数控车床电气控制系统设计说明

1、郑州铁路职业技术学院毕业设计说明书论文题目：数控车床电气限制系统设计系部：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：2021年3月4日至2021年4月15日目录1、前言(1)2、数控的开展史(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)前言我国数控技术的开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,我国数控产业开展迅速,1

2、9982004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%34.9%.尽管如此,进口机床的开展势头依然强劲,从2002年开始,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开发方面与国外的差距更加明显,70%；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开发深度不够、制造水平依然落后、效劳意识与水平欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等.我们应看清形势,充分熟悉国产数控机床

3、的缺乏,努力开展先进技术,加大技术创新与培训效劳力度,以缩短与兴旺国家之问的差距.一、数控的开展史高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要开展方向.数控技术的问世已有40多年的历史,它是由机械学、限制学、电子学、计算机科学四大根底学科开展起来的一门综合性新型学科.技术开展的需要对21世纪的数控技术提出了更高的要求.一、个性化的开展趋势1 .高速化、高精度化、高可靠性高速化：提升进给速度与提升主轴转速.高精度化：其精度从微米级到亚微米级,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,由于

4、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开展,其核心是在一台机床上要完成车、铳、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序,从而提升了机床的效率和加工精度,提升生产的柔性.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；为提升驱动性能及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,以及智能诊断、智能监控等方面的内容,方便系统的诊断及维修.4 .柔性化、集成化当今世界上的数控机床向柔性自动化系统开展的趋势是：从点数控单机、加工中央和数控复合加工机床、线FMCFMSFTLFMI向面工段车间

5、独立制造岛FA、体CIMS分布式网络集成制造系统的方向开展,另一方面向注重应用性和经济性方向开展.柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主二、个性化是市场适应性开展趋势当今的市场,国际合作的格局逐渐形成,产品竞争日趋剧烈,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开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

6、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标准、通信标准、配置标准、运行平台、数控系统功能库以及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、全球制造的根底单元.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限制可分为两类：一类是“数字限制,例如,数控机床各坐标轴的移动距离,各轴运行的插补、补偿限制等；另一类是“顺序限制,根据机床各行程开关

7、、传感器、按钮、继电器等的开关量信号,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/松开、液压、冷却、润滑系统的运行等进行的限制.数控机床从结构上看通常可分为三局部：CNC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统内部；又t于独立式PLC那么一般在机床电气内.从机电的角度看,CNC系统和机床电气为电,机床本体那么为机.在讨论PLC时,常以PLC为界把数控机床分为“NC侧和“MT侧即机床侧两大局部.“NC侧包括CNC统的硬件软件以及CNC统的外部设备.“MT侧那么包括机床的机械局部、液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置,以及机床操作面板、继

8、电器线路、机床强电线路等.PLC处于NCtMT之间,并对NC和MT的输入、输出信号进行处理.MT侧顺序限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异.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、数控铳床的受控对象数量较少.三、工作流程分析1 .电气原理图分析的方法与步骤电气限制电路一般由主回路、限制电路和辅助电路等局部组成.了解了电气限制系统的总体结构、电动机和电器元件的分布状况及限制要求等内容之后,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

9、和电磁阀等执行电器的限制要求,分析它们的限制内容,限制内容包括启动、方向限制、调速和制动.分析限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限制要求,逐一找出限制电路中的限制环节,按功能不同划分成假设干个局部限制线路来进行分析.而分析限制电路的最根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、工作状态显示、照明和故障报警等局部,它们大多由限制电路中的元件来限制的,所以在分析时,还要回头来对照限制电路进行分析.分析连锁与保护环节机床对于平安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限制方案以外,在限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

10、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及各局部之间的限制关系之后,还必须用“集零为整的方法,检查整个限制线路,看是否有遗漏.特别要从整体角度去进一步检查和理解各限制环节之间的联系,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及限制要求数控车床主轴的旋转运动由5.5kw变频主轴电机实现,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限制并协调.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-AC380V

11、50HzPE电源开毛_QF40AQF210A380VAC/200VAC伺服军君伺服强电王轴强电设备界线TC13.5KVA13,5QF3.25Apu6U12V12W2KM3(22A)135246i+R1S1T1U11V11W1刀架电机稔却电机UVW2U21V21W21KM6(9A)(9A)U2M2W3M3V2W2*口120W图1TK40A强电回路图中QF1为电源总开关.QF3QF2QF4QF5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及短路、过流时起保护作用；其中QF4QF5t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

