机械毕业设计（论文）-CK6140数控车床电气控制系统设计【全套图纸】.doc

南京工程学院毕业设计说明书（论文）摘 要数控技术发展飞速的今天，数控技术在现代制造业发挥越来越重要的作用，数控机床是数控制造业的核心，本文主要介绍了对数控车床的电气系统设计的过程。本设计以CK6140车床为载体，对其数控电气系统经行详细设计。其内容包括强电设计、弱电设计、PLC输入输出及接口设计，本设计选用西门子808D数控系统。最后绘制出整个机床的电气系统原理图等。本设计给出了整个机床的原理图绘制过程，重点部分模块化，较详细地介绍了各个部分的功能及用途。分为 380V强电回路，控制回路，PLC输入输出控制，主轴驱动模块和进给伺服驱动模块，并介绍了相关的电气知识。通过本设计说明书可以基本上掌握数控车床的电气原理，以及基本的电气常识，使读者无论是从整体上还是各个模块中都能够了解到数控车床相关的一系列电气知识。关键词：数控系统；数控车床；PLC控制全套图纸，加153893706ABSTRACTThe numerical controls that the technique development fast today, the numerical controls technique at the modern manufacturing industry exertive more and more importance function, numerical control tool machine is number control a manufacturing industry of core, this text mainly introduced logarithms to control the processed that the electricity system of lather design.The design CK6140 lathe as the carrier, the detailed design of the its NC electrical system through the line. its contents includes a strong electrically design, weakness design, PLC importation output and Interface design. The design uses a Siemens 808D CNC system. Finally, to map out the whole machine electrical system schematic. This principle diagram which designs to the whole tool machine draws process and the point parts of mold piece turn and compared to in detail introduce each function and use of part. Is divided into the 380 Vs strong electricity back track, control back track, the PLC importation outputs a control, the principal axis drives a mold piece and enters to servo drive a mold piece, and introduced related electronic knowledge.Through this design system can basically control numerical control the electricity principle of lather, and basic electronic common sense, make the reader regardless can understand numerical control the lather related series of electricity knowledge from wholly the top still each mold piece.Key Words：NC system; NC lathe; PLC control目录摘要1ABSTRACT2目录3第一章 绪 论61.1前言61.2国外数控系统的发展趋势61.2.1新一代数控系统采用开放式体系结构61.2.2新一代数控系统控制性能大大提高71.2.3数控系统向软数控方向发展71.3我国数控技术的发展81.4CK6140数控车床主简介9第二章 西门子808D数控车床系统112.1 西门子808D系统简介112.2人机界面132.3进给系统132.4 主轴驱动系统132.5刀架控制系统142.6电柜设计及电源选用142.6.1在设计电柜时应注意以下事项：142.6.2 24VDC电源选用152.7数控系统各部分的连接及接口152.7.1系统的接线152.7.2 接口布置15第三章 CK6140数控车床的基本组成和工作原理173.1数控车床组成173.2数控车床工作原理193.3 CK6140数控车床运动分析203.4 CK6140数控车床电气系统简述21第四章 CK6140数控车床硬件系统设计及元件选型254.1主轴驱动系统254.1.1主轴电动机254.1.2主轴电动机选型254.2机床进给伺服系统264.2.1 