基于广数980TD系统的数控车床电路设计

..低压断路器低压断路器又称自动空气开关,它不但能用于正常工作时不频繁接通和断开的电路,而且当电路发生过载、短路或失压等故障时,能自动切断电路,有效地保护串接在它后面的电气设备。因此,低压断路器在机床上使用得越来越广泛。机床上常用的低压断路器有DZ10、DZ5-20和DZ5-50系列。低压断路器的图形符号和文字符号。〔如下图6.断路器〔QM1、QM2、……既有开关作用,又有过压、欠压、短路保护功能。在一个断路器中,一般有三组主触头,用来对电机或者其它设备的主电路进行保护。还有常开和常闭辅助触头各一组,用来对控制电路进行保护。当主电路出现过压、欠压、短路等故障时,空气断路器首先跳闸实现对主电路的保护,同时辅助触头断开对控制电路进行保护。7.变压器在数控机床里一般用到隔离变压器和控制变压器两种,隔离变压器用来对三相380V电压进行转换为驱动器和系统进行供电,当驱动器是三相供电时,要用到有三相输出的隔离变压器,二相供电时就要用到有二相输出的隔离变压器。注意各轴的驱动器和系统的供电容量不能超出变压器的容量。控制变压器用来对三相380V电压进行转换为控制电路,主轴制动和进给轴松闸供电。8.桥堆桥堆由四个二极管组成,如图,一般用来对变压器输出的交流电压进行整流,得到的直流电压主轴制动和进给轴松闸供电。3.2电气元器件的选择1.控制主轴电机电路通断的空气开关的计算<1>主轴电机我们选的是AC380V5.5KW的电机,由公式可以计算出电流的值：I=P/U=5.5KW/380=14.5A。由于变频器本身的耗电功率很小,一般变频器器自身耗电功率是名牌上的功率〔7.5KW3%~5%,我们取最大值,所以变频器的功率为：7.5KW×5%=0.375KW。电流为0.375KW/380<1A,所以在15.5A左右的空气开关规格有10A和16A的,10<15.5<16,所以我们可以选择AC400V16A的空气开关。<2>X、Z轴电机同时工作时两个电流和为2.3×2A=4.6A,所以可以选择6A/3P的空气开关,水泵电机120W是小功率电机,在允许的范围内为了同意我们选择的也是6A/3P的空气开关,根据下面第5点的计算,可以知道控制220V电源的空气开关选择为16A/3P的规格。同理,交流接触器的规格也是根据以上的计算选取出来的。2.总开关电路通断的空气开关的计算总开关我们选的是AC400V25A的空气开关,我们先计算一下大功率的用电器,其各个电流分别为,主轴电机14.5A、刀架电机2A、X、Z轴电机2.3×2=4.6A、水泵电机0.4A,以上的总电流和为I总=14.5+2+4.6+0.4=21.5A,再加上操作面板、驱动器、变频器及其他小功率的用电器,选AC400V25A的空气开关足够了。3.电线选取的计算首先要计算出通过电线的最大电流,然后再根据结果选取电线的粗细,其公式如下：I=P÷<1.732×U×COSΦ>,〔COSΦ为功率因素,其值一般取0.75。主轴电机功率为5.5KW,变频器自身功率0.375KW,由名牌上的参数可知,X、Z进给电机的功率为P=I×U=2.3A×220V×2=1.012KW,另外,水泵电机、操作面板显示屏、刀架电机的功率分别为0.12KW、0.18KW、0.12KW,以上加起来的总功率为：P总=5.5+0.357+1.012+0.12+0.18+0.12=7.289KW为了方便计算,我们取其他小功率用电器的总功率取到711W〔其实没有这么大,总功率为P总=7.289+0.711=8KW,由公式：I=P÷<1.732×U×COSΦ>=8000÷<1.732×380×0.75>A=16.2A我们可以查表知道,2.5MM2可以承受20A的电流,4MM2的可以承受33A的电流,考虑到以后有可能会加上一些其他较大功率的设备,主线我们选的是4MM2的电线,而一般线使用2.5MM2的线。4.对于电机方面的选取对于普通的中小行电机,选取主轴电机为5.5KW的电机足够了,其实我们也可以用公式来计算出我们所需要的功率,其大概过程如下：移动部位重量=G,摩擦系数=K<线轨一般取0.001,硬轨一般取0.01左右>,丝杆节距=P,最大移动速度=S,电机转速=V,电机扭力=F,首先,计算电机转速,V=S/P,这很简单。其次,计算扭力,F1=<G×K×P>/<2×π×N>+F2N丝杆传动效率,一般大于0.9,根据丝杆决定,F2：丝杆传动摩擦力,计算出来的F1为空载的时候需要的扭力,再选择适当的加速度,车削的切削力,即可得到F=F1+GA+F3F1,A为机床可获得的最大加速度,F3为切削力〔约电机功率P=F×V/9.55,把实际值代入即可得出结果。5.