MK1350数控外圆磨床电气控制系统的设计

1、 上海理工大学成人高等学历教育毕业设计(论文)MK1350数控外圆磨床电气控制系统的设计 学 院 继续教育学院学 号 12144701012姓 名 张 伟专 业 电气工程及自动化学历层次 本 科 学习形式 业 余学习年限 3年学习地点 军工路校区指导教师 王 楠 老师 完成日期 2014年 11月 21日MK1350数控外圆磨床电气控制系统的设计 摘要随着科学技术的不断发展，数控机床已经逐步取代普通机床在现代装备制造业中得到了广泛的使用，它的技术水平也成为了一个衡量国家综合国力的重要标志，同时它也是一种发展国防工业重要的战略装备。西门子SINUMERIK 840DSL可以说是一个几乎能适用于所

2、有加工领域的系统平台，其所拥有的模块化、开放、灵活但又统一的结构，可以给使用者带来最佳的可视化界面与操作编程感受，它还拥有极佳的网络集成功能。SINUMERIK 840DSL自身所拥有的强大且完善的功能使得它成为了中高端数控磨床数控系统的最佳选择。本设计采用了西门子SINUMERIK 840DSL作为数控机床的核心系统。在这基础上，集成有结构紧凑且高功率密度的SINAMICS S120驱动系统，并使用SIMATIC S7-300编写数控磨床的PLC程序，完成对MK1350数控外圆磨床电气控制系统的设计。 关键词：数控磨床，SINUMERIK 840DSL，电气控制，数控系统 Design of

3、 MK1350 CNC cylindrical grinder electrical control systemABSTRACTWith the continuous development of science and technology, CNC machine tools have been gradually replaced by ordinary machines have been widely used in modern equipment manufacturing industry, its technical level has also become an imp

4、ortant symbol of a measure of the country's comprehensive national strength, but it is also a development of national defense important strategic industrial equipment. Siemens SINUMERIK 840DSL can be said to be an almost applies to all areas of the system processing platform, it has a modular, o

5、pen, flexible but unified structure that can bring the best visual interface and operation of programming experience to users, it also has an excellent network integration capabilities. Powerful and perfect function SINUMERIK 840DSL itself owned by making it the best choice for high-end CNC grinding

6、 machine CNC system.This design uses a Siemens SINUMERIK 840DSL as a core system of CNC machine tools. On this basis, integrated compact and high power density of the SINAMICS S120 drive system, and the preparation of CNC grinding machine using SIMATIC S7-300 PLC program, complete the MK1350 CNC cyl

7、indrical grinding machine electrical control system design.Key Words：CNC Grinder，SINUMERIK 840DSL，electrical control system，CNC目录第1章绪论 11.1 数控磨床的发展现状 11.2 设计内容 11.3 MK1350数控磨床简介 1第2章数控磨床的基本组成和工作原理 32.1 数控磨床的基本组成 32.2 数控磨床的工作原理及技术参数 42.3 数控磨床运动分析 42.4 MK1350数控磨床电气系统概述 5第3章MK1350数控系统的设计 83.1 数控磨床数控系统的

8、选型 83.2 SINUMERIK 840DSL系统硬件连接简要说明 8第4章MK1350数控磨床主轴电气控制系统设计 104.1 数控机床对主轴控制系统的要求 104.2 数控磨床主轴电气系统设计 104.3 变频器的选用 114.3.1 变频器的选型方法 114.3.2 变频器控制原理图设计 114.4 变频器的主轴控制方案说明及参数设置11第5章MK1350数控磨床进给伺服驱动电气控制系统设计 145.1 数控机床对进给伺服系统的要求 145.2 进给伺服驱动系统设计 145.2.1 进给伺服驱动系统选择 145.2.2 进给伺服系统的选型与接线 15第6章MK1350数控磨床辅助系统的

9、设计与常用电器元件的选型 176.1 数控磨床辅助系统的概述 176.2 冷却系统的设计 176.3 常用电器元件的选型 186.3.1 断路器的选型 186.3.2 接触器的选型 186.3.3 熔断器的选型 186.3.4 热继电器的选型 196.3.5 变压器的选型 19第7章MK1350可编程控制器（PLC）的设计 207.1 可编程控制器控制原理和工作方式 207.2 可编程控制器选择 207.3 PLC输入输出地址分配 217.4 可编程控制器程序设计 22结论 24参考文献 25附件 26上海理工大学成人高等学历教育毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1 数控磨床的发展现状机床工业

