数控铣床电气系统设计

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）数控铣床电气系统设计摘 要本文重点介绍了机床控制系统的设计，即整个控制系统以数控系统为中心，通过可编程控制器的设计使得 CNC 系统、电气控制系统、伺服系统协调统一工作，以实现数控加工过程。在数控机床改造设计的基础上，讨论了整个数控机床系统调试的内容和步骤，系统地分析了数控机床 PLC 控制程序、调整 CNC 系统机床参数，对数控系统进行整定并使整个控制指标达到最优。最后对机床辅助功能进行了设计，使用检测工具对机床各轴运动轨迹进行测量，分析了误差产生的原因，并利用数控系统强大的补偿功能，对机床进行误差补偿，最终对机床进行了成功的改造，达到了预期的指标。关键词：数控机

2、床； 控制系统； 可编程控制器ELECTRICAL DESIGN OF CNC MACHINEABSTRACTThe author has performed the further research and analysis for the NC machine design and modification combined with NC machine modification project of our company on the basis of the constant consultation of abundant relative materials . This pa

3、per focuses on describing the design of control system of the machine . NC system 15 the centralization of the whole control system , the CNC system , electrical control system and the servo system can be operated coordinately and uniformly via the design of programmable controller 50 as to realize

4、the NC . It also discusses the content and step ofthe systemadjustmentofthewholeNCmachine , analyses the PLC control procedure of NC machine systematically , and adjusts the parameters of the CNC machine based on the design of NC modification , in addition , the NC system has been adjusted and locat

5、ed to optimize the whole control performance . The auxiliary function of the machine 15 designed , the moving trace of each axis 15 measured and the causes of error which deal with the use of the powerful erroneous compensation of the NC system of the machine are analyzed . Finally the machine 15 mo

6、dified successfully and reached the standards as expectedKEY WORDS: NC machine ; control system ; Programmable controller7目录前言1第1章 总体方案的设计31.1机床概述以及总体方案的设计31.1.1 机床的概述31.1.2 总体方案的设计31.1 本课题的研究内容5第2章 数控系统的特点及组成62.1 数控系统的类型以及品牌的选择62.1.1 数控系统的类型61.1.2 数控系统的品牌选择62.2 SINUMERIK 802S系统特点82.2.1 SIUNMERIK 80

7、2S特点简介8第3章 电气柜设计及系统连接93.1 电柜设计及电源选择93.1.1 电柜设计93.1.2 电源选择103.2 系统接线113.1.1 系统接线113.2 接口布置133.2.1 接口布置133.2.2 输入输出接口定义143.2.3 接口连接14第4章 步进电机连接及驱动电流234.1 步进电机连接234.1.1 步进电机连接234.1.2 回参考点配置244.2 驱动电流设定25第5章 变频器选用及主控电路设计265.1 变频器选用265.1.1 主轴变频器选用265.2 主控电路285.2.1 主控电路28结论31谢 辞32参考文献33附录34前言机床作为机械制造业的重要基

8、础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种

9、操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2. 加工精度高；3. 生产效率高；4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；5. 良好的经济效益；6. 有利于生产管理的现代化。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化

10、、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在

11、投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以，本毕业设计具有典型性和实用性。第1章 总体方案的设计1.1 机床概述以及总体方案的设计1.1.1 机床的概述该铣床适用于箱体类零件，各种复杂的二维和三维模具型腔加工，零件经一次装夹后，能完成铣、钻、镗等多道工艺。根据用户要求可增加回转坐标轴，用于加工各种平面及圆柱齿轮、凸轮。本机床广泛应用于多工序、高要求、高效率的汽车、模具、航空和军工等行业中的零件、模具的

12、加工。其加工的行程范围为：800 X 900 X 1000 mm1.1.2 总体方案的设计铣床总体由数控系统、伺服系统、电气控制柜、液压系统、机床本体等部件组成，其结构如图 1 一 1 所示。控制系统结构可实现 x , Y , z 坐标运动， X 坐标即工作台沿升降台纵向移动， Y 坐标即主轴座及铣头沿床身导轨的横向移动， Z 坐标即升降台带动工作台沿床身立导轨垂向移动， X 、 Y 、 Z 坐标运动采用的是伺服电机与滚珠丝杠通过圆弧齿同步带轮 2 : 1 降速传动，机床主传动通过圆弧齿同步带轮减速，再通过过渡轴和一对螺旋锥齿轮传递给垂直主轴；或由过渡轴上的滑移齿轮传递给水平主轴，实现主轴切削