12、流来调节空开的设定值,起到过流保护作用.KM3KM1KM的别为主轴电机、伺服电机、冷却电机交流接触器,由它们的主触点限制相应电机；KM4KM效刀架正反转交流接触器,用于限制刀架的正反转.TC1为三相伺服变压器,将交流380V变为交流200V供应伺服电源模块；RC1RC3RC4为阻容吸收,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,预防产生过电压而损坏器件.电源电路分析图2为电源回路图限制变压器TC24,56,7I24DBUCuQF1010024V2-2X1mm吊挂风扇图2TK40A电源回路图图中TC2为限制变压器,原方为AC380V副方为AC110VAC220VAC24V

13、其中AC110V给交流接触器线圈、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；AC220Vl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专换为AD24Vt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；QF6QF7QF8QF9QF10®开为电路的短路保护.限制电路分析a.主轴电机的限制图3、图4分别为交流限制回路图和直流限制回路图.先将QF2QF3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,KA2KA3继电器线圈通电,继电器触点吸

14、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,KM3i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AC380Vt压,假设有主轴正转或主轴反转及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.b.刀架电机的限制当有手动换刀或自动换刀指令时,经过系统处理转

15、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,KM皎流接触器线圈通电,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,KM浪流接触器主触点断开,刀架电机反转停止.选刀完成.为了预防电源短路,在刀架电机正转继电器线圈、接触器线圈回路中申入了反转继电器、接触器常闭触点,见图3.请注意,刀

16、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.冷却电机限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,KM皎流接触器线圈通电,交流接触器主触点吸合,冷却电机旋转,带动冷却泵工作.伺服电机的限制请参考其他资料书在这里不作重点表达主轴电机伺服强电允许外部运行允许伺服ok?y冷主轴电机刀架电机刀架电机冷却电机%?y>'Xa?aEKA2KA3KA100IoOSQX-1一(OTBS2SQX-31超质-1CBD-SB2SQZ-3急停(面板)急停(手持盒;(OTBS1420Y10Y11Y06Y07Y05KA73KA63J

17、7111114KA21314KA314KA41314KA5KA6KA7141414KA81314图4TK40A直流限制图2、设计规划PLC限制系统的电气设计包括以下内容：(如下列图所示)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输出接口的驱动水平,一般继电器输出为2A,光隔卒&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+10功两种可选.(4)采用多直流电源

18、时的共地要求.(5)输出端接不同负载类型时的保护电路.执行电器假设为感性负载,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)假设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.如下所示如:仁端了号说明备注车床铳床车床铳床加工中央MM124VDCML+L+224VDC俞出作为X333输入信号的公共端I0.0I0.03急停按钮I0.1I0.1:4X轴“正向限位开关I0.2I0.25X轴“负向限位开关I0.3I0.36无Z轴“正向限位开关I0.4I0.47无

19、Z轴“负向限位开关I0.5I0.518X轴参考点开关I0.6I0.69无Z轴参考点开关I0.7I0.710Z轴“正向B艮位开关Y轴“正向限位开关I1.0I1.0111Z轴“负向限位开关Y轴“负向限位开关I1.1I1.112Z轴参考点开关Y轴参考点开关I1.2I1.213无无伸出到位I1.3I1.3114无无缩回到位I1.4I1.4115无无松开到位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I2.1I2.120I2/t报警I2.2I2.221I2.3I2.322I2.4I2.423冷却液液位过低I2.5I2.5124冷却泵

20、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WQ0.3Q0.334Q0.4Q0.435冷却泵Q0.5Q0.536润滑泵Q0.6Q0.637Q0.7Q0.738Q1.0Q1.039刀架止转无刀库止转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无无刀柄松开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

21、号的公共端：24VDCMM1124VDCML+L+224VDC俞出作为X333输入信号的公共端I3.0I3.03刀位检测信号T1I3.1I3.114刀位检测信号T2I3.2I3.25刀位检测信号T3I3.3I3.36刀位检测信号T4I3.4I3.417刀位检测信号T5I3.5I3.58刀位检测信号T6I3.6I3.69刀位检测信号T7I3.7I3.7110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局部电路图查询常见的故障,图如下所示:喇器便I器狂好NHM号区3卦次评目即号即逢Y再vnimrv

