CK516数控化车床的电气控制电路设计方案

PAGE目录TOC\o”1—3"\h\z\u_Toc200628099”第一章绪论 2HYPERLINK\l”_Toc200628100”1。1数控系统进展简史及趋势 31.3数控将来进展的趋势 4HYPERLINK\l”_Toc200628103”1。4机床数控化改造的必要性 51。4。1微观看改造的必要性 51.4。2宏观看改造的必要性 5_Toc200628107”1。5。1国内机床数控化改造的市场 6HYPERLINK\l”_Toc200628108”1。5。2进口设备和生产线的数控化改造市场 6HYPERLINK\l”_Toc200628109"1。6数控化改造的内容及优缺点 6HYPERLINK\l”_Toc200628110"1。6。1国外改造业的兴起 61.6.3数控化改造的优缺点 7HYPERLINK\l”_Toc200628113"其次章数控机床电气掌握系统综述 8HYPERLINK\l”_Toc200628114”2.1典型数控机床电气掌握系统 8HYPERLINK\l”_Toc200628115"2.2数控机床运动坐标的电气掌握 9HYPERLINK\l”_Toc200628116”第三章CK516车床数控系统选用及连接 103。1数控系统选用 10HYPERLINK\l”_Toc200628118"3。1.1系统的运动方式与伺服系统 10HYPERLINK\l”_Toc200628119"3。1.2微机系统 104.1CK516数控车床的电气掌握要求 12HYPERLINK\l”_Toc200628123”4.2CK516数控车床的电气掌握方案设计 134。2。2变频器的确定 13HYPERLINK\l”_Toc200628126”4。2。3掌握变压器的确定 14HYPERLINK\l”_Toc200628127"4.2。4电气系统框图设计 14HYPERLINK\l”_Toc200628128"4。2.5强电主回路的设计 14HYPERLINK\l”_Toc200628129"4.2.6机床掌握电源的设计 16HYPERLINK\l”_Toc200628130"4.2.7伺服驱动系统掌握设计 16HYPERLINK\l”_Toc200628131"4。2.8沟通掌握回路的设计 18HYPERLINK\l”_Toc200628132”4。2.9主轴润滑系统的掌握设计 184.2.10刀台的自动掌握设计 19HYPERLINK\l”_Toc200628134"4.2.11沟通掌握回路的帮助回路设计 20HYPERLINK\l”_Toc200628135"结论 21HYPERLINK\l”_Toc200628136"致谢 22搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控(HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。随着元器件的进展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代-—电子管；1959年的其次代-—晶体管；1965年的第三代—-小规模集成电路。1.2计算机数控的进展到1970年,通用小型计算机业已消灭并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从今进入了计算机数控（CNC)阶段（把计算机前面应有的”通用"两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和掌握器,采纳大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR),又可称为中央处理单元(简称CPU）.到1974年微处理器被应用于数控系统。这是由于小型计算机功能太强，掌握一台机床能力有富有（故当时曾用于掌握多台机床，称之为群控)，不如采纳微处理器经济合理。而且当时的小型机牢靠性也不抱负。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1990年,PC机(个人计算机，国内习惯称微机）的性能已进展到很高的阶段，可以满意作为数控系统核心部件的要求。数控系统从今进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代——小型计算机；1974年的第五代——微处理器和1990年的第六代—-基于PC（国外称为

PC—BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC)。所以我们日常讲的"数控"，实质上已是指"计算机数控”了。1。3数控将来进展的趋势(1)连续向开放式、基于PC的第六代方向进展基于PC所具有的开放性、低成本、高牢靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采纳PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统担当数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到全部的数控系统.远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。（2）向高速和高精度化进展这是适应机床向高速和高精度方向进展的需要.(3)向智能化方向进展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和进展，数控系统的智能化程度将不断提高.1.4机床数控化改造的必要性1.4。1微观看改造的必要性从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。(1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等简洁的零件。由于计算机有超群的运算能力，可以瞬时精准地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成简洁的曲线或曲面。（2）可以实现加工的自动化,而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。（3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要”修配”。