10、是一个关系到国民经济与国防工业发展的重要的基础工业，特别是数控机床，其又可以说是一种战略装备而受到各国政府的重视。我国政府一直都十分注重对机床工业的发展，并且在连续多个五年计划里都对于数控机床的发展给予了极大支持。数控磨床是一种使用磨具来对工件表面进行相应磨削加工的数控机床，它是现代信息技术与传统机械制造技术融合的产物。数控磨床由于有着计算机的控制，所以能够排除人为所导致的误差，并且可以实现精度补偿与优化控制，而且它还可以提高加工的精度与减少装夹的次数，由于有着这些优点使得数控磨床可以在现代的加工技术中脱颖而出。目前，随着国家的大力扶持和我国工业的不断发展，国内数控磨床呈现高速发展的态势，随之

11、我国的数控磨削技术也逐步提高。现在，国内的许多磨床企业都已相继研制出了各自的高精度数控磨床（如用于凸轮轴类零件加工的数控凸轮轴磨床、用于汽车行业的曲轴磨床等），它们的出现极大的扩展了我国数控磨床在国内外市场上的占有量，同时这些数控磨床很多都被应用在了汽车行业以及其配套的行业，改观了汽车行业以往都是进口磨床一家独大的情况。现在，国内的数控磨床正朝着高精度、高效率和高稳定性的方向发展，但不可否认的是我国的数控磨床与国外先进的数控磨床相比，在适用性、可靠性和加工精度的稳定性上，都还存在有不小的差距，这都需要我国的磨床企业通过漫长的时间去积累追赶先进的进口磨床。 1.2 设计内容选用先进的西门子SIN

12、UMERIK 840DSL系统作为数控磨床的数控系统，在其基础上集成结构紧凑且高功率密度的SINAMICS S120驱动系统，并选用了SIMATIC S7-300 PLC系统，完成对MK1350数控外圆磨床电气控制系统的设计。电气控制系统的设计主要是针对数控系统、主轴及进给伺服驱动电气控制系统、可编程控制器以及辅助系统的设计，还有对数控磨床常用电器元件的选型。1.3 MK1350数控磨床简介MK1350数控外圆磨床用途与性能特征:1、MK1350数控外圆磨床主要适用于磨削大型的轴类零件。特别适用在冶金行业、机车车辆的车轴加工及柴油机、内燃机等大批量的生产场合。2、采用德国西门子SINUMERI

13、K 840DSL数控系统，内置有PLC和CRT显示，砂轮架和工作台两轴联动。3、磨床的砂轮架主轴采用动静压轴承，并配置有温度控制油箱，运行地稳定性好，砂轮拥有恒线速功能。4、磨床可以实现砂轮自动切入周期进给、工作台的自动跳档、工件尺寸的自动测量和工件轴向自动定位等功能，可以实现两轴联动修整砂轮以及修整后的自动补偿。在工件进行一次装夹后，就可完成对一个或多个轴颈的磨削加工，是一种高效率、高精度的数控机床。5、工作台和砂轮架驱动电机都采用大惯量的交流伺服电机，适用于大型零件的加工。6、磨床采用全封闭防护其密封性能良好，使工作环境整洁有序。7、操纵台操作方便、编程轻松。 第2章 数控磨床的组成和工作

14、原理2.1 数控磨床的基本组成一台完整的数控磨床通常会由机床的本体、数控系统装置、伺服单元、驱动及测量反馈装置、机床的操作面板、控制介质和它的I/O设备、PLC、机床I/O电路和其元器件组成。如图2-1所示是一台数控磨床的组成图。 图2-1 数控磨床的组成图1. 数控系统数控系统通常会由程序、I/O设备、可编程控制器（PLC）、CNC装置、驱动装置（包括主轴驱动和进给驱动）等构成。数控系统收到控制介质上的各种信息后，会经过一系列处理，再将其输送进运算控制器里处理，最后通过输出装置将其得出控制指令输入进伺服系统，以使数控磨床能够完成所需要的动作。2. 伺服单元、驱动及测量反馈装置伺服单元和驱动装

15、置包括主轴与进给伺服装置及各自控制的电机。测量反馈装置是指用于测量反馈速度及位置信息的装置，其是用来实现主轴速度、进给速度的闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。3. 操作面板操作面板是数控磨床的操作人员和数控磨床在工作中进行信息相互传递的设备。操作人员可以运用控制面板对数控磨床进行各种所需要的操作以及对磨床的参数进行调整和设置，还能通过其知道数控磨床的工作状况。4. 控制介质及I/O设备控制介质是在人和磨床之间建立起联系的一种介质。I/O设备是联系CNC系统和外部设备的纽带，它的作用是对零件加工程序进行各种保存和输入。5. PLC、机床I/O电路和其元器件PLC是数控磨床必不可少的装置，它可