CK6140数控车床对伺服驱动进给系统的要求274.2.2 伺服电机的选型284.3控制电路原理图设计314.3.1 380V系统强电控制回路314.3.2电源回路334.4常用电器元件的选型344.4.1低压电器选型的一般原则344.4.2断路器的选型344.4.3电动机保护用自动开关的选型354.4.4 熔断器选型354.4.5接触器的选型354.4.6热继电器的选型364.4.7中间继电器364.5 CK6140数控车床控制面板37第五章 PLC设计及参数设置395.1 PLC的基本结构及工作原理395.2 PLC与CNC机床的联接方式405.3 CNC加工代码在PLC上的实现方法415.3.1 T功能代码的实现方法415.3.2 M功能代码实现方法425.4 PLC程序的模块化设计425.5 PLC输入输出地址分配425.6参数设置445.6.1 PLC参数设置445.6.2机床参数设置45第六章 结 论47致 谢48参考文献49第一章 绪 论1.1前言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，机床制造业是一个国家的基本装备工业，是工业生产的技术基础，数控技术在给机床制造业带来显著经济效益及广阔发展前景的同时，也是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备，因此它已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术，世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1.2国外数控系统的发展趋势1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了46年历程。数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段：分立式晶体管式小规模集成电路式大规模集成电路式小型计算机式超大规模集成电路微机式的数控系统。到本世纪初，数控系统的总体发展趋势是：数控装置由NC向CNC发展；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；CNC装置向人工智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统可靠性不断提高。总之，数控系统在不断发展的过程中，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高1。国外新一代数控系统的发展趋势是2-4。1.2.1新一代数控系统采用开放式体系结构进入90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。开放式体系结构利用多CPU的优势，能够实现故障自动排除，增强通信功能，提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统，由于其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。1.2.2新一代数控系统控制性能大大提高数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统已实用化。1.2.3数控系统向软数控方向发展现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型。（1）传统数控系统，如FANUC0系统、MITSUBISHIM50系统等，这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。（2）“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK 840D系统、Num1060系统、AB9/360等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。（3）“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统。它由开放体系结构运动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用，它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等。（4）SOFT型开放式数控系统这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在WIN-DOWSNT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。这四种数控系统分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展。1.3我国数控技术的发展我国数控技术起步于1958年，发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段是封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步5。目前我国数控技术的发展已由研究开发阶段向推广应用阶段过渡，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。现已出现了一批能百台成批量生产数控机床、数控系统的企业。在数控技术软件上，一些单项技术已接近国外水平。