面向XK715D立式数控镗铣床电气设计

第 1 页毕 业 设 计(论 文)面向 XK715D 立式数控镗铣床电气设计学科、专业 ： 机械设计制造及其自动化 学 号 ： 作 者 姓 名： 指 导 教 师： 第 2 页摘 要数控机床是机电一体化的典型产品，是实现先进制造技术的基础设备。它的发展水平决定一个国家制造业水平的高低，关系到国家发展的重要战略地位。CK715D 数控镗铣床是基于 FANUC 系统 0i-A 基础上设计制造的新一代数控机床，本文主要研究了对机床的电气设计。在搜素和查阅相关资料的基础上，对机床的电气设计进行了研究和分析。在以 FANUC 0i-A 数控系统为数控机床的控制系统基础上，介绍了机床数控系统和 CNC 的连接、伺服系统的设计要求和控制原理、主轴的设计要求和控制原理、强电回路电器元件、强电回路的设计以及对 PMC 控制以及其程序的介绍。比较详细的介绍 CNC 的连接、主轴的控制和连接、强电回路电器元件以及选用、强电回路控制等。关键词：数控机床、强电回路、FANUC、PMC第 3 页ABSTRACT Numerical control machine is typical products of electromechanical integration, is the foundation of advanced manufacturing technology equipment. It decided to the development level of a country level of manufacturing industry, it is related to the national development the important strategic position.CK715D nc boring and milling machine is based on FANUC system 0 I - based on A design and manufacture of A new generation of nc machine tools, this paper mainly studied the electrical design for machine tools.On the basis of the search and access to relevant data, electrical design for machine tools were studied and analyzed.In terms of FANUC 0 I - A numerical control system for nc machine tool control system based on,introduces the connection and CNC machine tool nc system, servo system design requirements and design requirement and control principle of introduction, the main shaft, high voltage circuit electrical components, the design of the high voltage circuit and the PMC and its program.More detail CNC connected, the control of main shaft and the connection, commonly used electrical components, and selection, high voltage loop control, etc.Key words: Nc machine tool ,High voltage circuit,FANUC,PMC第 4 页目 录摘 要 .1ABSTRACT.2目 录 .3绪 论 .51.1 数控机床概述 .51.1.1 概念 .51.1.2 数控机床的组成与分类 .51.2.1 数控机床的产生 .61.2.2 机床电气控制系统的发展过程 .61.2.3 数控机床的发展趋势 .71.3XK715D 数控镗铣床的简介 .92. XK715D 数控立式镗铣床电气控制系统设计 .122.1XK715D 数控镗铣床数控系统的选用 .122.2CNC 工作的基本原理 .142.2.1CNC 基本原理 .142.2.2XK715D 数控立式镗铣床 CNC 控制原理 .152.3 机床伺服系统的设计 .162.3.1 伺服系统的概述 .162.3.2 数控机床对伺服系统的要求和工作原理 .172.3.3 伺服系统接口的设计 .182.3.4XK715D 立式数控镗铣床 X、Y、Z 轴伺服控制原理 .193.