16、以分成硬件和软件两部分，PLC的作用是执行和逻辑运算、顺序动作有关联的I/O控制。机床的I/O电路是由各种电器元件构成的逻辑电路，是将I/O控制执行的重要部件。6. 机床的本体机床的本体其本质就是数控机床的实体，是完成零件加工的机械部分。主要由主轴、进给传动装置、机床的床身、特殊装置、润滑系统、冷却装置等构成。2.2 数控磨床的工作原理及技术参数工作原理就是根据被加工零件图纸上的几何、工艺要求等初始条件，编写相应的数控加工程序，之后将其输入数控装置，数控装置就依照程序进行一系列的处理和运算，使用机床按照程序自动工作，完成所需要的零件。MK1350数控磨床技术规格参数：表2-1 MK1350数控

17、磨床的技术参数中心高270mm顶尖距2000、3000、4000mm磨削直径30500mm砂轮尺寸750×75×305mm最大工件重量度2000kg砂轮速度35m/s-45m/s砂轮架速度0.1500mm/minX、Z轴分辨率0.001 or 0.0001mm工作台速度110000mm/min主电机功率15kw顶尖号莫氏6号表2-2 机床工作精度（标准试件100×800 45# 淬火钢）圆度2m圆柱度5m粗糙度0.32m2.3 数控磨床运动分析数控磨床的运动包含主运动（用来实现砂轮旋转的运动），进给运动（包括砂轮架的横向进给运动、工件旋转作圆周进给运动以及工作台带

18、动砂轮架作纵向进给运动，此外冷却系统也会跟随砂轮架作进给运动），辅助运动（为了装卸工件所需要的尾架套筒的伸缩运动）。为了完成这些运动还需要有润滑系统、液压系统等的帮助。(1) 主运动 电机驱动砂轮主轴带动砂轮旋转是数控磨床的主运动，其线速度一般有35-45m/s。砂轮主轴单元的轴承通常选用高精度动弹轴承、动静压轴承等。(2) 进给运动 进给运动的单元主要由伺服驱动装置、位置的监测单元、滚动部件等组成。进给单元是保证磨床稳定工作的必要前提，同时也是用于评价一台磨床性能的重要指标。本磨床采用的是交流伺服电动机与滚动丝杠相结合的进给设计方案。这种方案的优点是传动链很短，可以减少机械传动的误差。(3)

19、 尾架 数控磨床尾架通常是在磨削过程中对工件起到辅助支撑和进行轴向定位的作用，同时避免在磨削过程中产生的轴向窜动。它由尾架体和尾架套筒两部分构成。尾架套筒前会安装顶针，顶针的顶尖起到对工件的支撑作用，套筒则能够自动伸出和缩回。尾架上装有金刚石修整笔，用于修整砂轮。(4) 冷却系统 冷却系统的主要作用是在磨床的磨削过程中冷却砂轮及工件，同时还可以起到冲屑的作用，它由冷却泵实现功能。在数控磨床磨削中,它会跟随砂轮架进行进给运动。(5) 润滑系统 数控磨床中的润滑系统主要是对机床的导轨、滚珠丝杠等进行的油液润滑，同时还能够起到冷却作用。本磨床采用的是电动间歇润滑泵的润滑形式，自动润滑的间歇时间与每次

20、泵油量都可以根据使用时润滑的不同要求进行相应的修改或用参数设定。2.4 MK1350数控磨床电气系统概述 MK1350数控外圆磨床的电气控制系统是由CNC控制系统、交流伺服驱动系统、可编程控制器(PLC)以及强电控制电路等构成。CNC控制系统和伺服驱动系统，采用德国Siemens公司的SINUMERIK 840DSL系统和SINAMICS S120驱动系统，使磨床的性能和价格十分优越。磨床主轴由德国Siemens公司的MM440的变频器进行变速控制。MK1350数控外圆磨床的电气控制系统框图如图2-2所示。图2-2 数控磨床的电气控制系统框图(1) 机床电气容量及要求 电源总容量：50KW 额

21、定电流：125A防护等级：IP54(2) 机床电气主要技术要求 供电电源要求：三相四线制交流380V±10电源频率要求：50Hz±0.5Hz适用工作环境温度：540度(3) 机床电气主要构成 1) 数控系统CNC 德国Siemens公司SINUMERIK 840DSL2) 伺服单元及伺服电机 伺服单元采用德国Siemens公司SINAMICS S120系列的6SL3120-2TE21-8AA3双轴驱动单元X轴采用德国Siemens公司的1FT60641AF714DG1 (3000rmp 9.5Nm)伺服电机Z轴采用德国Siemens公司的1FT60868AC711DG1 (

22、2000rmp 27Nm)伺服电机3） 强电控制单元砂轮电机M1:18.5KW 4P 德国Siemens公司的1LG4183-4AA90-J-Z变频电机头架电机M2:18.5KW 4P 德国Siemens公司的1LG4183-4AA91-J-Z变频电机床身润滑电机M3:1.5KW 4P冷却电机M4:0.45KW主轴静压电机M5:0.37KW 4P磁性分离器M7:0.18KW变频器:选用德国Siemens公司的MicroMaster440变频器。MM440变频器是一种被广泛应用到各种领域的多功能的标准变频器。它运用了高性能的矢量控制技术，在低速高转矩输出以及动态特性上有良好的表现，并且过载能力也