13、。控制系统采用的是SINUMERIK 802S base line 数控系统。图1-1 结构图机床主要技术参数工作台面（长 x 宽） 700x gOOfnfn 三向行程纵向（ X 坐标） SOOfnfn 横向（ Y 坐标） 700Inln 垂向（ Z 坐标） 500Inln 主轴转速 40 一 300Or / min 进给速度（ X 、 Y 、 Z ) 1 一 400Om机床电气系统是控制机床各部分的工作，协调完成机床加工任务的核心部分，它由大量继电器构成复杂的逻辑控制电路，通过接受由控制面板及机床各部分位置开关传来的信号经硬件逻辑运算，确定并控制机床的状态。从功能上，它可分为：三个坐标轴的控

14、制、各坐标轴伺服电机速度、位置控制、装卸刀、润滑系统、冷却系统、液压系统等辅助功能的控制。从其结构功能上可以看出功能的复杂多样，必然要用复杂的控制系统来实现，该机床复杂的继电器逻辑控制线路构成的电气控制系统经长期使用，故障率高，由于许多备件必须进口，而且有些己不在生产，故难于维护。随着计算机及电子控制技术的发展， PLC 或 CNC 控制系统己经越来越多用于实现这种复杂多样的控制，因此，对机床改造己势在必行。1.1 本课题的研究内容首先确定数控系统，通过比较数控系统的功能之后，我们选用SINUMERIK 802S base line数控系统与 6llD 伺服驱动模块构成了全数字控制系统。本次改

15、造分两步完成，第一步对机床进行安装调试，完成数控的基本功能，第二步运用使用检测工具对机床各轴动轨迹进行测量，分析误差产生的原因，并利用数控系统其强大的补偿功能，对机床进行误差补偿将机床的精度再提高一个档次。完成数控基本功能所必须的工作电气控制系统设计。它包括电气原理图设计，控制柜、接线图设计，计算电机扭矩，选定电机，确定各坐标位置反馈方式。数控系统的安装调试。根据数控系统的特点和机床的要求，调整系统机床参数，使数控系统正常可靠地工作。可编程逻辑控制器（ Progralnlnable Logio Controller 缩写为 PLC ）的设计。确定可编程控制器输入输出点数，设计接口电路，并根据机

16、床操作及运动要求利用SINUMERIK 802S base line数控系统所搭配的西门子 S7 一 200 可编程控制器编制控制程序。使数控系统、伺服系统与机床其他部分之间协调一致工作。 第2章 数控系统的特点及组成2.1 数控系统的类型以及品牌的选择2.1.1 数控系统的类型(1)步进电机驭动的开环数控系统:该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得

17、的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动兀件的节距精度，所以系统的位移精度相对较低。但该系统结构简单，调试维修方便，上作可靠，成本低，易改装成功。(2)交/直流伺服电机驱动，光栅测量反馈的闭环数控系统。该系统与开环系统的区别是:由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获

18、得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，更大的驱动功率。 (3)交/直流伺服电机驱动，编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。元件的误差环系统简单。因此，它的精度比闭环系统的精度低，它只能补偿系统环路内部分但是它的结构与调试都较闭在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 1.1.2 数控系统的品牌选择当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司有德国SIEMENS公司、日本FANUC公司;国内公司有华中数控公司、广州数控设备厂、中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、南京新方达数控有限公司

19、、上海开通数控有限公司、南京清华通用数控工程有限公司、南京大地数控有限公司和沈阳高档数控国家工程研究中心等。 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统，避免系统功能过剩，同时考虑到原车床的精度和改造的成本、周期、难易程度等各方面因素，决定采用以步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。国产的经济型数控系统生产厂家较多，价格上虽有优势，但性能和稳定性稍差，所以决定采用国外的经济型数控系统。目前，各个数控系统生产厂家的数控指令格式差异较大，为了使改造后的车床能真正发挥其用处，最后决定采用西门子经济型数控系统，最终确定数控系统品牌为SINUMERI

