系统出现700016驱动器未就绪，700017电源馈入模块I2/T报警15 1手轮A+信号输出幵路手轮信号A+输出电压升咼，进给轴不动16手轮电源+5V输出幵路手轮电源+5V没有输出，进给轴不动仃冷却泵控制信号输出幵路Q0.4没有输出，冷却控制无效18润滑泵控制信号输出幵路Q0.5没

26、有输出，润滑控制无效19刀架止转信号输出幵路Q1.0没有输出，刀架不能正转无20刀架反转信号输出幵路Q1.1没有输出，刀架不能反转无21急停信号幵路系统出现003000急停、700016驱动器未就绪，I0.0 无24V电源22信号10.1输出幵路系统出现021614通道1轴X/X1到达硬件限位幵关+ 报警，X轴不能往正方向运行23信号I0.2输出幵路系统出现021614通道1轴X/X1到达硬件限位幵关- 报警，X轴不能往负方向运行24信号10.3输出幵路无系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位幵关+报警25信号I0.4输出幵路无系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位幵 关-

27、报警26信号10.5输出开路X轴回不了参考点27信号10.6输出幵路无Z轴回不了参考点28信号I0.7输出幵路系统出现021614通道1系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位幵关+报警，Z轴不能往正方向运行轴Y/Y1到达硬件限位幵关+报警，Y轴不能往正方向运行29信号11.0输出幵路系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位幵 关-报警，Z轴不能往负方 向运行系统出现021614通道1轴Y/Y1到达硬件限位幵 关-报警，Y轴不能往负方 向运行30信号11.1输出幵路Z轴回不了参考点Y轴回不了参考点31手轮B+信号输出幵路手轮信号B+输出电压升咼，进给轴不动32手轮A-信号输出幵

28、路手轮信号A-输出电压升高，进给轴动33手轮B-信号输出幵路手轮信号B-输出电压升高，进给轴动34停止灯信号幵路停止灯不亮，停止按钮起作用35启动信号幵路启动按钮不起作用36停止信号幵路停止按钮不起作用37冷却液液位过低信号I2.4输 出幵路将I2.4钮子幵关打上后，系统无 700019冷却液液位 低报警38冷却泵电机过载信号12.5输 出幵路将I2.5钮子幵关打上后，系统无 700018冷却泵电机 过载报警39润滑液液位过低信号I2.6输 出幵路将I2.6钮子幵关打上后，系统无 700021润滑液液位 低报警40润滑泵电机过载信号I2.7输 出幵路将I2.7钮子幵关打上后，系统无 70002

29、0润滑电机过 载报警41刀具1信号输出幵路找不到1#刀具无42刀具2信号输出幵路找不到2#刀具无43刀具3信号输出幵路找不到3#刀具无44刀具4信号输出幵路找不到4#刀具无45刀具5信号输出幵路找不到5#刀具无46刀具6信号输出幵路找不到6#刀具无47刀具7信号输出幵路找不到7#刀具无48刀具8信号输出幵路找不到8#刀具无七、收获掌握了数控机床电气柜控制电路的原理与应用掌握了西门子802D si数控铣床的编程方法和操作方法。掌握了 802D si数控系统的数据备份与恢复掌握了识别报警、故障排除、消除报警的一般方法了解了并熟悉 PLC在数控系统中的应用。熟悉了并掌握西门子 PLC的指令与编程掌握了加工中心刀具库的应用和换刀控制掌握了车削中心 C轴功能