23、极其强大，所以在工业领域使用犹其广泛。控制变压器TC1：380/110V-530VA 24V-100VA，提供伺服电源和电箱空调电源。隔离变压器TC2：380/220V-630VA为UPS提供交流电源。隔离变压器TC3：380/220V-2500VA为机床照明和备用插座提供电源。接触器组成本磨床的电气输出执行元件；各种继电器组成本磨床的电气输出放大元件；各种不同功用的开关和按钮等组成本磨床的电气输入元件。4） 可编程控制器(PLC) PLC选用德国Siemens公司的6ES7300系列。其运用模块化的结构，拥有高速的指令运算速度；其采用的浮点数运算能够相对有效地实现更加复杂的算术运算；在用户为

24、所有模块进行参数赋值时其自带的一个标准用户接口的软件工具STEP7会使这过程相当方便；由于它的操作系统内已经集成有方便的人机界面服务，使得人机对话的编程要求极大的减少。5) 机床操作面板 数控磨床操作面板主要是由显示器和操纵面板组成。显示器和操纵面板选用德国Siemens公司型号为6FC52030AF000AA1的显示器和6FC52030AF220AA2的操纵面板。操纵面板附带型号为6FX2007-1AD03的手轮，可以实现X、Z的运行控制，它同时具备x1、x10、x100三档倍率，可实现四档的轴倍率切换。MK1350数控外圆磨床电气系统的设计主要包含五个部分在下面会逐一介绍，首先介绍的是对数

25、控系统的设计。第3章 MK1350数控系统的设计3.1 数控磨床数控系统的选型数控系统其实就是数控机床的“大脑”，是对机床控制信息进行运算及处理的重要单元，所以为数控机床选择合适的数控系统就显得十分重要。现在数控磨床上比较常见的数控系统有日本的FANUC系统，德国的SINUMERIK系统以及国内的华中数控系统等。结合数控磨床设计需求以及其他因素考虑，最后决定选用SINUMERIK 840DSL系统。SINUMERIK 840DSL是西门子公司最新型的CNC平台。它具有以下特点：1）环保 它不仅效率高并有着有效的能耗管理与实用的能量再生功能的能源解决方案，如自动无功功率补偿等。2）设计紧凑 一个

26、SINUMERIK NC单元就已集成进了数控系统、人机接口、PLC、驱动闭环控制、还有通讯模块，同时采用能大大降低设备布线成本的DRIVE-CLiQ 通讯方式。3）安全性高 它的安全集成功能可以保证操作者与机床的高度安全，其还采用多种功能确保数据安全：如制造商循环加密功能、将数控系统与工厂网络隔离等。4）开放且灵活 开放的HMI和NCK又可以使其可以满足不同用户对于个性化的需求，而采用的SINAMICS S120驱动系统则可以完美的支持几乎所有种类的电机。5）动态性能和加工精度极佳 它源于动态伺服控制的闭环位置控制技术能够确保数控机床拥有更优秀的动态性能，可以得到最好的表面加工质量。6）操作与

27、编程简便 它不仅可以使用语言编程以及工步编程，而且一台NCU/PCU上最多可以连接上四个、间距能达100米的分布式操作面板。3.2 SINUMERIK 840DSL系统硬件连接简要说明SINUMERIK 840DSL系统一般是由HMI人机界面(包括人机单元PCU、机床的控制面板MCP等，用来实现加工与仿真、上位机的通讯以及数据管理)，控制、通讯系统(包含有数控单元NCU、可编程控制器PLC还有外围的通讯模块等，用来进行插补运算、还有运动和数字量模拟量控制)，S120驱动系统(包括S120驱动控制系统和伺服电机，用来组成运动控制系统）三部分构成。如图3-1所示是SINUMERIK 840DSL系

28、统的硬件连接图。MK1350数控外圆磨床也是使用这种硬件连接。图3-1 SINUMERIK 840DSL系统的硬件连接操作部件网络：以太网（深绿色）PCU（即PC）、MCP（控制板）、OP（操作面板）、HT2（手轮）等部件连接驱动系统网络：DriveCliq网络（青绿色）SINAMICS S120驱动系统部件的连接PLC I/O网络：ProfiBus网络（紫色）ET200S（串行接口模块）、ET200M（分布式 I/O 设备）、ET200PRO（分布式 I/O 系统）等I/O模块的连接本章对MK1350数控外圆磨床的数控系统SINUMERIK 840DSL做了简要的叙述，接下来介绍它的主轴电气