20、K 802S base line。 SINUMERIK 802S base line是专门为中国数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。外观如图2-13所示。其结构紧凑，具有高度集成于一体的数控单元,机床操作面板和输入输出单元。机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易。井具有简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用。图1-1西门子SINUMERIK 802S base line数控系统外观图2.2 SINUMERIK 802S系统特点2.2.1 SIUNMERIK 802S特点简介(1)步进电机驭动的开环数控系统:该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、

21、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动兀件的节距精度，所以系统的位移精度相对较低。但该系统结构简单，调试维修方便，上作可靠，成本低，易改装成功。(2)交/直流伺服电机驱动，光栅测量反馈的闭环数控系统。该系统与开环系统的区别是:由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定

22、值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，更大的驱动功率。 (3)交/直流伺服电机驱动，编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。元件的误差环系统简单。因此，它的精度比闭环系统的精度低，它只能补偿系统环路内部分但是它的结构与调试都较闭在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装

23、问题。第3章 电气柜设计及系统连接3.1 电柜设计及电源选择3.1.1 电柜设计在设计电柜时应注意以下事项： ( 1 ）电柜应有冷却或通风装置，在使用风扇时必须在进气窗口安装防尘过滤网；( 2 ）电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上； ( 3 ）电柜的防护等级为 IP54 ; ( 4）接地应遵守国标 GB / T5226 . l 一 2002 / IEC6O204 一 l : 2000 “机械安全机械电气设备第 1 部分：通用技术条件” ; ( 5 ）电柜中布线时，交流电源线（如 85VAC , 22OVAC , 380VAC 以及变频器到主轴电机的电缆）必须与 24VDC 电缆和信

24、号线电缆分开走线； ( 6 ）系统直流稳压电源 24VDC 之前需接入隔离变压器（控制变压器 380VAC 分 220VAC , JBK3 一 4OOV 入），如图 3 一 l 所示。步进驱动 85VAC 必须采用独立的隔离变压器（驱动变压器 380VAC 分 85VAC , JBK3 系列），如图 3 一 2 所示。两个变压器的初级不可以接入到 380VAC 的同一相。 图 3 一 1 控制变压器图 3 一 2驱动变压器( 7 ）现场没有良好接地的情况下，控制变压器必须为浮地设计，但此时任何与 CNC 控制器连接的外设（如 PC 等），其 220VAC 电源必须连接到控制变压器，如图 2 一

25、 1 所示。3.1.2 电源选择24VDC 控制器采用 24V 直流供电，系统可在 24V 一 15%到20%之间正常工作。直流电源的质量是系统稳定运行的关键，所以在选择电源时，其输出波形应如图 2一 3 所示。 24V 直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性（按照工 EC204-1，条款 6 . 4 , PELV ) ，其电气参数如表 2 一 1 所示。因此我们选用西门子配套的 24V 直流稳压电源。 图 3 一 3 电源波形表 3 一 1 负载电源电气参数数字输入和输出所需的 24VDC 用独立的 24V 直流电源，而不能与 CNC 控制器共用同一个 24VDC 稳压电源。所有输入信号

26、必须为电平信号，即“ 0”电平一 3V 5VDC 和“ 1 ”电平 11V 30VDC 。悬空和高阻信号均为“ 0 ”电平。3.2 系统接线3.1.1 系统接线系统的接线 SINUMERIK 802S base line 控制器与步进驱动 STEPDRIVEC / C 和步进电机的连接如图 3 一 4所示。连接电缆必须使用屏蔽电缆。在系统一侧，电缆内屏蔽层必须与插头中的金属壳相连，为了使模拟量的指令值信号免受低频信号的干扰，驱动一侧的屏蔽不能接地。图 3-4 数控系统接线图12洛阳理工学院毕业设计（论文）3.2 接口布置3.2.1 接口布置接口布置系统的接口布置如图 3 一 5 所示。l 、

