数控机床电气设计

1、论文数控机床电气设计姓名：专业：指 导 老 师： 年级（春、秋）层次： 学习中心 、 函授站：二 00 七 年 十一 月 十五 日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

2、 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： 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;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、机电目录第一章绪论31

3、.1 课题的来源 31.2目的和意义31.3机电一体化系统的简介 31.3.1 机电传动概述 41.3.2 数控加工的概述 41.3.3 数控加工的设备 51.4 国内外动态 71.4.1 国内研究的状况 71.4.2 国外研究的状况 81.5 机电一体化技术的发展与展望 9第二章 系统的总体设计 .102.1 机械部分 102.2 电气控制系统方案 11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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、。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：八、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

12、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

13、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

14、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

15、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，

16、 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

17、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/CAMfe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

18、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

19、，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

20、 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

21、、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

22、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）.

23、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

24、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X长X高)： 760X 1475X 1400( mm X mm X mm )； 最大加 工范围(X X YX Z):400X 300X 150( m

25、 X m Xm )；主轴电机功率：60(W);主轴转速：3000 (r/min) 平 ； 工 作 台 尺 寸160X 160 ( m X m ) ； 空 间 加 工 范围 170X 160(mXm )；工作台最大承重s50 ( kg)；工作速度 ：05( 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。而丫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

26、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、丫两2000x1500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(mm< mrh。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

27、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(

28、EPROMEEPROM)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 ROh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。

29、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

30、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