29、控制系统。第4章 MK1350数控磨床主轴电气控制系统设计主轴控制系统也能称作主传动系统，是电气系统中完成机床主运动的动力装置部分，主要作用是提供机床主轴运行所需的驱动功率以及切削力，它性能的优良性直接决定了加工工件的表面质量，是机床最核心的关键部件之一。4.1 数控机床对主轴控制系统的要求由于数控技术的不断发展，以往机床采用的传统的主轴驱动现在已经不能适应现代的使用要求。现代的数控机床已经对主传动有了更高的要求，它包括以下几方面：1) 宽调速与无级调速 为了可以在数控加工时，合理选择切削量，提高生产的效率以及零件表面质量，就必须要拥有更大的调速范围。如数控车床上为了能达到恒线速切削，它的主传

30、动系统应该能够实现无级变速，并需要尽量减少中间传动环节，达到简化主轴箱的目的。2) 高刚性与低噪音 机床的主传动系统的精度与刚性可以说是直接影响到加工工件的精度因素，因此数控机床的主传动链必须要短、传动件精度与刚性要求也很高，同时主轴的支承跨距也要求设置合理，噪音要求减少到最低限度。 3) 抗振性与热稳定性要高 由于数控加工磨削时会受到磨削力等各种因素的影响，会导致机床主轴产生振动，这会极大的影响到零件表面粗糙度和加工精度，严重时还甚至会破坏加工刀具和零件。同时由于摩擦、切削热等因素的影响会还能使得主传动系统中的零件产生热变形，尽而产生加工误差。因此，要求数控机床的主传动系统的抗振性与热稳定性

31、一定要好。4.2 数控磨床主轴电气系统设计MK1350数控磨床有两根主轴分别是头架主轴和砂轮架主轴，其主轴驱动系统包括主轴的驱动装置和主轴电动机。机床的主轴驱动系统根据采用电机的交直流不同，区分成直流与交流驱动系统。现在，数控磨床的主轴驱动电机一般使用交流电机也就是交流驱动系统，直流电机会受机械换向的影响，使用与维护都比较繁琐，而且其恒功率调整范围小已逐渐被淘汰。高功率的交流同步电机因为会受到永磁体的限制，所以成本很高致使现在的数控机床主轴驱动系统里的交流电机，很多都是使用笼型的异步电机。但在设计中，为了保证磨床能够拥有不错的主轴特性，所以选用能够反馈矢量控制的变频电机。矢量控制根据有无速度传

32、感器来区分，有速度传感器比无速度传感器要拥有更好的速度控制精度，在本设计里无速度传感器的矢量变频器就能满足控制要求。因此，设计中磨床的变频器就采用了无速度传感器的矢量变频器。4.3 变频器的选用交流变频调速技术可以说是如今电力传动技术的主要发展方向之一。现在，在交流变频调速系统里，由于现代控制理论、电力电子以及微电子技术的广泛使用，作为变频调速系统核心的变频器，它的性能也得到了很大提高并且种类繁多，越来越多地被应用于工业生产和日常生活的很多领域中，并获得了良好的经济效益。4.3.1 变频器的选型方法一般要根据负载的特性来选择变频器的类型：1） 风机和水泵是最普通的负载，它们的阻力转矩会是与转速

33、的平方成为正比的，而起动和低速的时候阻力转矩不大，一般选择普通功能型的变频器。2） 恒转矩类负载，比如说提升机、搅拌机、传送带等，我们需要分两种情况考虑。第一种就是用普通功能型的变频器，不过为了能够恒转矩调速，一般会增加电机和变频器的容量，用来提高起动及低速情况下的转矩。第二种就是选拥有转矩控制能力的高功能型的变频器，它的恒转矩负载调速运行效果比较理想。这是由于这种变频器启动与低速时的转矩大，其静态时的机械特性硬度也大，可以承受的起冲击性负载，还拥有良好的过载截止特性。3） 如果是轧机、机床主轴等，转矩基本与转速成反比的恒功率负载，适宜采用矢量控制型的变频器。结合以上几点考虑，最后决定选用德国

34、西门子MM440矢量型通用变频器。变频器具体型号的选择则是以所选电机的电流值为依据，最后选用型号为6SE6440-2UD31-8DA1西门子变频器。4.3.2 变频器控制原理图设计1）变频器主回路：电抗器有着平波和限流的作用，将其安装在变频器电源线的进线端处，就可以起到改善变频器功率因素的作用，同时还能有效地抑制电网电压的突变以及操作过电压所产生的冲击电流保护变频器。如果变频器离电机比较远，那么输出端就可以考虑安装滤波器，用来减少变频器输出时产生的高次谐波。2）变频器控制回路：需要考虑电磁干扰的问题，应采用屏蔽电缆，并且要可靠接地，通常会采用一点接地，来避免屏蔽层两端产生的差模信号干扰。4.4