变压器计算变压器主要是作用于220V的控制电源,其功率较小,根据我们上面〔第3点的计算,可取220V的用电器总功率约为120+120+711W=951W,我们取整约1000W,功率因数按照0.8计算,由公式。S=P/COSΦ,<其中：S视在功率,P有功功率,U电压,I电流,COSΦ功率因数>,所以P=SCOSΦ=1000/0.8=1.25KVA,即至少需要2kVA的变压器。那么最接近要求的型号是3kVA的变压器。第四章数控机床的电路分析4.1机床电气原理图识图机床的种类繁多,加工工艺各异,因此所要求的控制线路也多种多样、千差万别。但它们一般都是由一些基本控制环节组成的,只要分析研究这些基本控制线路的特点,掌据其规律,就能够阅读和设计电气控制线路。1、电气控制线路的绘制电气控制系统图有三类：电气原理图、电器元件布置图和电气安装接线图。在电气控制系统中必须使用国家统一规定的电气元件图形符号。国家规定从1990年1月1日起,电气系统图中的图形符号和文字符号必须符合最新的国家标准。2、电气原理图〔某机床电气原理图4.2数控系统连接图的了解1、系统连线图由于系统较多,其每个系统的接口都不一样,但功能大致都相差不多,这里以980TD系统为例简单介绍〔见图4-1。图4-1980TD系统连线图2、接口说明〔1电源盒：采用GSK-PB电源盒,提供+5V、+24V、+12V、-12V、GND电源。1：nCP+2：nDIR+1：nCP+2：nDIR+3：nPC4：+24V5：nALM6：nSET7：nEN8：9：nCP-10：nDIR-11：0V12：+5V13：+5V14：0V15：0V-XS30、XS31接口〔15芯D型孔插座〔3XS30：X轴,15芯D型孔插座,连接X轴驱动器。〔4XS31：Z轴,15芯D型孔插座,连接Z轴驱动器。〔5XS32：编码器,15芯D型孔插座,连接主轴编码器。〔6XS36：通讯,9芯D型孔插座,连接PC机RS232接。口〔7XS37：变频器,9芯D型针插座,连接变频器。〔8XS38：手轮,9芯D型针插座,连接手轮。〔9XS39：输出1,25芯D型孔插座,CNC信号输出到机床的接口。〔10XS40：输入1,25芯D型针插座,CNC接收机床信号的接口。〔11XS41：输入2,25芯D型针插座,扩展输入信号的接口。〔12XS42：输出2,25芯D型孔插座,扩展输出信号的接口。3、XS30、XS31接口信号定义及连接<图4-2及表1>接口定义表1信号说明nCP+、nCP-指令脉冲信号nDIR+、nDIR-指令方向信号nPC零点信号nALM驱动器报警信号nEN轴使能信号nSET脉冲禁止信号注：n代表X或Z,以下同。〔2指令脉冲信号和指令方向信号nCP+,nCP-为指令脉冲信号,nDIR+,nDIR-为指令方向信号,这两组信号均为差分〔AM26LS31输出,外部建议使用AM26LS32接收,内部电路见下图4-3：INAOutAINAOutAOutAINBOutBOutBnDIR+nDIR–nCP+nDIRnCP图4-3指令脉冲信号和指令方向信号内部电路〔3驱动器报警信号nALM980TD系统由CNC参数№.009的Bit0、Bit1位设定驱动器报警电平是低电平还是高电平。内部电路见图4-4：+5V+5VnALM+24V图4-4驱动器报警信号内部电路该类型的输入电路要求驱动器采用下图4-5的方式提供信号：方法一:方法二:图4-5驱动器提供信号的方式〔4轴使能信号nENCNC正常工作时,nEN信号输出有效〔nEN信号与0V接通,当驱动器报警、急停报警时,CNC关闭nEN信号输出〔nEN信号与0V断开。内部接口电路见下图4-6：ENENULN2803nEN图4-6轴使能980TD系统信号内部接口电路〔5脉冲禁止信号nSETnSET信号用于控制伺服输入禁止,提高CNC和驱动器之间的抗干扰能力,该信号在CNC有脉冲信号输出时为低电平,无脉冲信号输出时为高阻态。内部接口电路见下图4-7：SETSETULN2803nSET图4-7脉冲禁止信号电路〔6零点信号nPC机械回零时用电机编码器的一转信号或接近开关信号等来作为零点信号。内部连接电路见下图4-8：+5V+5VPCnPC图4-8零点信号电路注：nPC信号采用+24V电平.a.用户应提供的PC信号的波形如下图4-9所示：图4-9PC信号波形图注：机械回零时,CNC在减速开关脱开后通过检测PC信号的跳变来判断参考点的位置,上升沿或下降沿均有效。