（4）可实现多工序的集中，削减零件在机床间的频繁搬运。(5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,因而可实现长时间无人看管加工.（6）由以上五条派生的好处。：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），削减了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。1.4.2宏观看改造的必要性从宏观上看,工业发达国家的军、民机械工业，在70年月末、80年月初已开头大规模应用数控机床。其本质是，采纳信息技术对传统产业(包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采纳数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等.以及在其生产的产品中增加信息技术,包括人工智能等的含量。由于采纳信息技术对国外军、民机械工业进行深化改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1。9％，而日本在1994年已达20。8％,因此每年都有大量机电产品进口.这也就从宏观上说明白机床数控化改造的必要性。1.5机床与生产线数控化改造的市场1。5。1国内机床数控化改造的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%.近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0。8万台,年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60％以上;10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％,FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床.用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益,影响企业的生存和进展.所以必须大力提高机床的数控化率.1.5.2进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来,很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造.据不完全统计，从1979～1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种缘由，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪,使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入逆境。一些设备、生产线从国外引进以后,有的消化汲取不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整,设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用;有的生产线的产品销路很好,但是由于设备故障不能达产达标；有的由于能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新.种种缘由使有的设备不仅没有制造财宝，反而消耗着财宝。这些不能使用的设备、生产线是个包袱,也是一批很大的存量资产,修好了就是财宝。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题,就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。1。6数控化改造的内容及优缺点1.6。1国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个”永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有宽阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国,机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的闻名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业.从事改装业的闻名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。1。6.2．数控化改造的内容机床的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复;其二是NC化，在一般机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新,为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工,恢复原精度；对其不满意生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新,较大幅度地提高水平和档次的更新改造。1.6.3数控化改造的优缺点（1）削减投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60％~80％的费用，改造费用低。格外是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造,只花新机床购置费用的1/3,交货期短.(2）机械性能稳定牢靠,所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件,改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备连续使用多年.但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。(3)可以采纳最新的掌握技术可依据技术革新的进展速度，准时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。