35、 变频器的主轴控制方案说明及参数设置如图4-1所示是数控磨床头架主轴的变频器控制接线图。三相380V的交流电压供电，通过熔断器FU2、电抗器L2接到变频器的电源输入端L1、L2、L3上面，经过变换的交流电从变频器的输出端U、V、W输出到头架电机M2上。头架电机的正反转通过受系统内嵌的PMC控制的继电器KA6和KA7通断来完成，当KA7闭合时电机反转，当KA6闭合时电机正传。19、20端子常开连接是头架变频器的报警输出端子。1、2、3、4端子为模拟量输入端子。12、13端子为模拟量输出端子。图4-1 数控磨床头架主轴的变频器控制接线图在使用西门子变频器驱动电机之前，为了使其能良好的工作还需要对其

36、参数进行设置。这时的参数设置通常是对变频器进行快速设置，并且设置前还需把变频器恢复到出厂值，具体的详细设置则根据电机运行后实际的工作情况进行调整。西门子MM440变频器快速设置步骤：首先设置P0003=1，P0010=30，P0970=1三个参数将变频器恢复到出厂值，然后根据表4-1所示依次操作就能完成对变频器的快速设置。表4-1 西门子MM440变频器快速设置步骤参数号说明值P0003用户访问级（专家）3P0010开始快速调试1P0100功率为KW，频率为50Hz0P0205变频器的应用对象（恒转矩）0P0300选择电动机的类型（异步电动机）1P0304电动机的额定电压380P0305电动机

37、的额定电流35P0307电动机的额定功率18.5P0308电动机的额定功率因素0.84P0310电动机的额定频率50P0311电动机的额定转速1465P1120斜坡上升时间10P1121斜坡下降时间10P1910选择电动机数据自动检测1P3900结束快速调试1磨床的砂轮架主轴采用与头架主轴一样的电气控制结构，这里就不再多做说明。MK1350数控磨床主轴的电气控制系统如上所述，下面介绍磨床的伺服系统。第5章 MK1350数控磨床进给伺服驱动电气控制系统设计伺服系统也被称为随动系统,可以跟踪输入的指令信号而进行相应地动作,是一种可以获得精确的输出量的自动控制系统。进给伺服系统在数控机床中会根据数控

38、系统传送的指令脉冲信号，经过一定的信号转变和放大后，最后实现数控机床可移动部件的机械运动。5.1 数控机床对进给伺服系统的要求伺服系统是联系数控机床与数控装置的枢纽，其性能对数控机床有着很大程度的影响，因此它对数控机床来说也是一个关键技术。进给伺服系统通常会由伺服驱动控制系统和机械传动执行件两个部分来组成。同时，对于进给伺服系统的分类方法也有很多种，通常是按机床的控制类型来区分：开环、闭环伺服系统。又根据位置检测信号的测量位置不同，还可以将闭环伺服系统分为半闭环与全闭环。由于进给伺服系统可以很大程度上影响数控机床的性能，所以数控机床对于进给伺服系统的各个方面都会有着很高的要求，基本可以概括为以

39、下几点：1） 精度要求高 由于数控机床是按照预先设定的程序自动加工零件，所以不能和普通机床一样手动弥补各种误差，必然要求要保证机床拥有很高的定位精度和位移精度。2） 调速范围要宽 为了保证数控机床在任何情况下面都可以获得最好的切削条件，同时还要满足缩短辅助时间的要求，就需要进给伺服系统具有很宽的调速范围可以选择。3） 响应速度快 响应速度快是要求机床的伺服系统收到指令信号后跟随的响应速度要快，目的是在轮廓切削时得到低的加工表面精度和保证形状精度。4） 稳定性好 稳定性好是指要拥有较强的适应外加负载变化和抗击干扰的能力，同时自身的调速机械特性也要好，来保证加工时的机床平稳运行。5） 转矩输出大

40、在数控机床面临低速下的重磨削时，就要求进给系统这时能有大的转矩输出。5.2 进给伺服驱动系统设计5.2.1 进给伺服驱动系统选择初期的数控机床多是采用电液伺服的驱动方式，随着科技的日益进步已经被电气化的伺服驱动系统所代替。电气化的伺服驱动系统根据所选配电机的不同，可以分成步进、直流和交流伺服驱动系统三大类。1） 步进电机 步进电动机是一种可以将输入的电脉冲信号转换为相应的角位移的驱动元件。它的特点是电机的调速范围宽、灵敏度好，同时转动惯量小、输出转角可以控制，并拥有一定的精度，常用在开环伺服系统。它与闭环系统相比，由于没有反馈回路控制系统结构就比较简单、成本也相应降低，同时使用也非常方便，所以