27、CNC 部分 ( 1 ) Xl 电源接口（ DC24V ) : 3 芯孔式端子排，用于连接 24VDC 负载电源； ( 2 ) XZ 通信接口（ RS232 ) : 9 芯 D 型针式插座； ( 3 ) X6 主轴接口（ SPINDLE ) ：巧芯 D 型孔式插座，用于连接一个主轴增量式编码器（ RS422 ) ;( 4 ) X7 驱动接口（ AXIS ) , 50 芯 D 型针式插座，用于连接具有包括主轴在内最多 4 个模拟驱动的功率模块； ( 5 ) xlo 手轮接口（ MPG ) , 10 芯针式端子排，用于连接最多 2 个电子手轮；( 6 ) X20 高速输入接口（ BERO ) ,

28、10 芯针式端子排，用于连接 NC 一 READY 继电器和 BERO 接近开关。 2 、 Dl / O 部分：( l ) X100 到 X105 ，各为 10 芯插头，用于数字输入； ( 2 ) X200 到 X201 ，各为 10 芯插头，用于数字输出； 3 、 52 系统总清开关； 4 、调试开关 S3 启动方式选择开关；5 、保险丝 Fl 4A 保险丝，外部设计使用户可以方便地更换。6 、 D157 字段 LED 显示当前系统的工作状态 图 3 一 5 数控系统接口布置图3.2.2 输入输出接口定义SIUMERIK 802S base line 在出厂时已经预装了“ SAMPLE &#

29、183; PTP " 集成 PLC 实例应用程序，我们在定义系统输入输出接口的时候，可以与厂家提供的 PLC 实例程序中的接口定义保持一致，这样在改造的过程中，我们就无需自编 PLC 程序，只需利用厂家提供的“ SAMPLE . PTP " PLC 实例程序就可以了，所要做的工作只是设定一下 PLC 机床参数。本次改造的输入输出接口定义如表3 - 2 所示。 3.2.3 接口连接1 、电源端子的连接（ X1 ) 系统工作电源为直流 24V 电源，接到接线端子 X1 上。其CNC一侧端子分配如表3 -1所示。表3-2 PLC输入输出接口定义表 3 - 3电源端子 X 1 端子

30、分配2 、通讯接口 RS232 的连接（ XZ ) 在使用外部 PC 用 G 与 802S base line 进行数据通讯（ WinPCIN ）或编写 PLC 程序时，使用 RS232 接口，各引脚如图 3 -4 所示。其引脚 1 为屏蔽，其它引脚功能参见信号说明。图 3-6通讯接口 RS232 与 PC 的连接信号说明： RxD 数据接收 TxD 数据发送 RTS 发送请求 CTS 发送使能 DTR 备用输出 DSR 备用输入 M 接地3 、主轴测量系统的连接（ X6 ) X6 作为主轴编码器接口使用，用于把主轴的旋转角度反馈给 802S base line , 其引脚分配如表 3 -3所

31、示。所连接的编码器应为 5V 增量式编码器。 表 3 -4 插座 X6 的引脚分配4 、步进及主轴驱动器与 CNC 控制器的连接（ X7 ) X7 用于将步进驱动器及主轴驱动器同 CNC 控制器相连，电缆分配如表 3-4 所示。连接示意如图 3 -7 所示。图 3 -7 步进及主轴驱动器与 802S baseline 的连接表 3 -5 电缆分配5 、手轮接口（ X10 ) 通过手轮接口 X10 可以在外部连接两个电子手轮。 X10 有 10 个接线端子，引脚说明见表 3 -6 。表 3 -6手轮接口 X106 、高速输入接口（ XZO ) 通过接线端子 XZO 可以连接 3 个接近开关，其引

32、脚说明见表 3 -7 。表 3-7 高速输入接口 X207 、数字输入端的连接（ X100 和 X101 ) PLC 数字输入接口 x100 的接线如图 3 -6 所示， SQ5 、 SQ6 、 SQ7 、 SQ8 、 SQ9 和 SQ10 分别为 x 硬限位、 z 十硬限位、 x 一硬限位、 z 一硬限位、 x 轴参考点减速开关、 Z 轴参考点减速开关， FR1 、 FR2 和 FR3 为热继电器的常开触点，当主电机、刀架电机或冷却泵电机过载时将闭合，其产生的过载信号从 10 . 6 数字输入口输入。 SB1 为急停按钮，当被按下时，所有 PLC 输出端口均无信号输出。 SQ5 、 SQ6

