第八章 数控机床电气控制电路设计实例

第八章数控机床电气控制电路设计实例8.1数控机床电气控制电路设计原则

8.2TK40A数控车床电气控制电路

8.3XK714A数控床身铣床电气控制电路

在前面的章节中，分别介绍了计算机数控系统的各个组成部分、控制系统所用到的元器件和执行部件，可以说是“化整为零”的叙述。本章则通过介绍几种典型数控机床控制电路实例及分析，则可以说是“集零为整”，使读者了解数控系统的全貌。本章首先介绍数控机床电气控制电路设计原则，遵循这些原则是保证产品质量的前提，然后介绍TK40A数控车床和XKA714数控床身铣床的电气控制电路，并作了简要的分析。在分析控制电路时，注意掌握分析思路和方法。8.1.1电气控制电路设计原则1．最大限度的实现机械设计和工艺的要求正如本书第一章绪论中所指出，数控机床是机电一体化产品，数控机床的主轴、进给轴伺服控制系统绝大多数是机电式的，其输出都包括含有某种类型的机械环节和元件，它们是控制系统的重要组成部分，其性能直接影响数控机床的品质。这些机械环节和元件一旦制造好，其性能就难以更改，远不如电气部分灵活易变。因此，数控机床的机械与数控系统的设计人员都必须明确的了解机械环节和元件的参数对整机系统的影响，以便密切配合，在设计阶段，就仔细考虑相互之间的各种要求，做出合理的设计。8.1数控机床电气控制电路设计原则2．保证数控机床能稳定、可靠运行数控机床运行的稳定性、可靠性在某种程度上决定于电气控制部分的稳定性、可靠性。数控机床在加工车间，使用的条件、环境比较恶劣，极易造成数控系统的故障。尤其工业现场，电磁环境恶劣，各种电气设备产生的电磁干扰，要求数控系统对电磁干扰应有足够的抗扰度水平，否则设备无法正常运行，详细请参阅本书第七章“数控系统的电磁兼容设计”。 3．便于组织生产、降低生产成本、保证产品质量商品生产的基本要求是以最低的成本，最高的质量，生产出满足用户要求的产品，数控机床的生产也不例外。电气控制电路设计时就应该充分考虑元器件品质，供应，并便于安装、调试和维修，以便于保证产品质量和组织生产。

4、安全电气控制电路的设计应高度重视保证人身安全、设备安全，符合国家有关的安全规范和标准。各种指示及信号易识别，操纵机构易操作，易切换。

8.1.2数控系统功能的选择除基本功能外，数控系统生产厂还为机床制造厂提供了多种多样的可选功能，由于各知名品牌数控系统的基本功能差别不大，所以合理的选择适合本机床的可选功能，放弃那些可有可无的或不实用的可选功能，对提高产品的功能/价格比是大有好处的，下面列举几个例子供读者参考：（1）动画/轨迹显示功能的选择

该功能用于模拟零件加工过程，显示真实刀具在毛坯上的切削路径，可以选择直角坐标系中的二个不同平面，也可选择不同视角的三维立体，可以在加工的同时做实时的显示，也可在机械锁定的方式下作加工过程的快速描绘，是一种检验零件加工程序、提高编程效率和实时监视的有效工具。

（2）

软盘驱动器的选择

这是一种数据传送的极好工具，可以通过它将系统中已经调试完毕的加工程序存入软盘后存档，也可以通过它将在其它计算机中生成的加工程序软盘中的加工程序存入CNC系统，也可以通过它来做各种机床数据的备份和存储。给编程和操作人员带来了很大方便。但是，软盘驱动器毕竟是易耗品,是否采用需衡量比较。另外，若数控系统是基于DOS、WINDOWS等通用操作系统，还应注意病毒的问题。

（3）

DNC-B通信功能的选择

众所周知，由非圆曲线或面组成的零件加工程序的编制是十分困难的，通常的办法是借助于通用计算机的计算，将它们细分为微小的三维直线段组成的加工程序，在模具加工中这种长达几百KB（4KB约等于10m纸带长度）甚至数MB的加工程序是经常会遇到的，而一般数控系统提供的程序存储容量为64--128KB，这给模具加工带来了很大困难。