经过大量实践证明一般机床数控化改造具有肯定经济性、有用性和稳定性。其改造涉及到机械、电气、计算机等领域，是一项理论深、实践强的系统工程。在进行数控改造时，应该做好改造前的技术筹备。改造过程中，机械修理与电气改造相结合,先易后难、先局部后全局。其次章数控机床电气掌握系统综述2.1典型数控机床电气掌握系统一台典型的数控机床其全部的电气掌握系统如图1所示。图1电气掌握系统（1）数据输入装置将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。（2）数控系统数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的掌握指令,直至运动和功能结束。（3）可编程规律掌握器是机床各项功能的规律掌握中心。它将来自CNC的各种运动及功能指令进行规律排序,使它们能够精准地、协调有序地平安运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC,使CNC能准时精准地发出进一步的掌握指令,如此实现对整个机床的掌握。（4）主轴驱动系统接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩（功率)调节输出驱动信号驱动主电动机转动,同时接受速度反馈实施速度闭环掌握.它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能掌握.（5）进给伺服系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别供应的速度指令,经速度与电流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环掌握。它也通过PLC与CNC通信,通报现时工作状态并接受CNC的掌握.（6）电器硬件电路随着PLC功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与掌握电路、隔离继电器部分及各类执行电器.(7)机床（电器部分）包括全部的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。（8）速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成.（9）位置测量采纳光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到CNC并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令位置，从而实现对位置的精确掌握.(10)外部设备一般指PC计算机、打印机等输出设备。2。2数控机床运动坐标的电气掌握

数控机床一个运动坐标的电气掌握由电流(转矩)掌握环、速度掌握环和位置掌握环串联组成

.其掌握框图如图2所示。图2数控机床运动坐标掌握框图（1）电流环是为伺服电机供应转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。（2）速度环是掌握电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分（PI）调节器，其P、I调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统(导轨、传动机构)的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环PI调节器.（3）位置环是掌握各坐标轴按指令位置精确定位的掌握环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。这其中有两方面的工作:一是位置测量元件的精度与CNC系统脉冲当量的匹配问题.二是位置环增益系数Kv值的正确设定与调节。（4)前馈掌握与反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路，其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置掌握精度.第三章CK516车床数控系统选用及连接CNC系统的组成1、数控机床用可编程掌握器（PLC）采纳PLC提高了CNC系统的灵敏性、牢靠性和利用率，并使结构更加紧凑.2、驱动装置驱动装置由执行元件(如步进电动机、交/直流伺服电动机)和相应的掌握电路组成，包括机床的主驱动和进给驱动。驱动装置接受来自CNC装置的位置指令脉冲或速度掌握指令，由掌握单元掌握电动机,按指令要求驱动机床相关的运动部件，已指定速度进行位置移动或转动。3、CNC装置CNC装置由硬件和软件组成。硬件由微处理器、存储器、位置掌握、输入输出接口组成。软件在硬件的支持下运行，离开软件硬件将无法工作。在系统软件的掌握下，CNC装置对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的掌握指令及驱动掌握信号.3。1数控系统选用3.1。1系统的运动方式与伺服系统由于该机床能进行多种方式加工,故应采纳连续掌握系统。定位方式采纳增量坐标掌握。考虑机床加工精度不高，为了简化结构,降低成本，采纳步进电机开环伺服系统驱动X—Z工作台。3。1.2微机系统该机床采纳日本FANUC—0i系统FANUC系统特点：（1）系统在设计中大量采纳模块化结构。(2)具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力，工作环境温度为0～45℃，相对湿度为75%。（3）有较完善的保护措施。FANUC对自身的系统采纳比较好的保护电路。（4)FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。（5）供应大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。（6）具有很强的DNC功能，系统供应串行RS232C传输接口,使通用计算机PC和机床之间的数据传输能便利、牢靠地进行，从而实现高速的DNC操作.（7）供应丰富的维修报警和诊断功能，FANUC维修手册为用户供应了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。3.2FANUC0i系统的连接FANUC0i系统由主板和I／O两个模块构成。