33、、 SQ7 、 SQ8 和 SB均采用常闭逻辑。若采用常开逻辑，则当 P24 端子到 PLC 输入点线路接触不良或开路时会造成 SQ5 等无效（即便是 SQ5 等闭合），从而会导致机床出现重大事故。而采用常闭逻辑（负逻辑），则可避免事故的发生。因为当 P24 端子到 PLC 的输入点之间的线路出现开路或接触不良时，该点被认为有效，机床会立即报警，这样就保证了机床只有在电路连接良好的情况下才能正常运行，提高了机床的安全性 。 图3-8 X100 接线图 X101 的接线如图 3 -9 所示， H . 7 接步进驱动器 2 中的 RDY 准备好信号。 SQ1 、 SQ2 、 SQ3 和 SQ4 为

34、四个霍尔式接近开关，分别对应于自动刀架的四个工位。当某一刀位处于工作位置时，其位置传感器（霍尔元件）输出低电平，其余三个刀位的霍尔元件输出处于悬空状态，没有电平输出。而 SINUMERIK 802S base line 系统的 PLC 输入线是高电平输入有效，由于系统内有缓冲电路，可以定义为常开连接（输入闭合有效）或常闭连接（输入断开有效），故在每个刀位的霍尔元件输出端接上一个“上拉电阻（ l . 8K ) " ，输入定义为常闭连接（输入断开有效），这样一来当某一刀位处于工作位置时，该刀位输出的是低电平，相当于 PLC 输入端没有高电平输入而处于断开状态，由于刀架输入定义为断开有效，

35、所以该输入点被激活有效；其它三个刀位由于不在工作位置其输出电平处于悬空状态，由于上拉电阻的接入，三个刀位的输出信号至 PLC 的输入端实际上接入了高电平，同样由于输入点定义为常闭连接，是断开时有效，所以另外三个刀位的 PLC 输入点没有被激活有效。 图 3 -9 X101 接线图8 、数字输出端的连接（ X200 和 X201 ) X200 和 X201 的接线如图 3-9 、 3 -10 所示， KA1 、 KA2 、 KA3 、 KA4 、 KA5 和 KA6 分别为主轴正转、主轴反转、刀架正转、刀架反转、冷却泵和主轴制动用中间继电器， VD2 VD7 为继电器线圈两端浪涌电压吸收二极管。

36、图 3 -11 X200 接线图图 3 -12 X201接线图第4章 步进电机连接及驱动电流4.1 步进电机连接4.1.1 步进电机连接步进电机的连接步进驱动器与步进电机的连接如图 4-1 所示。图 4-1 步进驱动器与步进电机的连接4.1.2 回参考点配置为了使系统在开机以后能够立即精确地识别机床零点，必须使系统与进给轴的位置测量系统进行同步，该过程就是所谓的回参考点过程 l5s 。对于使用步进电机的进给轴，尽管没有测量系统，但也必须有回参考点过程。为了确定参考点位置，每个坐标轴必须配备一个接近开关（ PNP 型常开，即 24VDC 电平输出），用于产生返回参考点的零脉冲。返回参考点的配置形

37、式有两种：分别为双开关方式和单开关方式。为了提高返回参考点的速度、精度和可靠性，决定采用双开关方式，如图 4-2 所示。该方式可高速寻找减速开关，然后低速寻找接近开关。 图 4-2 双开关方式接近开关的布置系统在返回参考点时有两种采样接近开关的方式，如图 4-3 所示。 1 、系统采样接近开关上升沿，以上升沿有效电平作为参考点脉冲，如 a ）所示； 2 、系统在采样完上升沿后，系统控制坐标继续运动，记录上升沿参考脉冲后的运动距离，同时采样接近开关的下降沿。在采样到下降沿后计算两沿的中点，以此作为坐标的参考点，如 b ）所示。图4-3 采样接近开关方式4.2 驱动电流设定所选用的 STEPDR

38、工 vEC 可驱动不同扭矩的步进电机。在调试时需按照所使用电机的扭矩设定驱动器的驱动电流。设定方法如图 4-4 所示。图 4-4 驱动电流设定方法 25第5章 变频器选用及主控电路设计 5.1 变频器选用 5.1.1 主轴变频器选用首先要选择变频器的控制方式。变频器的控制方式主要有 U / f 控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择 U / f 控制方式是能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的 U / f ，在负载较轻的情况下，电动机的磁路常处于饱和状态，励磁