NPN型霍尔元件件NPN型霍尔元件件nDEC图4-10用NPN型霍尔元件的连接PNP型霍尔PNP型霍尔元件nDEC图4-11用PNP型霍尔元件的连接4、与驱动器的连接GSK980TD与XX数控驱动器的连接如下图所示：图4-12GSK980TD与驱动器的连接5、与主轴编码器的连接如下图4-13所示：〔1主轴编码器接口定义名称说明名称说明*PAS/PAS编码器A相脉冲*PBS/PBS编码器B相脉冲*PBS/PBS编码器C相脉冲8：PAS7：*PAS6：PBS5：*PBS4：PCS3：*PCS15：0V14：0V13：+5V12：5V11：0V图4-13〔2信号说明*PCS/PCS、*PBS/PBS、*PAS/PAS分别为编码器的C相、B相、A相的差分输入信号,采用26LS32接收；*PAS/PAS、*PBS/PBS为相差90°的正交方波,最高信号频率<1MHz；GSK980TD使用的编码器的线数由参数在100～5000范围内任意设置。内部连接电路如下图4-14：〔图中n=A、B、CPnSPnS*PnSAM26LS32图4-14编码器信号电路〔3主轴编码器接口连接GSK980TD与主轴编码器的连接如下图4-15所示,连接时采用双绞线。〔以XX一光ZLF-12-102.4BM-C05D编码器为例：图4-145GSK980TD与编码器的连接6、与手轮的连接如下图4-16所示：信号说明HA手轮A相信号HB手轮B相信号+5V、0V直流电源〔1手轮接口定义XS38手轮接口XS38手轮接口〔9芯D型针插座9：0V8：7：6：0V5：HB4：+5V3：2：+5V1：HA图4-16〔2信号说明HA、HB分别为手轮的A相、B相输入信号。内部连接电路如下图4-17所示：TLP521VCC5VGNDHAVCCGNDHB0V图4-17手轮信号电路GSK980TD与手轮的连接如下图4-18所示：图4-18GSK980TD与手轮的连接7、与变频器的连接如下图4-19所示：〔1模拟主轴接口定义信号说明SVC0~10V模拟电压0V信号地XS37模拟主轴接口XS37模拟主轴接口〔9芯D型针插座5：SVC4：0V3：2：1：图4-19〔2信号说明模拟主轴接口SVC端可输出0~10V电压,信号内部电路见下4-20：SVC图4-20SVC信号电路〔3变频器接口连接GSK980TD与变频器的连接如下图4-21所示：图4-21GSK980TD与变频器的连接8、GSK980TD与PC机的连接如下图4-22所示：〔1通讯接口定义6：7：8：9：1：6：7：8：9：1：2：RXD3：TXD4：5：GND信号说明RXD接收数据TXD发送数据GND信号地XS36通讯接口XS36通讯接口<9芯D型孔插座>图4-22〔2通信接口连接980TD系统GSK980TD可通过RS232接口与PC机进行通讯〔须选配GSK980TD通讯软件。GSK980TD与PC机的连接如下图4-23所示：图4-23GSK980TD与PC机的连接9、电源接口连接GSK980TD采用GSK-PB电源盒,共有四组电压：+5V〔3A、+12V〔1A、-12V〔0.5A、+24V〔0.5A,共用公共端COM〔0V。GSK980TD出厂时,GSK-PB电源盒到GSK980TDXS2接口的连接已完成,用户只需要连接220V交流电源。GSK-PB电源盒到GSK980TDXS2接口的连接如下图4-24所示。图4-24信号说明XDEC、ZDECX、Z轴回参考点减速信号BDT/DITW程序段选跳/尾座控制信号T01～T08刀位信号SP/SAGT进给保持/防护门检测信号ST循环启动信号ESP紧急停止信号TL+、TL-刀架正、反转信号M42I、M41I自动档换档到位信号NQPJ、WQPJ卡盘夹紧、松开到位信号SPEN主轴旋转允许信号OV1~OV8倍率信号10、标准I/O接口及扩展I/O接口定义如下图4-25所示：1：XDEC1：XDEC2：BDT/DITW3：T044：T035：T026：T017：SP/SAGT8：ST9：ZDEC10：ESP11：+24V12：TL+/UO613：TL-/UO714：0V15：0V16：0V17：0V18：0V19：T08/M42I/NQPJ/*OV820：T07/M41I/WQPJ/*OV421：T06/OV222：T05/OV1/SPEN23：+24V24：0V25：0VXS40机床输入<25芯D型针插座>信号说明S1~S4主轴档位信号M03、M04、M05主轴正转、反转、停止信号M08冷却液开信号DOTWJ、DOTWS尾座进、退信号DOQPJ、DOQPS卡盘夹紧、松开信号M32润滑开信号PRES压力检测信号SPZD主轴制动信号M41~M44主轴自动换档信号UO1～U04用户输出24VDC24V输出0V公共端DIQP卡盘输入信号11：S2/M42/UO12：DOTWJ3：M044：DOQPJ5：S1/M41/UO06：M327：M038：S4/M44/UO39：UO4/DOTWS10：DOQPS/UO511：DIQP12：PRES13：+24V14：S3/M43/UO215：M0816：M0517：SPZD18：0V19：0V20：0V21：0V22：0V23：0V24：0V25：+24VXS39机床输出〔25芯D型孔插座图4-25注1：部分输入、输出接口可定义多种功能,在上表中用"/"表示；注2：输出功能有效时,该输出信号与0V导通。