主板模块包括主CPU、内存、PMC掌握、I／OLink掌握、伺服掌握、主轴掌握、内存卡I／F、LED显示等；图3掌握单元主板与串行主轴及伺服轴的连接（2）I／O模块包括电源、I／O接口、通信接口、MDI掌握、显示掌握、手摇脉冲发生器掌握和高速串行总线等。图4掌握单元I／O板与显示单元的连接图第四章CK516数控车床的电气部分设计4.1CK516数控车床的电气掌握要求（1)进给轴采纳沟通伺服电机掌握：(2）主轴沟通电机由变频器掌握，能实现正转、反转和停止，以及主轴凹凸速换档功能;（3）实现自动冷却、润滑和冲屑功能；（4）自动换刀，电动刀架采纳四工位类型；（5）电源的掌握；(6）急停、报警信号的输入等；4。2CK516数控车床的电气掌握方案设计4。2。1沟通伺服电机的确定沟通伺服电机采纳日本SANYODENKIP6系列电机，X轴采纳1．OKW的伺服电机P60Bt3100HXS00，Z轴采纳1．5KW的伺服电机P60813150HXS00.由于伺服电机驱动器需要供应三相200V的电压,所以必须采纳专门定做的伺服变压器：容量为3KVA（大于X轴和2轴伺服电机的功率之和2．5KW),输入端为三相380V沟通电，输出端为三相200V。4。2.2变频器的确定依据技术要求，主电机可采纳变频器进行调速及正反转掌握.（1）变频电机选择DP160M－4DP160M－4电机主要数据:额定电压三相380V;额定频率50Hz；功率15KW；额定转矩71.90NM；额定电流22.60A；恒转矩调频范围5-50Hz;恒功率调速范围50200Hz。(2）变频器选择FRN11G11S-4FRN11G11S-4变频器主要数据：额定容量11KVA;额定输出电流24A;额定输出频率50Hz；额定电压三相380V；电源容量15KVA.（3）变频器掌握的电气原理图如图5所示图5变频器掌握的电气原理图4。2.3掌握变压器的确定强电掌握回路主要掌握沟通接触器的通断，我们采纳沟通220V的掌握电源，因此需要选择一个掌握变压器：容量为400VA,输入端为沟通380V,输出端为沟通220V、110V和24V。4.2。4电气系统框图设计图6电气系统框图4.2.5强电主回路的设计(1）从电网上接入三相沟通380V电源，实现到主轴电机、冷却电机、润滑电机等的主回路。其中主变频电机功率15Kw，变频电机风扇功率0.25Kw,冷却电机功率0。09Kw，刀架电机功率0.25Kw,主轴润滑电机功率0.37Kw。(2）QF0为总电源开关，三相沟通输入端采纳电容滤除电网高次谐波的干扰.主轴电动机和刀架电动机均为正反转掌握，冷却电动机和主轴润滑电动机为单方向掌握，全部电动机均采纳带有过载保护的自动开关。（3）主轴电动机的掌握主轴电动机的正反转由变频器中的两个触点掌握，其掌握信号来自于PLC的两个与之相对应的两个输出端子。按下主轴正转（反转）按钮，经PLC规律处理，在其对应的输出端子上输出信号，经中间继电器，使触点通电，主轴实现正转(反转）。主轴停止时，按下停止按钮,正转（反转)对应的输出端子上的信号消灭，正转（反转)中间继电器失电，导致其触点失电,主轴停止转动。图7强电主回路（4）强电主回路分析主回路中沟通接触器KM1掌握主变频电机M1的启动和停止,KM2掌握冷却电机M2,KM3和KM4用来掌握刀架电动机M3的正反转，KM5用来掌握主轴润滑电机.冷却泵电动机与主轴电动机有着挨次联锁关系，即冷却泵电动机应在主轴电动机起动后才可选择起动与否；而当主轴电动机停止时，冷却泵电动机便立即停止。断路器QF1、QF2、QF3、QF4作为电动机的过载及短路保护；沟通接触器KM3和KM4用来掌握刀架电动机M3的正反转,断路器QF3作为刀架电动机的过载及短路保护；沟通接触器KM3用来掌握冷却电动机M2的起动和停止，断路器QF3作为冷却电动机的过载及短路保护。灭弧器RC1～RC3用来保护沟通接触器的主触点，防止当主触点断开时，在动、静触点间产生强烈电弧，烧坏主触点.断路器QF0用来对整个动力线路进行过载及短路保护。4.2。6机床掌握电源的设计图8机床掌握电源图图8为机床的掌握电源线路，图中变压器TC2原边接三相AC380V,副边三组绕组分别供应AC220V、AC24V、AC110V电压，AC220V给开关电源供电，AC24V给工作灯供电，AC110V给电柜风扇供电，断路器QF6～QF10用来对线路进行过载及短路保护.4.2.7伺服驱动系统掌握设计图9伺服驱动器的连接图图10伺服驱动系统的掌握图图10为伺服驱动系统掌握图，其中P5、P6是数控系统发出的伺服电机正反转掌握指令,驱动器主电路输出三相沟通电(端子A、B、Z）给伺服电动机供电。A、B、Z供应来自安排器的编码器信号的差分输出。FG为内部连接到地端子。驱动器输出DC5V为编码器电源.4.2.8沟通掌握回路的设计图11沟通掌握回路图11为沟通接触器的掌握回路，在沟通接触器的掌握回路中，沟通接触器KM3线圈和KM4一对常闭帮助触点串接，从而实现刀架电动机正反向接触器间的互锁掌握；沟通接触器KM3线圈用来掌握KM3的主触点吸合。继电器KA4～KA7触点由可编程掌握器或数控装置I/O接口掌握,用来掌握沟通接触器KM1～KM5的线圈得电或断电.4。2.9主轴润滑系统的掌握设计图12主轴润滑系统电气原理图图12为主轴的润滑系统电气原理图,按下SB12，润滑电动机运动启动,当常开触点SL12闭合时，润滑油不足报警;SP12闭合时,润滑油路压力不正常报警;常闭触点QF12断开时，润滑电动机过载报警。二极管HL8为润滑故障报警。4.2。10刀台的自动掌握设计图13刀台掌握电气原理图(1)图13为刀台的自动掌握及自动换刀电气原理图，其中T1、T2、T3、T4、T5、T6为刀架位置码，图下方的T1、T2为零件程序的正转和反转,SB1为手动换刀键，HL30为换刀故障报警的发光二极管，KM3、KM4分别为刀架正转和反转的掌握接触器。（2）刀台掌握原理分析启动刀架前，首先选择刀号,然后按刀架启动按钮。刀号选择端子和刀架启动按钮分别同PLC中的对应端子相连，其输入状态经PLC按肯定规律运算后，在PLC输出端子输出正转或反转信号，经中间继电器KA3或KA4使KM3或KM4通电,刀架实现正转或反转。刀架转动过程中，压限位开关经由PLC输入端子输入到PLC内部,经规律运算后如未确定所选刀号，则对应的正反转端子上的信号消灭,KA3或KA4失电，KM3或KM4也失电，刀架电动机停止运转。4.2.11沟通掌握回路的帮助回路设计图14沟通掌握回路的帮助回路a图15沟通掌握回路的帮助回路b图14,图15为沟通掌握回路的帮助回路设计，包括排屑、照明、