主轴控制系统设计 .213.1 概述 .213.1.1 主轴驱动变速的三种形式 .213.1.2 调速的主要指标 .223.2 交流主轴驱动装置的特性 .223.4XK715D 机床驱动原理 .233.5XK715D 机床的主轴控制原理 .244.XK715D 数控立式镗铣床主要控制电路设计 .264.1 电气线路的电源和设计规律 .264.1.1 电气控制线路的的电源 .264.1.2 控制线路的设计规律 .264.2 机床的常用电器元件以及选用 .274.3 电气原理图的设计 .364.3.1XK715D 数控立式镗铣床强电原理图 .364.3.2XK715D 数控立式镗铣床电源原理图 .384.3.3XK715D 数控立式镗铣床驱动系统电源原理 .394.4XK715D 数控立式镗铣床 I/O 板的连接 .404.4.1I/O 板的输入连接 .402.3.2I/O 板的输出连接 .425.可编程控制器 PMC .43第 5 页5.1PMC 的简介和原理 .435.2PMC 程序 .455.2.1.PMC 程序的执行原理 .455.2.2 编制 PMC 程序时所需的地址 .455.2.3.PMC 梯形图常用符号和基本指令 .46结 论 .48致谢 .49参考文献 .50附录：电气图 .52第 6 页绪 论1.1 数控机床概述1.1.1 概念数字控制技术(Numerical Control，简称 NC)是对机械进行用数字化的信息控制的自动控制技术。数控机床是（Numerical Control Machine Tools）数字化控制机床的简称。 数控机床是以数字化信息实现机床控制的典型机电一体化产品，它综合了自动控制、自动检测、液压与气动以及精密机床、电子计算机等方面的技术。它是把刀具和工件之间的相对位置，机床电动机的起停，主轴变速，工件松夹，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作信息和先后动作信息用代码化的数字信号送入计算机或着数控装置，经过译码、运算，发出不同的指令控制机床的伺服系统和其它的执行元件，使机床能够自动加工出所需要的工件。数控加工就是根据零件图样及工艺要求等条件，编制零件数控加工程序，并且输入到数控机床的控制系统，从而控制数控机床中刀具相对于工件的运动，从而完成零件加工。1.1.2 数控机床的组成与分类（1）数控机床的组成数控机床是机电一体化产品，是集机床、自动控制、电机及拖动、计算机、检测技术等为一体的自动化设备。现代数控系统大多都为计算机数控系统(Computer Numerical Control，简称 CNC)。数控机床基本是由机械、电气、液压、排屑、润滑、冷却等部分组成。机械部分有刀具、刀库、刀塔、主轴、中心架、床体护罩等组成。电气部分由控制系统控制柜、伺服驱动器、电机、变压器、继电器、接触器、行程开关、输入输出设备和显示屏等组成。液压部分由液压泵、液压站、各种液压阀和液压表等组成。润滑部分是由润滑泵和润滑管路组成。冷气部分是由冷却泵和冷却管路组成。（2）数控机床的分类数控机床可以按控制系统类型、控制原理、运动方式和用途分为四类。而控制系统类型又分为经济型数控系统（又称简易数控系统） 、普及型数控系统（通常称之为全功能数控系统） 、高档数控系统和基于 PC 的开放式数控系统等五类；按控制原理分可以分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统第 7 页三类；按运动方式分有点位控制系统、直线控制系统和连续控制系统三类；按用途又可以分为金属切削类、金属成形类和特种加工类等。1.2 数控机床的产生和发展1.2.1 数控机床的产生1952 美国麻省理工学院(MIT)年和帕森斯公司（Parsons）成功研制了一套利三坐标联动和利用脉冲原理的数控系统，并把其用运到一台立式铣床，产生了全世界的第一台数控机床。我国是从 1958 年开始研究数控机床的，直到 60 年代中期处于研制、开发阶段。当时，一些科研单位和高等院校也经研制出试验样机，电子管是当时开发的基础。1965 年国随着电子科技的发展，晶体管成为数控系统开发的基础。从 70 年代开始，数控技术在金属加工的多个领域全面展开，在上海、北京等数控加工中心得到了成功研制。同一期，由于结构简单、使用方便和价格低廉等优点数控线切割机床在模具加工中得到了推广。到了 80 年代，我国从发那科公司得到了 3、5、7、等系列的数控系统、交流伺服电机和交流主轴电机技术，以及从美、德等国引进了一些新技术。这使我国的数控机床在加工的精度和稳定性以及机床的质量上有了一个质的飞跃。1.2.2 机床电气控制系统的发展过程大功率的半导体器件、大规模的集成电路、计算机控制技术以及检测技术及现代控制理论等的发展，推动了机床电气控制技术的发展 1。主要表现在控制方法上，从手动操纵发展到自动控制；在控制能上，从单一功能发展到多功能；在操作上，从紧张繁重发展到轻巧自如。在机床电气控制方面，最初采用手动控制，如少数容量小，动作当一的机床（小型台钻，砂轮机等） ，使手动控制电器直接控制。后来由于切削工具、机床机构的改进，切屑功率的增大，机床运动的增多，手动控制也经不能满足要求，于是以继电器-接触器为主的控制电器所组成的控制装置和控制系统开始出现。这种控制系统，可实现对机床的各种运动的控制，例如启动和停止、正转和反转、速度的大小的改变等的控制。这种控制方法简单直接，工作性能稳定、制造成本低廉，使机床的自动化水平又朝前前进了一步。随着生产的发展，机床对加工进度、生产效率提出了更高的要求。几点接触器系统的断续控制方式不能连续、准确的反映信号，很难达到精度的要求。 