41、会被广泛的使用在对精度和速度要求不高的中小型数控机床上。2） 直流伺服电机 直流伺服电机拥有伺服特性以及良好的调速性能，但是它的缺点明显：结构复杂，成本高，故障偏多，需要经常维护，同时电机的容量和速度也受到了限制，使用还会电磁干扰，所以现在已经被逐渐被交流伺服电机所替代。3） 交流伺服电机 针对直流伺服电机各种的缺点，交流伺服电机应运而生。交流伺服电机拥有比直流伺服电机更加优良的机械特性和更宽的调速特性，完全适应了数控机床对伺服系统的高要求，所以在数控机床上得到了广泛地应用。考虑到实际情况，机床最后决定选用使用交流伺服电机的交流伺服驱动系统。交流伺服电机选用德国Siemens公司的1FT6系列

42、永磁同步电动机。永磁同步电动机在交流伺服驱动系统中的使用技术已经趋于成熟，已经可以实现弱磁高速控制同时它的低速性能也十分优良，使得系统拥有很宽的调速范围，满足了机床对高性能伺服驱动的要求，现在已经是交流伺服驱动系统的首选。5.2.2 进给伺服系统的选型与接线考虑到已经选用德国Siemens公司的1FT6系列永磁同步电动机，其伺服系统就选择同公司的SINAMICS S120进给伺服系统。SINAMICS S120是西门子公司推出的SINAMICS驱动系列之一，它不仅能控制多种类型的电机,还拥有极其出色的定位功能,可以为数控机床提供高性能的单轴和双轴驱动，并凭借着其可升级性和灵活性,SINAMIC

43、S S120是可以满足现在数控机床发展需要的理想系统。SINAMICS S120多轴驱动器使用电源模块和电机模块分开的结构，电源模块会将进入的三相交流电整流后变成540V或600V的直流电，然后将指定电机模块全部连接至该直流母线上，这种方法尤其适用在多轴控制上，其优点是各个电机轴间的能量可以共享，同时接线方便、简单。如图5-1所示是数控磨床进给伺服系统接线图。图5-1 数控磨床进给伺服系统接线图X200与X201都是通讯电缆接口，这里使用X200与840DSL主板上X101接口相连。X1与X2都是电机接口，各自对应控制板上X202与X203接口。X1与X轴伺服电机相连，X2与Z轴伺服电机相连。

44、X202与X203接口用于接收来自伺服电机的信息，主要是伺服电机编码器反馈和电机的附加信息。X21/3、4 连接24V电源，作用是使用安全制动功能。P600与M600是电源接口，600V直流电压输出端子。MK1350数控磨床的进给伺服驱动电气控制系统如上所诉，下面再介绍它的辅助系统与其常用电器元件的选型。第6章 MK1350数控磨床辅助系统的设计与常用电器元件的选型6.1 数控磨床辅助系统的概述数控磨床辅助系统主要有冷却系统、润滑系统和过滤系统。冷却系统、润滑系统之前已有过叙述这里不再作介绍。过滤系统其实是冷却系统的一部分作用是净化机床的冷却液，其主要设备是磁性分离器。磁性分离器的磁

45、性滚筒可以将冷却液中的铁屑吸出，保持切削液的清洁，从而提高了机床的加工性能和砂轮的寿命，有降低成本、提高生产效率的作用，同时也减少了对环境的污染。6.2 冷却系统的设计数控磨床的冷却系统主要用于在磨削过程中砂轮和工件的冷却，同时也有冲屑作用。为了在磨削中可以获得较好的冷却效果，切削液通过设置在砂轮架前端的喷嘴喷出直接冲向砂轮与工件的磨削发热处。冷却泵的开启与停止可以通过数控磨床控制面板上的冷却泵启动与停止按钮在手动的情况下控制，也能通过在数控程序中添加辅助M指令控制，一般是用M08、M09分别控制启停。图6-1 MK1350数控外圆磨床冷却电路图冷却系统电路分析： 当发生过载情况或短路时，过载

46、保护器就会自动脱扣，同时也就切断了冷却电机的电源，使冷却电机立即停止工作，避免冷却电机烧毁。三相阻容吸收器FV304接在交流接触器KM4与冷却电机之间，用以消除交流接触器KM4吸合与断开时所产生的电弧，起到保护作用。 润滑系统、过滤系统的电气系统结构与冷却系统的类似，这里不再多作介绍。6.3 常用电器元件的选型由于数控机床控制电路是由许多不同种类的电器元件组成，而且在实际运用中数控机床许多故障产生的原因就是它电路中低压电器部分的问题，所以为数控机床选择合适的低压电器元件在数控机床设计中也显得尤为重要。常用的电器元件有开关、按钮、继电器、接触器、熔断器等。数控机床的电器元件选择基本原则：1）根据