纵观我国数控技术50多年的发展历程，总体来看取得了以下成绩：（1）奠定基础，基本掌握了现代数控核心技术。（2）初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、广州数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。（3）建立了一支数控研究、开发、管理人才队伍。我国数控技术在发展上取得了六个方面的跨越：可供应网络化、集成化、柔性化的制造设备，可服务器上实现加工对象的实体造型，并生成加工程序，自动传送到各台机床进行加工；5轴联动联动的数控机床更加成熟；进入世界高速数控机床生产国行列。机床采用电主轴，主轴最高转速达200000r/min；进入高精度、高精密数控机床生成国行列；进入全数控化螺旋齿轮切齿机生产行列，使中国成为继美国、瑞士、德国之后的第四个能生产这类机床的国家；关联杆系（虚拟轴）开始走向实用化。1.4CK6140数控车床主简介不同制造厂商制造的CKA6140数控车床选用的数控系统不同，其中包括FANUCOTD，FANUC0i-MATETC，FANUC0i-TA，FANUC0i-TB、安川J50L、SIEMENS802D、SIEMENS808D，FAGOR8025T，FAGOR8055T等世界知名公司的数控系统。本次设计的CKA6140数控车床采用SIEMENS808D数控系统；SIEMENSG高性能单机低压变频器主轴变速，SIMDDRIVE base line驱动器等系统。该机床为万能型通用产品。特别适合于军工、汽车、拖拉机、冶金等行业的机械加工。主要承担各种轴类及盘类零件的半精加工及精加工。可加工内、外圆柱面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体，可对工件可进行多次重复循环加工。基本配置：（1）机床采用卧式平床身结构，床身及床腿采用树脂砂铸造，时效处理，导轨采用高频淬火，整体刚性强。（2）主传动采用变频电机，可实现手动三档，档内无级调速。（3）进给系统采用伺服电机，精密滚珠丝杠，高刚性精密复合轴承结构。定位准确、传动效率高。（4）配置立式四工位刀架。（5）配有独立的集中润滑器对床鞍及机床滑板进行自动润滑。主轴箱配有独立润滑系统。（6）机床配有独立的冷却系统。（7）主控制系统为SIEMENS808D。（8）大孔径主轴，其主轴通孔直径60，能通过较大直径的棒料。主轴扭矩大，刚性强，可强力切削。（9）独立放置的操纵箱可纵向滑移，便于操作者就近对刀，操纵箱面板采用触摸式按键，美观可靠。（10）配有内冷却，不抬起刀架更有利于加工工件及防止冷却液飞溅。（11）床鞍及滑板导轨结合面采用“贴塑”处理，移动部件可实现微量进给，防止爬行。第二章 西门子808D数控车床系统西门子808D数控车床系统由西门子808D数控系统、步进进给系统、主轴驱动系统、刀架等组成。2.1西门子808D系统的介绍SINUMERIK 808D 为普及型车床和铣床提供了最新的数控技术。由于使用了带涂层的电路板，并严格按照德国质量标准进行生产，西门子确保了普及型数控系统的最高质量。借助于在数控技术领域超过 50 年的产品经验，SINUMERIK 数控系统确保了机床的加工性能。SINUMERIK 808D 同时还秉承了来自于西门子高端数控系统的最新数控系统架构以及经过检验的数控功能。作为一个全球性数控设备供应商，西门子为全球客户提供了极大的便利：全球性业务销售和服务网络确保了机床在全球成功的销售。得益于集成的数控系统设计，SINUMERIK 808D 将系统接口数减到最少。前面板防护等级达到 IP65，即使在恶劣的环境下，SINUMERIK 808D 依然可以保证最长的使用寿命。 除了坚固耐用的特点，人性化操作也是 SINUMERIK 808D 的一大优点。机械按键确保了日常参数输入的最大便利性，而热键和软菜单键则使得数控系统操作更加直观。另外，通过前面板上的通用 USB 接口就可以方便地进行数据传输，并且可以连接电脑键盘，使得对工件程序的编辑更加便利。在机床组装方面，SINUMERIK 808D 绝对是省钱的高手。通过卡扣就可以安装好数控单元和机床控制面板，省去了钻孔和攻丝的工作。得益于模块化概念，机床制造商可以选择使用 SINUMERIK 808D 机床控制面板。使用 SINUMERIK 808D机床控制面板时，通过更换插条就可以将预定义按键标签改变成机床专用标签。最棒的是 SINUMERIK 808 机床控制面板通过 USB 接口进行通讯，即插即用。1、性能得益于最现代化的软硬件架构，SINUMERIK 808D 确保了计算结果可以达到 80 位浮点数纳米计算精度。最大限度减少了中间误差，确保了最大轮廓精度。得益于 80 位浮点数纳米计算精度（NANOFP），SINUMERIK 808D 提供的计算精度达到纳米级。SINUMERIK 808D 具备智能的加加速度控制功能。S 形轮廓加速度不仅确保了平滑的路径运动，也保持了机床的机械特性。配合 SINAMICS V60 进给驱动器的前馈控制功能，SINUMERIK 808D 确保了最大工件精度。2、操作SINUMERIK 808D支持USB电脑键盘输入。将电脑上使用的 USB 接口键盘接到 SINUMERIK 808D 上，就可以直接在键盘上输入加工程序。之前数控系统的零件程序只能取成抽象的数字，在808D中不仅程序名可以自由地以可读性更高的字母、数字、甚至是汉字来命名，还可以通过子文件夹来组织数量众多的零件程序，使文件管理更简便快捷，就像操作一台电脑。