22、inwi序号故障点故障现象车床铳床1主轴电机电压输出开路主轴电机不启动2主轴信号STF输出开路MCPAS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输出开路MCPAS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输出开路MCPAK块面板的Uni-DiU和Uni-Dir2接口都有24V输出,但主轴不能正反转5主轴信号+V输出开路限制信号无输入,变频器外部模拟量限制时主轴不转6力架电机电源输出开路模拟力架力库止转限制隹T号Q1.0后输出,相应的旨示灯亮,但不能换刀无7主轴模拟量信号SVC俞出开路主轴模拟输出信号SVC无信号输出,主轴不转8主轴力向

23、1彳仔号输出开路MCPA1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信号输出开路MCPA1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电源输出开路驱动器电源模块断电不启动,进给驱动面板的P24和M无24V电源.注：故障排除后系统需重新上电11PP72/48模块24V电源输出开路PP72/48模块断电/、,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电源输出开路NC不启动13驱动器就绪信号输出开路系统出现003000急停、700016驱动器未就绪报警14I2/t报警信号输出开路系统出现700

24、016驱动器未就绪,700017电源馈入模块I2/T报警15手轮A+W号输出开路手轮信号A+俞出电压升高,进给轴不动16手轮电源+5V输出开路手轮电源+5V没有输出,进给轴不动17冷却泵限制信号输出开路Q0.4没有输出,冷却限制无效18润滑泵限制信号输出开路Q0.5没有输出,润滑限制无效19刀架止转信号输出开路Q1.0没有输出,刀架不能止转无20刀架反转信号输出开路Q1.1没有输出,刀架不能反转无21急停信号开路系统出现003000急停、700016驱动器未就绪,I0.0无24V电源22信号I0.1输出开路系统出现021614通道1轴X/X1到达硬件限位开关+报警,X轴不能往止方向运行23信号

25、I0.2输出开路系统出现021614通道1轴X/X1到达硬件限位开关-报警,X轴不能往负方向运行24信号I0.3输出开路无系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位开关+报警25信号I0.4输出开路无系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位开关-报警26信号I0.5输出开路X轴回不了参考点27信号I0.6输出开路无Z轴回不了参考点28信号I0.7输出开路系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限位开关+报系统出现021614通道1轴Y/Y1到达硬件限位开关+报警,Z轴不能往正方向运行警,Y轴不能往正方向运行29信号I1.0输出开路系统出现021614通道1轴Z/Z1到达硬件限

26、位开关-报警,Z轴不能往负方向运行系统出现021614通道1轴Y/Y1到达硬件限位开关-报警,Y轴不能往负方向运行30信号I1.1输出开路Z轴回不了参考点Y轴回不了参考点31手轮B+J号输出开路手轮信号B+俞出电压升高,进给轴不动32手轮A-信号输出开路手轮信号A-输出电压升高,进给轴动33手轮B-信号输出开路手轮信号B-输出电压升高,进给轴动34停止灯信号开路停止或不凫,停止按钮起作用35启动信号开路启动按钮不起作用36停止信号开路停止按钮/、起作用37冷却液液位过低信号I2.4输出开路将I2.4钮子开关打上后,系统无700019冷却液液位低报警38冷却泵电机过载信号I2.5输出开路将I2.

27、5钮子开关打上后,系统无700018冷却泵电机过我报警39润滑液液位过低信号I2.6输出开路将I2.6钮子开关打上后,系统无700021润滑液液位低报警40润滑泵电机过载心I2.7输出开路将I2.7钮子开关打上后,系统无700020润滑电机过载报警41刀具1信号输出开路找不到1#刀具无42刀具2信号输出开路找不到2#刀具无43刀具3信号输出开路找不到3#刀具无44刀具4信号输出开路找不到4#刀具无45刀具5信号输出开路找不到5#刀具无46刀具6信号输出开路找不到6#刀具无47刀具7信号输出开路找不到7#刀具无48刀具8信号输出开路找不到8#刀具无七、收获掌握了数控机床电气柜限制电路的原理及应用掌握了西门子802Dsl数控铳床的编程方法和操作方法掌握了802Dsl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的指令及编程掌握了加工中央刀具库的应用和换刀限制掌握了车削中央C轴功能的应用与调试.掌握了数