DNC-B通信功能具有二种工作方式，其一是一次性的将通用计算机中的程序传送到数控系统的加工程序的存储区内（如果它的容量足够大的话），其二是将通用计算机中的程序一段一段的传送到数控系统的缓冲存储器中，边加工边传送，直到加工结束。彻底解决了大容量程序零件的加工问题。虽然选用这项功能需要增加一定的费用，但它确实是一项功能/价格比很高的选项。若系统的加工程序存储区足够大，推荐使用DNC-B的第一种工作方式，即一次性的把加工程序传送到CNC内部，然后在CNC本机上运行该加工程序。而第二种方式则需要在加工的全过程中占用一台计算机，而且，一旦双方的通讯出现问题，加工就不得不中断。在使用第一种方式是，需要注意的是，应该定期检查CNC的加工程序存储区剩余空间，删除不用的加工程序。

（4）

刚性攻螺纹功能

攻螺纹是数控机床的一项常用功能，到底采用什么方式是一个值得考虑的问题，刚性攻螺纹功能必须采用伺服电机驱动主轴，不仅要求在主轴上增加一个位置传感器，而且对主轴传动机构的间隙和惯量都有严格的要求，电气设计和调整也有一定的工作量，所以这个功能的成本不能忽略。对用户来说如果可以通过采用弹性伸缩卡头进行柔性攻螺纹，或者机床本身的转速并不高时，就不必选用刚性攻螺纹功能。

（5）

网络数控功能

近年来发展的数字化网络制造是指利用网络技术和数字控制技术进行产品的加工制造，其基础是网络数控技术。它是各种先进制造技术的基本单元，为各种先进制造环境提供基本的技术基础，如远程制造、远程诊断与远程维护。目前，有些数控系统有提供选择的网络功能。是否选择此功能，要考虑本单位的实际需要，和数控应用水平。

8.2.1TK1640数控车床的功能TK1640数控车床如图8.1所示，是我国宝鸡机床厂研制、开发的产品，主轴变频调速，三档无级变速，采用HNC-21T车床数控系统实现机床的两轴联动。机床配有四工位刀架，可满足不同需要的加工；可开闭的半防护门，确保操作人员的安全。机床适用于多品种、中小批量产品的加工，对复杂、高精度零件由于机床的自动化而更显示其优越性。8.2TK40A数控车床电气控制电路1、TK1640数控车床的组成TK1640数控车床传动简图如图8.2所示。机床由底座、床身、主轴箱、大拖板(纵向拖板)、中拖板(横向拖板)、电动刀架、尾座、防护罩、电气部分、CNC系统、冷却、润滑等部分组成。机床主轴的旋转运动由5.5KW变频主轴电机经皮带传动至Ⅰ轴，经三联齿轮变速将运动传至主轴，并得到低速、中速和高速三种无级变速。大拖板左右运动方向为Z坐标，其运动由GK6063-6AC31交流永磁伺服电机与滚珠丝杠直联实现；中拖板前后运动方向为X坐标，其运动由GK6062-6AC31直流永磁伺服电机通过同步齿形带及带轮带动滚珠丝杠和螺母实现。

1.螺纹车削：为保证主轴一转，刀架移动一个导程，在主轴箱的左侧安装了一个光电编码器。主轴至光电编码器的齿轮传动比为1:1。光电编码器配合纵向进给交流伺服电机，保证主轴一转，刀架移动一个导程(即被加工螺纹导程)。2．TK1640数控车床的技术参数项

目单位技术规格加工范围床身上最大回转直径mmΦ410床鞍上最大回转直径mmΦ180最大车削直径mmΦ240最大工件长度mm1000最大车削长度mm800

主

轴主轴通孔直径mmΦ52主轴头型式

ISO702/ⅡNo.6主轴转速rpm36—2000高速rpm170—2000中速rpm95—1200低速rpm36—420主轴电机功率kw5.5(变频)