输出功能无效时,该输出信号为高阻抗截止；注3：输入功能有效时,该输入信号与+24V导通。输入功能无效时,该信号与+24V截止。注4：+24V、0V与GSK980TD配套电源盒的同名端子等效；XS41扩展输入和XS42扩展输出为选配接口,各包含16个I/O接口。.第五章设计电路图5.1伺服驱动与轴电机,变频器与主轴电机的连接1轴电机根据上面搜集的资料,选用伺服电机更为合适。因为伺服电机的优点是：〔1精度:实现了位置,速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题。〔2转速:高速性能好,一般额定转速能达到2000~3000转。〔3适应性:抗过载能力强,能承受三倍于额定转矩的负载,对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用。〔4稳定:低速运行平稳,低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合。〔5及时性:电机加减速的动态相应时间短,一般在几十毫秒之内。〔6舒适性:发热和噪音明显降低。2、伺服驱动根据上面轴电机选择了伺服电机,所以驱动也应该选择伺服驱动器DA98,因为DY3A为步进驱动器,所以不能用,而DA98的优点为：避免失步现象伺服电机自带编码器,位置信号反馈至伺服驱动器,与开环位置控制器一起构成半闭环系统。〔2宽速比、恒转矩调速比为1:5000,从低速到高速都具有稳定的转矩特性。〔3高速度、高精度伺服电机最高转速可达3000rpm,回转定位精度1/10000r。〔4控制简单、灵活通过修改参数可对伺服系统的工作方式、运行特性作出适当的设置,以适应不同的要求。伺服驱动与轴电机连接图。〔如下图图5-1伺服驱动与轴电机连接变频器变频器的优点是为：〔1变频器很容易实现电机的正、反转〔2加、减速时间及频率可任意调节〔3变频器还具有直流制动功能,需要制动时,变频器给电动机加上一个直流电压,进行制动,则无需另加制动控制电路〔4运行平稳〔5可进行高速运转变频器与主轴电机的连接图。〔如下图图5-2变频器与主轴电机的连接5.2系统与驱动器,变频器,刀架控制盒间的信号控控制接线图系统与驱动器的连接图根据接线端口得出系统与驱动器的连接图。〔如下图图5-3系统与驱动器的连接2、系统与变频器的连接图根据接线端口得出系统与变频器的连接图。〔如下图图5-4系统与变频器的连接.3、系统与刀架盒的连接图根据接线端口得出系统与刀架盒的连接图。〔如下图图5-4系统与刀架盒的连接5.3强电控制及I/O1、强电控制图强电就是数控机床中的执行元件,根据XX数控980TD的强电控制原理,根据上面所搜的各种电气元件进行选择,而进行简单的设计。最基本的强电元件有：冷却泵,主轴电机,变频器,还有经过降压到220v的CNC系统和其所连接的轴伺服驱动和伺服电机。根据数控系统的原理设计简单的强电控制图。〔如下图图5-5强电控制图.2、控制原理图根据数控系统的强电电路设计简单的控制原理图。〔如下图图5-6控制原理3、对应的I/O控制根据数控系统的控制原理设计简单的I/O控制图。〔如下图图5-7I/O控制.总结：通过此次毕业设计,我们不仅把知识融会贯通,而且丰富了大脑,同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识,开拓了视野,认识了将来数控机床的发展方向,使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。毕业设计是我们作为一名学生即将完成学业的最后一次作业,他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用,又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端,毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结,能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综和性作业。毕业的时间一天一天的临近,毕业设计也接近了尾声。在不断的努力下我