SINUMERIK 808D 在操作面板上配备了热键，用于打开最常用的 HMI 画面，例如刀具补偿列表或是程序管理器。HMI 功能也可以和快捷键绑定在一起。通过Ctrl+P 可将 HMI 的截屏以位图形式存储在 U 盘上，或通过 Ctrl+S 生成一个完整的数控系统备份文件。常用的 JOG 模式并不足以完成所有的加工准备工作。SINUMERIK 808D 具备额外的智能 JOG 功能：刀具和工件的测量及切削循环实现完全图形化，从而可以在不创建零件程序的情况下加工毛坯。无需输入抽象的 G 代码，就可以管理一些简单的机床功能，例如：冷却液开启/关闭或激活零点偏移。准确的刀具数据处理对确保最大加工安全性有着重要的作用。SINUMERIK 808D具备结构清晰且直观的刀具处理功能。刀具以形象的刀具图标显示，刀具磨损量的输入也具有防错的功能。SINUMERIK 808D有中文操作界面，而且还支持直接在操作面板上输入中文字符。操作人员可以定义零件程序名和子文件夹名，也可以用简体中文为零件程序添加注释。3、编程SINUMERIK 808D 支持常用的 ISO 编程语言。这让那些熟悉基于 ISO 的数控系统的操作人员可以快速的适应 SINUMERIK808D。 除了 G01、G02 这样的标准 G 代码外，也提供 G74或 G76 这样的固定循环。如果操作人员需要更多的工艺特性，可以将标准 ISO 代码和 SINUMERIK 高级指令混合使用。这有益于发挥 SINUMERIK 808D 具备的强大工艺特性。除了标准 ISO 代码，SINUMERIK 808D 也提供全球通用的SINUMERIK 高级语言。这极大地扩展了工艺范围，也增加了操作灵活性。除标准 G 代码外，也提供用于计算或坐标转换的可读数控指令。programGUIDE BASIC 提供了多样化的工艺循环。完全图形化的输入画面完美支持工艺循环中的工艺参数的输入。通过 programGUIDE BASIC，SINUMERIK 808D 提供了最多样化的工艺循环 从用于加工螺纹和凹槽的车削循环到不同的钻削循环、镗削循环、攻丝循环和铣削循环。钻孔循环和铣削循环均轻松使用不同的孔模式。还可以通过快速设定循环来确定模具加工的参数。通过图形输入画面就可以直观地进行编程，无需纸质文件的帮助。此外，SINUMERIK 808D也为钻孔、铣削和车削提供多样化的 ISO 固定循环。确保每一种编程语言都可以得到最佳的工艺循环支持。再复杂的轮廓也可以通过轮廓计算器直接在数控系统上创建。轮廓计算器可以自动计算部分定义的轮廓元素。SINUMERIK 808D 具备强大的程序模拟功能，可以最大程度确保加工安全性。通过“毛坯移除”功能，模拟可以充分显示毛坯切削的过程。通过模拟功能可以在加工之前和加工过程中对程序进行检测，以显示刀具路径。4、调试808D 根据一般的车床和铣床应用预置了 PLC 程序，这样可将普及型机床的 PLC 调试工作减少到最少。同时，开放的PLC 结构让机床制造商也可以自定义 PLC 程序，使其更灵活。丰富的功能（例如：功能块、数据块和多样化的 PLC 指令）能够确保自定义 PLC 程序进行改编或替换。使程序拥有最大的灵活性。SINUMERIK 808D 不仅提供了 PLC 离线编程工具便于在 PC上进行 PLC 程序的编辑和调试，数控系统自带的梯形图查看器也可以支持 PLC 状态的在线显示，确保了高效的 PLC 程序调试。SINUMERIK 808D 提供集成式和分布式 PLC I/O 方案。距离操作面板较近的设备可以直接连接至数控系统上的集成式PLC I/O。安放在电柜中的设备依靠端子转换器，通过扁平电缆或圆电缆连接至数控系统。自定义画面加强了机床的可用性，例如：机床组件的管理和换刀装置的机械状态显示。SINUMERIK 808D 提供了合适的开放式架构界面，用于自定义 HMI 画面。可以在现有的HMI 中增加画面或菜单树。画面可以由许多不同的位图组成，并可访问系统或用户定义的数控或 PLC 变量。用户循环和自带菜单可以直接连接至现有的 SINUMERIK 菜单树。SINUMERIK 高级语言提供了多样化的数控指令，用于实现最灵活的用户循环。最棒的是：SINUMERIK 808D 提供的开放式架构界面可以为用户循环界面创建自定义支持画面。这个界面确保了输入画面中的每个参数都有独立的参数输入框和独立的辅助位图提示。2.1 西门子808D系统概览SINUMERIK 808D数控系统是西门子公司开发的数控系统，用于数控车床、数控铣床、加工中心、数控磨床等。得益于集成的数控系统设计，SINUMERIK 808D 将系统接口数减到最少。前面板防护等级达到IP65，即使在恶劣的环境下，SINUMERIK 808D 依然可以保证最长的使用寿命。 除了坚固耐用的特点，人性化操作也是 SINUMERIK 808D的一大优点。机械按键确保了日常参数输入的最大便利性，而热键和软菜单键则使得数控系统操作更加直观。另外，通过前面板上的通用 USB 接口就可以方便地进行数据传输，并且可以连接电脑键盘，使得对工件程序的编辑更加便利。SIEMENS 808D配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板，显示器为7.5inLCD彩色显示，640480的分辨率。集成基于SIMATIC S7-200的PLC最大可以控制72点输入与48点输出，PLC的I/O模块与ECU间通过总线连接；系统体积小，结构紧凑，性能价格比高。数控系统与外部模块的连接，见图2-1。图2.1 系统接线概览2.2人机界面LCD显示区数控系统的人机界面由显示器、操作面板、机床控制面板组成，见图2.2。