47、控制功能要求来选择电器元件的类型。2）确定元器件的可靠性、承载能力的临界值和使用寿命。3）确定元器件的工作环境和相关情况。6.3.1 断路器的选型断路器是一种能在电路发生故障时，自动切断故障电路的保护电器。在数控机床上使用的断路器，通常都是低压断路器。其选型原则：1）断路器的类型由使用场合和保护要求确定。2）断路器的额定电压和电流线路、设备的正常工作时的电压和电流。3）断路器的通断能力电路中短路时的最大电流。6.3.2 接触器的选型接触器是数控机床中常用的一种控制电器，目的是频繁的接通与断开机床中的各种负载。其选型原则:1）接触器的使用类型根据负载性质选择，触点的数量满足使用需求。2）额定电压

48、和电流主电路额定电压和被控制电路的额定电流。3）吸引线圈额定电压和频率必须和控制回路中的电压和频率保持一致。6.3.3 熔断器的选型熔断器主要用在低压线路里的短路保护。其选型原则：1） 根据其所处电路特点及相关参数计算其熔体电流，通过熔体电流选择熔断器的规格型号。2） 熔体额定电流的选择：在电容设备中，熔体额定电流需大于电容器额定电流的1.6倍。用于阻性负载的短路保护（比如照明灯）时，熔体的额定电流则等于或略大于电路里的工作电流。对于电机负载，如果只有一台电机那么其熔体的额定电流 (6-1)In：这台电机的额定电流 Irn: 熔体的额定电流如果有多台电机那么其熔体的额定电流 (6-2)Inma

49、x：多台电机里功率最大的那台电机的额定电流 In：其它电机额定电流的总和6.3.4 热继电器的选型热继电器在数控机床中通常用来对电机或其他负载进行过载及断相保护。其选型原则：1） 热继电器的额定电流和整定电流一般是通过电机的额定电流来确定。2） 热继电器的额定电流应该大于或等于整定电流，而热继电器的整定电流一般是电机额定电流的0.951.05倍，即 (6-3)Iz：热继电器的整定电流6.3.5 变压器的选型数控机床中往往要使用到很多不同种类和规格的电源，这时就需要变压器来变换提供电源。变压器的选型主要是根据变压器总的负载容量来选择，然后再依据实际接到一次侧绕组上面的电源电压来确定一次侧的电压等

50、级，最后根据实际需求选择二次侧的电压等级和额定容量。总的负载容量根据电路中每一个相关电器的动作情况以及顺序来进行负载容量的测算，所得到数再乘上1.11.2安全系数而获得。本章简单的对MK1350数控磨床辅助系统的设计与常用电器元件的选型做了介绍，最后介绍磨床的PLC部分。第7章 MK1350可编程控制器（PLC）的设计可编程控制器（PLC）是一种广泛用在工业自动化控制各个领域的新型控制设备。它拥有可靠性高、功能强、通用性好等诸多特点，所以广受用户的欢迎。在数控机床中PLC则是数控系统的重要组成部分之一。其作用是：接收CNC发来的各种指令信息（如M、S、T等的功能信息）将其译码后转化为相应的控制

51、信号，同时也会接收来自机床操作面板以及机床侧的I/O信号并将其输出给CNC装置进行处理，完成输出控制功能控制CNC系统的工作状态和实现机床的动作。7.1 可编程控制器控制原理和工作方式PLC早期是起到替代继电接触控制系统的作用，所以它们的外部功能以及控制过程是基本一致的。各种信号输入后由控制装置进行逻辑运算，然后将运算结果输送入输出部分，达到实时控制。但它们的内部组成、控制方法、运行方式则完全不同。继电器与接触器所组成的控制装置采用并行的工作方式，由一个个按照一定方式接线的电器元件来实现固定逻辑控制。PLC则是采用按顺序来逐条扫描的串行的工作方式，它通过用户预先编写的程序来实现各种控制。PLC

52、采用周期循环扫描以及集中输入、输出的工作方式。它的扫描过程如图7-1所示可分三阶段进行：输入采样阶段、程序执行阶段还有输出刷新阶段。图7-1 PLC扫描过程图7.2 可编程控制器选择MK1350数控磨床的PLC选用的是西门子的SIMATIC S7-300型。它适用于自动化工程中的各种场合，特别适合生产制造工程里的应用。其所拥有的模块化、无风扇的结构、容易掌握等诸多特点，使S7-300在工业领域中可以实现各种控制任务，并且还是一种经济且切合实际的解决方法。S7-300是标准型模块式结构化的PLC，不同种类的模块互相独立，一同安装于固定的机架导轨上，组成一个完整的PLC应用系统。各种模块（包括电源模块、I/O模块、CPU模块还有接口模块）可以以不同的方式组合，这形式可以使控制系统设计更加灵活，以满足不同场合的使用需求。根据设计需要MK1350数控磨床只需选用接口模块、输入输出模块以及电源模块。输入输出模块根据所需I/O点的数量选择，需要两块数字输入模块、两块数字输出模块、一块D/A模