尾

座套筒直径mmΦ55套筒行程(手动)mm120尾座套筒锥孔

MTNo.4

刀

架快速移动速度X/Zm/min3/6刀位数

4刀方尺寸mm20x20X向行程mm200Z向行程mm800

主要精度机床定位精度Xmm0.030Zmm0.040机床重复定位精度Xmm0.012Zmm0.016

其

它机床尺寸LxWxHmm2140x1200x1600机床毛重kg2000机床净重kg18008.2.2

TK1640数控车床的电气控制电路通过对TK1640数控车床的电气控制线路的分析，进一步阐述电气控制系统的分析方法，使读者掌握TK40A的电气控制线路的原理，了解机床的机械及各部分与电气控制系统之间的配合关系，了解电气部分在整个设备中所处的地位和作用，为进一步学习电气控制系统的相关知识打下一定的基础。

1．电气原理图分析的方法与步骤电气控制电路一般由主回路、控制电路和辅助电路等部分组成。了解了电气控制系统的总体结构、电动机和电器元件的分布状况及控制要求等内容之后，便可以阅读分析电气原理图。⑴分析主回路从主回路入手，根据伺服电机、辅助机构电机和电磁阀等执行电器的控制要求，分析它们的控制内容，控制内容包括启动、方向控制、调速和制动。

⑵分析控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控制要求，逐一找出控制电路中的控制环节，按功能不同划分成若干个局部控制线路来进行分析。而分析控制电路的最基本方法是查线读图法。

⑶分析辅助电路辅助电路包括电源显示、工作状态显示、照明和故障报警等部分，它们大多由控制电路中的元件来控制的，所以在分析时，还要回头来对照控制电路进行分析。⑷分析连锁与保护环节机床对于安全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控制方案以外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气连锁。⑸总体检查经过“化整为零”

，逐步分析了每一个局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系之后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，看是否有遗漏。特别要从整体角度去进一步检查和理解各控制环节之间的联系，理解电路中每个元器件所起的作用。

1．TK1640数控车床电气控制电路分析设备主要器件如下

序号名称规格主要用途备注

数控装置HNC-21TD控制系统HCNC软驱单元HFD-2001数据交换HCNC3.

控制变压器AC380/220V300W/110V250W/24V100W伺服控制电源、开关电源供电HCNC交流接触器电源照明灯电源4.

伺服变压器3PAC380/220V2.5KW为伺服供电HCNC5.

开关电源AC220/DC24V145WHNC-21TD、PLC及中间继电器明玮6.

伺服驱动器HSV-16D030X、Z轴电机伺服驱动器HCNC7.

伺服电机GK6062-6AC31-FE（7.5NM）X轴进给电机HCNC8.

伺服电机GK6063-6AC31-FE（11NM）Z轴进给电机HCNC⑴机床的运动及控制要求

正如前述，TK1640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控制并协调。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。⑵主回路分析图8-3是380V强电回路

图中QF1为电源总开关。QF3、QF2、QF4、QF5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QF4、QF5带辅助触头，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流来调节空开的设定值，起到过流保护作用。KM3、KM1、KM6分别为主轴电机、伺服电机、冷却电机交流接触器，由它们的主触点控制相应电机；KM4、KM5为刀架正反转交流接触器，用于控制刀架的正反转。TC1为三相伺服变压器，将交流380V变为交流200V供给伺服电源模块；RC1、RC3、RC4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，避免产生过电压而损坏器件。

⑶电源电路分析图8.4为电源回路图

图中TC2为控制变压器，原方为AC380V，副方为AC110V、AC220V、AC24V，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；AC220V通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转换为AD24V电源，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；QF6、QF7、QF8、QF9、QF10空开为电路的短路保护。⑷控制电路分析a．主轴电机的控制先将QF2、QF3空开合上，见图8.3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，KA2、KA3继电器线圈通电，继电器触点吸合，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，KM3主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AC380V电压，若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。b．刀架电机的控制

当有手动换刀或自动换刀指令时，经过系统处理转变为刀位信号，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，KM5交流接触器线圈通电，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，KM5交流接触器主触点断开，刀架电机反转停止。选刀完成。为了防止电源短路，在刀架电机正转继电器线圈、接触器线圈回路中串入了反转继电器、接触器常闭触点，见图8.5。请注意，刀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．冷却电机控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，KM6交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，冷却电机旋转，带动冷却泵工作。伺服电机的控制见第四章“数控机床进给驱动系统”。8.3