软件开关区MDI键盘图2.2 系统操作面板编程和机床控制动作的按键以及7.5英寸LCD显示器。工作方式选择(6种)，进给速度修调，主轴速度修调，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作。 2.3进给系统进给系统的驱动模块采用的是（STEPDRIVE V60 CPM60.1），无风扇、带有涂层的电路板的设计可以使其经受住恶劣环境的考验。进给系统的电机采用SIMOTICS 1FL5 伺服电机。SIMOTICS 1FL5 性能数据如下： 额定转矩 4 Nm、6 Nm、7.7Nm和10Nm 额定速率 2000 rpm TTL 编码器，2.500 ppr（带脉冲倍频的13位分辨率）2.4 主轴驱动系统主轴驱动系统采用的是三菱FR-E540变频器，采用模块化安装方式，主轴与各伺服驱动单元共用电源。用于进给驱动的伺服驱动模块有单轴与双轴两种结构型式，带有PROFIBUS DP总线接口。驱动器内部带有FEPROM(non-volatile data memory，非易失可擦写存储器)，用于存储系统软件与用户数据，驱动器的调整、动态优化可以在W1NDOWS环境下，通过Simo Com U软件自动进行，安装、调整十分方便。驱动器由整流电抗器(或伺服变压器)、电源模块(NE module)、功率模块(Power module)、611控制模块等组成：电源模块自成单元，功率模块、611控制模块、PROFIBUS DP总线接口模块组成轴驱动单元。各驱动器单元间共用611直流母线与控制总线，并通过PROFIBUS DP总线，与SIEMENS 808D/810D/840S/808D系统相连接，组成数控机床的伺服驱动系统。2.5刀架控制系统刀架是经济型的四方位简易刀架，它的机械结构简单，调试和使用方便，结构如图2.3所示。其功能为：有四个刀位，能装夹四把不同的功能刀具，方刀架回转90时，刀具变换一个位置，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。图2.3 四工位转位刀架2.6电柜设计及电源选用2.6.1在设计电柜时应注意以下事项：(1)电柜应有冷却或通风装置，在使用风扇时必须在进气窗口安装防尘过滤网；(2)电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上；(3)电柜的防护等级为IP54；(4)接地应遵守国标GBT52261-2002IEC60204-1：2000“机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件；(5)电柜中布线时，交流电源线(如85VAC，220VAC，380VAC以及变频器到主轴电机的电缆)必须与24VDC电缆和信号线电缆分开走线；(6)系统直流稳压电源24VDC之前需接入隔离变压器(控制变压器380VAC一220VAC，JBK3400VA)。步进驱动85VAC必须采用独立的隔离变压器(驱动变压器380VAC 85VAC，JBK3系列)。两个变压器的初级不可以接入到380VAC的同一相。(7)现场没有良好接地的情况下，控制变压器必须为浮地设计，但此时任何与CNC控制器连接的外设(如PC等)，其220VAC电源必须连接到控制变压器。2.6.2 24VDC电源选用CNC控制器采用24V直流供电，系统可在24V一15至J+20之间正常工作。直流电源的质量是系统稳定运行的关键，所以在选择电源时，其输出波形应如图4所示。24V直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性(按照IEC204-1，条款64，PELV)。因此我们选用西门子配套的24V直流稳压电源。数字输入和输出所需的24VDC用独立的24V直流电源，而不能与CNC控制器共用同一个24VDC稳压电源。所有输入信号必须为电平信号，即“0”电平-3V5voc和“1”电平11V30VDC。悬空和高阻信号均为“0”电平。2.7数控系统各部分的连接及接口2.7.1系统的接线SINUMERIK 808D base line控制器与伺服驱动电机的连接。连接电缆必须使用屏蔽电缆。在系统一侧，电缆内屏蔽层必须与插头中的金属壳相连，为了使模拟量的指令值信号免受低频信号的干扰，驱动一侧的屏蔽不能接地。2.7.2 接口布置(1)面板控制单元（PPU）上的接口接口注释X100、X101、X102数字量输入X200、X201数字量输出X21快速输入/输出X301、X302分布式输入/输出X10手轮输入X60主轴编码器接口X54模拟量主轴接口X2RS232接口X51、X52、X53脉冲驱动接口X30用于连接MCP的USB接口X1电源接口：连接+24V直流电源(2) 面板控制单元（MCP）上的接口X10：用于连接PPU的USB接口第三章 CK6140数控车床的基本组成和工作原理3.1数控车床组成数控车床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CNC单元）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量反馈装置组成。车床数控系统的组成框图如图3.1所示。电 气 回 路辅 助 装 置PLC主轴伺服单元 操 作 面 板主轴驱动装置进给驱动装置测量反馈装置进给伺服单元输入/输出设 备计算机数 控装 置机 床 本 体图3.1 数控系统组成框图、机床本体图3.2 CK6140机床实体图数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化，这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。