39、电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在 O . SHz 时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服 U / f 控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。数控车床属于连续运转，连续运转时

40、所需的变频器容量（ k vA ）计算式如下：式中PM 负载所要求的电动机的轴输出功率； 电动机的效率（通常约 0 . 85 ) ; COS 电动机的功率因素（通常约 0 . 75 ) U M 电动机的电压， 380V ; IM 电动机工频电源时的电流，为 15 . 4A : k 电流波形的修正系数（ P WM 方式时取 1 . 05 一 1 . 10 ) ;PCN 变频器的额定容量，kVA ICN 变频器的额定电流， A 选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。综合以上分析计算，确定为三菱 FR 一 A540系列变频器，具体型号为 FR 一 A540 一 7.5K 一 CH 。其最大输出功率

41、为 7. 5kw ，额定容量为 13kVA ，额定电流为 17A ，过载能力为 150 % 60 秒， 200 % 0 . 5 秒，额定输出电压为 3 相 38OV / 50Hz ，电源电压允许波动范围为 323V 至 528V 。其外形如图5-1、接线端子如图 5-2所示。其主要特点如下： 1 、采用先进磁通矢量控制方式，调速比可达 1 : 120 ( 0 . 5 60Hz ）。由于在 RISC 处理器中采用了新的在线自动调整功能使得电机在不影响启动速度的情况下，迅速得到调整，从而在不用 PLG 而低速运行时，达到高精度运行和高转矩输出。 2 、可拆卸式风扇和接线端子，维护方便。 3 、柔性

42、 PWM ，实现更低噪音运行。4 、内置 RS485 通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准。5 PID 等多种功能适合各种应用场合。 图5-1 三菱 FR 一A540一7.5K一 CH 变频器外形图5.2 主控电路5.2.1 主控电路主控电路的设计电气控制线路主电路如图 5-2 所示，QF1 一 QF5 为空气开关， FU 为熔断器，对电路实现短路保护。 Ml 为主电机，选择三菱 FR 一 A540 一 7 . 5K 一 CH 变频器实现变频调速，交流接触器 KMI 控制变频器的通电和断电，当变频器无故障时， B 端触头闭合， KMI 吸合，变频器通电；当变频器有故障时， B 端触头断开，

43、 KMI 线圈失电，其常开触头断开，变频器自动断电，同时 A 端触头闭合，报警灯 HL 显示报警。 FRI 为热继电器，对主轴电机实现过载保护， RCI 为三相灭弧器，构成三相负载的阻容吸收回路，能够抑制接触器吸合释放时的干扰噪声。 L 是为改善功率因素而使用的交流电抗器。 R 、 S 、 T 为变频器的电源输入端， U 、 v 、W 为输出控制电机端， STF 和 STR 分别接主轴正反转控制继电器触头 KA1 和 KA2 , 2 和 5 分别接主轴模拟量输出信号（ 0 10V ) A04 和 AGND4 ，以控制变频器的输出电压频率。执行过程为：当 PLC 发出主轴正反转信号时， KA1

44、或 KA2 的常开触头闭合， KM1 线圈得电， KM1 的常开触头闭合，变频器开始工作，当 PLC 发出主轴制动信号时， KA6 的常闭触头断开， KM1 线圈失电， KM1的常开触头断开，变频器停止工作，主电机停转。图 5-2 主电路图电箱空调及润滑报警电路如图5-3所示，QF1闭合电箱空调启动，QF2闭合润滑泵启动。295-3电箱空调及润滑报警电路31 结论本次设计依据SINUMERIK 802s base line 数控系统特点，从安全性和可靠性出发，确立了电柜设计及电源选用原则，阐述了数控系统各部分的连接方法。接下来设计了数控系统 PLC 1 / 0 口接线图， FO 口接线图中的

45、1 / 0 口定义与厂家提供的 PLC 实例程序“ SAMPLE . PTP ”中的接口定义保持一致，其目的是为了利用厂家提供的 PLC 实例程序，这样就无需自编 PLC 程序，所要做的工作只是设定一下 PLC 机床参数。再接下来阐述了各轴接近开关的配置方法和步进电机驱动电流的设定方法以及主轴变频器的选用原则，并且通过计算确定了主轴变频器的型号 三菱 FR - A540 - 7 . 5K - cH 。最后设计了车床主控电路原理图及交流控制电路图。洛阳理工学院毕业设计论文谢 辞值此论文完成之际，谨向在我毕业论文设计过程中，给予我指导、关心、支持和帮助的老师、同学表示衷心的感谢! 我是一名在校大学