第 8 页后来又出现了各种可连续控制的控制器件，例如电动机放大器、电子管及半导体放大器件，这样就相应的出现了连续控制的自动控制方式及自动控制系统，如电机放大机控制系统和晶闸管控制系统。另一方面，由于继电器接触器控制装置线固定、使用单一性，难以适应复杂和程序可变的控制对象的需要。所以 20 世纪 60 年代就出现了顺序控制器。它的初期是以继电器或者触发器作为记忆元件的控制器，即通过编码、逻辑组合来改变程序，满足于不同的加工程序的需要。这样就使得机床系统具有更大的灵活性和通用性。它的特点是：通用性强，程序可变、编程容易、可靠性高、使用维护方便等。他比较广泛的被应用于机械手臂、组合机床及组合机床及生产自动线上，大大提高机床自动化水平。近年来，可编程控制器（PLC 或 PMC）在数控系统中越来越被广泛的被广泛应用。可编程控制器技术是以硬接线的继电器控制为基础的，逐步发展为既有逻辑控制，计时、计数 和运算、数据处理、模拟量调节、联网通信等功能的控制装置。可编程控制器它可通过数字式或者模拟式的输入输出满足各类型机械控制的需要。可编程序控制器及有关外部设备，都按既易于与工业系统连成一体，有益于扩充其功能的原则设计。可编程序控制器将成为机械设备中开关控制量的主要电气装置。现代机床经过三十多年的发展。品种逐渐增多，现在机床从“现代工程控制论”和“计算机技术”中获得了大量的成果。因此发展了自动设计、自动管理和自动换刀以及自动传送等数控机床自动化手段。提高机床的加工精度，也是现在机床发展的重要研究课题。1.2.3 数控机床的发展趋势数控技术的运用不仅给传统制造业带来了巨大的变化，而且使制造业成工业化象征，随着数控技术持续的发展和应用领域不断的扩大，它对关系国计民生的一些重要行业(IT、机械、轻工、医疗等 )以及军事和航空航天的发展起着不可替代的作用，因为现代发展趋势对这些行业对数字化装备的需要是很大的。目前数控车床的发展主要呈现以下趋势。1.高速、高精密化高速、精密是机床发展不变的追求。随着科学技术进步，机电产品更新的换代步伐越来越快，对零件加工的精度和表面质量的也有更高要求。为满足市场不同的需求，当前机床朝着高速切削、干切削和准干切削方向迈进，加工精第 9 页度也在不停的提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功引用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的出现，为机床提供了向高速、精密的发展的条件。数控车床采用电主轴，减少皮带传动、带轮传动和齿轮传动等环节，大大减小了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，消除了主轴高速运转时因皮带和带轮等传动带来的振动和噪声问题。使用电主轴结构可使主轴转速超过10000rmin。直线电机驱动的特点：速度高，加减速响应快，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，减少了了滚珠丝杠中间传动环节，消除了传动间隙( 包括反向间隙) ，运动惯量小，系统刚性好，在高速时精密定位，从而可以极大限度的提高了伺服精度。 直线滚动导轨副，因为它具有各向间隙为零和极小的滚动摩擦，磨损少，发热几乎可以不计，有良好的热稳定性，增加了全程的定位和重复定位精度。通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由现在的1020mmin 增加到 6080mmin，甚至可以达到 120mmin。2.高可靠性数控机床的可靠性是衡量数控机床产品质量的一项重要的指标。数控机床能不能发挥它的高性能、高精度和高效率，并取得良好的经济效益，其最重要的指标是可靠性的高低。3.数控车床设计随着电脑的广泛应用的及软件技术的发展，CAD 技术得到了迅速的发展。CAD 不仅可以辅助人工完成复杂的图纸的绘制，更为重要的是 CAD 还可以进行设计方案选择和大件零件的整机静态和动态特性分析、计算以及优化设计，可以对整机各零件进行动态模拟仿真。通过模块化在产品的设计阶段就可以看出产品的三维几何形体和逼真的外形色。采用 CAD 设计，不但可以很大程度提高工作效率，而且还可以降低设计的失败率，因此能够缩短研发周期，减少产品的研发成本，增加对市场的竞争力。通过运用模块化设计对机床零件进行试制，不仅能减少设计过程中的劳动量，而且还使产品快速地推向市场，大量减少产品开发设计的时间。4.功能复合化第 10 页功能复合化就是为了是大大增加机床的加工零件效率，使用于非加工辅助时间减至最少。经过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现多用途、多功能，即一台数控车床既可以实现铣削功能，也可以实现车削加工；或在以铣为主的机床上还可以实现镗孔的加工。 5.智能化、网络化、柔性化和集成化21世纪的数控装备应该是拥有一定智能化的系统。智能化几乎在数控系统中的每一个方面：为使加工效率和加工质量方面拥有智能化，例如加工过程中的自动适应控制，工艺参数的自动生成；为了使驱动能力及使用连接方面的智能化能够提高，如前馈控制、电动机参数的自动适应运算、自动