、CNC单元CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。输入/输出设备输入装置将各种加工信息传递于计算机的外部设备。在数控机床产生初期，输入装置为穿孔纸带，现已淘汰，后发展成盒式磁带，再发展成键盘、磁盘等便携式硬件，极大方便了信息输入工作，现通用DNC网络通讯串行通信的方式输入。输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。伺服单元伺服单元由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。驱动装置驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动， 最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。可编程控制器可编程控制器 (PC，Programmable Controller) 是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制， 故把称它为可编程逻辑控制器( PLC， Programmable Logic Controller)。当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器( PMC， Programmable Machine Controller )。PLC己成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。测量反馈装置测量装置也称反馈元件，包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。3.2数控车床工作原理使用数控机床时，首先要将被加工零件图纸的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序; 然后将加工程序输入到数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理、分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。CK6140数控车床的技术参数：床身上最大工件回转直径:400mm。拖板上最大工件回转直径:200mm。最大工件长度:1000mm。最大车削长度:850mm。主轴转速范围(变频): 401800r/min可实现无级调速及恒线速切削。主轴通孔直径:52mm。X向行程： 220mm，Z向行程：1000mm。快速进给速度X/Z: 6000/8000mm/min每转切削进给量 0.005-100mm/r进给电机扭矩(功率): X向4Nm，Z向6Nm定位精度(全程)：X向0.01mm，Z向0.01mm重复定位精度:X向 0.007mm，Z向 0.01mm尾架套筒内孔锥度: 莫氏5号脉冲当量：0.001mm最高加工精度：IT6表面粗糙度：Ra1.6四工位电动刀架刀杆截面尺寸：25mm25mm主轴电动机M1：7.5KW 1000r/min 刀台电动机M2：0.18KW 1500r/min润滑电动机M3：0.09KW 1400r/min冷却电动机M4：0.12KW 2900r/min尾座套筒压紧力 90000N 尾座套筒直径：85尾座套筒行程：110第四章 数控车床硬件系统设计及元件选型4.1主轴驱动系统主轴驱动系统包括主轴驱动装置和主轴电动机。主轴驱动系统分为直流驱动系统和交流驱动系统。目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动控制的方式。4.1.1主轴电动机主轴驱动部分是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统（CNC）的S代码速度指令及M代码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。在数控机床上，同样由主轴夹持工件或刀具旋转，直接参加表面成形运动。主运动的最高与最低转速、转速范围、传递功率和动力特性，决定了数控机床的切削加工效率和加工工艺能力。主轴组件的回转精度、刚度、抗振性和热变形，直接影响加工零件的尺寸、位置精度和表面质量。4.1.2主轴电动机选型查机电一体化手册车削功率在0.8-2kw之间根据切削功率PC与主传动链的总效率估算,即。主传动链的功率效率=0.70.85， 数控车床多采用调速电动机和较短的机械传动链，效率较大，因此取=0.78,则估计P在1.43kw2.86kw.之间。数控车床的加工范围一般都比较大，切削功率PC可根据有代表性的加工情况，由其主切削抗力-主切削力的切向分力，N；-切削速度N；查金属切削手册知，以硬质合金刀具车削45#钢为例，数控车床有代表型的主切削力的切向分力大约在1000N左右，切削速度取90250r/min，则知道 PC=100090/60000=0.98kw考虑到空转运转的功率损失，如各传动件在空转运行时的摩损功耗，传动件的搅油和克服空气阻力功率以及其其它动载荷的摩擦损耗等。CK6140数控车床床是中等规格数控车床，参照国内外同类机床的电动机功率，此机床可以选取1.5kw的电动机，考虑到数控机床变速范围比较大，选用SIMOTICS 1LE0标准电机。实物图如图4.1所示。