46、生，在日常教学中，接触设计的机会不多，因此缺乏系统的设计的知识及技能。在此论文设计过程中，无论是查阅文献资料，还是具体细节研究，我都感觉到了前所未有的科研锻炼。 首先我要感谢我的指导老师黄桂琴!本论文撰写过程中所取得的点滴进步都离不开老师的悉心指导。老师以其渊博的知识、科学严谨的治学态度、开放性的思维方式和一丝不苟的学术风范，都给我以深刻的启迪，必将使我在今后的工作中受益无穷。老师正直的作风、平易近人、和蔼可亲的性格都给我留下了难以磨灭的印象。再此，再一次向论文设计过程中关心和悉心指导我的黄桂琴老师致以深深的谢意! 32参考文献 1龚仲华.数控技术Mj.北京:机械I:业出版社，2004. 12

47、郑晓峰.数控技术及应用M.北京:机械工业出版社，2003. 93数控技术课程设计范超毅编 华中科技大学出版社4数控机床及其应用 李善术编 机工出版社5数控技术 廖效果主编 湖北科学技术出版社6数控技术董玉红主编 高等教育出版社7数控机床电气控制张永飞主编 大连理工出版社 8杨有君.数控技术M.北京:机械工业出版社，2005. 89李善术.数控机床及其应用M.北京:机械工业出版社，2001. 510余英良.机床数控改造设计与实例!M .北京:机械工业出版社，1998. 4 11李宏A',黄尚先.机床数控技术及应用【M北京:机械一业出版社，2005. 812北京第一机床厂职l技术协会.数控

48、机床及加工中心的编程与操作M.北京:机械工业出版社，2002. 913李恩林.数控技术原理及应用M.北京:国防工业出版社，2006. 214刘跃南，雷学东.机床计算机数控及其应用M.北京:机械工业出版社，1999. l215蔡厚道.数控机床构造fMl.北京:北京理工大学出版社，2007. 216西门子802s安装调试手册56附录 附录题目APLC机床参数Numerical control technology and equipping development trend and countermeasureEquip the engineering level, level of deter

49、mining the whole national economy of the modernized degree and modernized degree of industry, numerical control technology is it develop new developing new high-tech industry and most advanced industry to equip (such as information technology and his industry, biotechnology and his industry, aviatio

50、n, spaceflight, etc. national defense industry) last technology and getting more basic most equipment. Marx has ever said "the differences of different economic times, do not lie in what is produced, and lie in how to produce, produce with some means of labor ". Manufacturing technology an

51、d equipping the most basic means of production that are that the mankind produced the activity, and numerical control technology is nowadays advanced manufacturing technology and equips the most central technology. Nowadays the manufacturing industry all around the world adopts numerical control tec

52、hnology extensively, in order to improve manufacturing capacity and level, improve the adaptive capacity and competitive power to the changeable market of the trends. In addition every industrially developed country in the world also classifies the technology and numerical control equipment of numer

53、ical control as the strategic materials of the country, not merely take the great measure to develop one's own numerical control technology and industry, and implement blockading and restrictive policy to our country in view of " high-grade, precision and advanced key technology of numerica

54、l control " and equipping. In a word, develop the advanced manufacturing technology taking numerical control technology as the core and already become every world developed country and accelerate economic development in a more cost-effective manner, important way to improve the overall national

55、 strength and national position. Numerical control technology is the technology controlled to mechanical movement and working course with digital information, integrated products of electromechanics that the numerical control equipment is the new technology represented by numerical control technolog

56、y forms to the manufacture industry of the tradition and infiltration of the new developing manufacturing industry, namely the so-called digitization is equipped, its technological range covers a lot of fields: (1)Mechanical manufacturing technology; (2)Information processing, processing, transmission technology; (3)Automatic control technology; (4)Servo drive technology; (5)Technology of the sensor; (6)Software engineering ,etc. Development trend of a numerical control technology