图4.1 SIMOTICS 1LE0标准电机4.2机床进给伺服系统伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。对于数控机床伺服控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种位置控制方式。位置控制系统是由伺服驱动器中的位置控制模块、速度控制模块、位置检测及反馈控制等各部分组成。开环位置控制不需要位置检测及反馈，闭环位置控制需要位置检测及反馈。位置控制反馈能够精确地控制机床运动部件的运动，快速而准确地跟踪指令运动。根据其位置检测信号所取的位置不同，它又分为半闭环与全闭环两种。所谓半闭环控制系统即采取的反馈检测元件是与伺服电机同轴连接地旋转编码器，其直接与伺服电机转子后部相连接，与伺服电机构成一体。因为编码器不能直接反映机床各个进给轴的实际位置，而是反映电机的旋转速度和圈数。此种控制方式的机床其机械运动部分（如传动丝杠和工作台）的机械误差没有因反馈而获得改善。但是对于这些机械误差，可以在CNC系统中通过反向间隙补偿和螺距误差补偿来大大减小，所以使用这种控制方式的机床也可达到很高的精度。对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，现在生产中多用光栅尺或磁尺作为全闭环系统的位置检测装置。4.2.1数控车床对伺服驱动进给系统的要求1调速范围要宽调速范围是指进给电动机提供的最低转速和最高转速之比，即。在各种数控机床应用中，由于加工用刀具、被加工材料、主轴转速以及零件加工工艺要求不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围（通常大于1：10000），尤其在低速（如转速小于0.1r/min）时，要仍能平滑运动而无爬行现象，2定位精度高使数控机床加工零件主要是为了保证加工质量的稳定性、一致性，减少废品率；就决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。因此，要求进给驱动系统具有较好的静态特性和较高的刚度，从而达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差（本设计对伺服系统的分辨率的要求是达到0.01mm)，同时进给驱动系统要有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。3有足够的传动刚性和较高的速度稳定性4快速响应，无超调为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。5低速大扭矩，过载能力强一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4-6倍而不损坏。6可靠性高要求数控机床的进给驱动系统可靠性高，工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰能力。根据以上要求，再结合西门子808D数控系统的各各特征，本设计选用带有再生回馈功能的SINAMICS V60伺服驱动系统。实物如图4.2所示。图4.2 SINAMICS V60驱动系统4.2.2 伺服电机的选型SIEMENS 808D系统是高性价比高可靠性的CNC系统，它可以配置SIEMENS公司的1FL5系列的伺服电机、一般来说SIEMENS系统在选择伺服电机时要计算负载力矩、负载惯量、加速力矩和最大切削力矩等因素，在计算的过程中综合考虑伺服电机的性能参数是否满足各因素来确定电机型号。图4.3所示为机床水平进给轴示意图，机床工作台的机械规格如表4-1所示。图4.3 水平进给轴示意图表4-1机床主要性能规格表规格项目符号单位X轴丝杆直径Dbmm40丝杆长度Lbmm1000丝杆导程Pmm8减速比1机床加载的移动物质量Wkgf7000由切削力引起的反推力FCkgf100镶条锁紧力fgkgf50由切削力矩引起的滑动表面上工作台受到的力Fcfkgf30驱动系统效率0.9滑动表面摩擦系数0.05加减速时间Tams100快速进给速度Vmm/min4000位置回路增益KSS-1301、负载力矩的计算一般计算公式：其中，加到电机轴上的负载力矩，Nm；F：沿坐标轴移动一个部件所需的力，kgf；L：电机转一圈机床的移动距离（与丝杆螺距有关）；：滚珠丝杆螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩。无论是否在切削，水平轴或垂直轴，F 值取决于工作台的重量和摩擦系数。所选伺服电机其静态力矩应大于 6.62N m。2、负载惯量的计算负载惯量的计算一般包括滚珠丝杆的转动惯量和工作台的移动惯量等。转动惯量计算公式：，其中表示物体的比重，；对于本车床：移动惯量的计算公式：，其中，L表示电机一转工作台移动的距离。负载惯量合计 =0.0199+0.0115 =0.021负载惯量对电机的控制特性和快速移动的加/减速时间都有很大影响，负载惯量过大时，进给轴需要较长时间到达指令的速度，会造成较大的加工误差 一般来说负载惯量应小于电机惯量或在在电机惯量的倍以内。根据上述几项因素的计算以及与电机参数的比较，综合考虑各项因素的影响和电机的性价比，最终可选择SIMOTICS 1FL5型号伺服电机来配置CK6140数控车床，X轴伺服电机与Z轴伺服电机都选用SIMOTICS 1FL5型号伺服电机。实物如图4.4所示。图4.4 SIMOTICS 1FL5伺服电机4.3控制电路原理图设计4.3.1 380V系统强电控制回路图4.5 系统电气原理图图4.5为数控车床的系统电气原理图，也是机床的动力电路，