毕业设计（论文）-车床数控化电气改造与设计.doc

键入文字 2010 届届 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计（论论 文文） 设计设计(论文论文)题目：题目： 车车床床数数控控化化 电电气气改改造造与与设设计计 姓姓 名名: * 学学 号号: *133 专业班级专业班级: * 系系(部部、院院): 机机电电系系 指导教师指导教师: * 2010 年年 6 月月 16 日日 键入文字 i 摘要： 近年来，数控机床的技术水平高低及拥有量的多少已成为衡量一个国家工业现代 化水平的重要标志之一。为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越 多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式机床进行技术改造，取得了良好的效果。 数控机床的应用也受到其他条件的限制，首先数控机床价格昂贵，一次性投资巨大， 中小企业常是心有余而力不足；目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床 替换根本不可能，而且被替代下的机床闲置起来又会造成浪费；其次在国内订购新数 控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；要较好地解决上述问题，应走 普通机床数控改造之路。低成本普通车床数控化改造是一项适合我国实际情况的先进 适用技术，也是一项提升我国机床数控化率的有效途径。 本文介绍了车床数控改造中电气控制系统的设计，根据改造后的电气原理图，设 计制作电控柜，图中原有元器件仍放置在原柜中，按电气原理图做必要的改动；设计 并绘制车床主回路电气原理图、控制回路原理图、驱动电路原理图、主电路 l/0 线路 图；主传动、进给传动系统设计；电器元件的选用，PLC 控制环节的设计，可编程自动 加工。 关键词关键词：车床；电气控制系统；计算机数控；可编程控制器；电控柜 键入文字 ii Abstract： In recent years, the technical level of NC machine tools and owning amount have already become one of the important signs of weighing a national industrys modernized level. In order to fully exert equipment performance, rapid promotion processing technology and precision, more and more companies invest much money and technology to traditional old machine technical renovation each year and achieved good results. But the number control tool machine of the application also be subjected to other condition of restriction. First, the number control the tool machine price expensive, one time investment is huge. The small and medium business enterprise often is the heart enough to spare but dint shortage；Currently，each business enterprise all have a great deal of common tool machine ,completely using number control tool machines to replace the common tool machines is impossible，and the replaced tool machines are idle and resulted in waste；At domestic，ordering new number control tool machine to deliver goods general needs a long period, usually cant satisfy produce to need urgently; To well solve above-mentioned problems should walk the reformation road of turning common tool machine into the number control tool machineLow cost common lathe number control to turn a reformation is an in keeping with our country actual circumstance of forerunner apply a technique, also is a rate of valid path of the item promoting our country numerical controlling tool machine. This article introduces the lathe reforming and the electric control system design, in accordance with the electrical principle, design and producing electric control cabinet. the existing component still kept in the old cabinet, according to electrical principle drawing make the necessary changes; Design and construct the main circuit electrical principle of the lathe, control loop schematic diagram, driving circuit diagram, Main drive and optimum design of the feeding transmission system of the CNC lathe；the I/O diagram of main circuit, Electrical components chosen，PLC control，programmable automatic processing. Key words: Lathe; The electrical control system; Computer Numerical Control; PLC; Electric cabinet 键入文字 iii 摘要： .i Abstract：.ii 第 1 章 绪论.1 1.1 数控机床发展概况.1 1.1.1 国际数控车床.1 1.1.2 我国数控车床.1 1.1.3 数控机床的发展方向.2 1.2 课题研究意义 .3 1.2.1 数控车床比传统车床的优越性.3 1.2.2 改造意义.3 1.3 课题主要研究内容.4 第 2 章 改造方案的确定与设计.5 2.1 可行性分析 .5 2.2 改造后系统的组成 .5 2.2.1 数控系统选择.6 2.2.2 数控系统类型的选择.6 2.3 控制系统各主要单元的功能 .7 第 3 章 传动系统的设计.9 3.1 主传动系统的设计要求 .9 3.2 主轴电机选用 .9 3.2.1 最高和最低转速的确定.9 3.2.2 主传动电动机功率的确定.10 3.2.3 主轴变频器的选择.11 3.3 对进给驱动的要求 .14 3.4 进给电动机的选择 .14 3.5 进给伺服系统 .15 第 4 章 电气控制系统的硬件及线路图.17 键入文字 iv 4.1 控制系统的硬件 .17 4.1.1 系统电气元件.17 4.1.2 本设计的硬件体系结构的优点.18 4.2 主轴电气控制系统的设计.18 4.2.1 设计方案.19 4.2.2 控制电路的设计.20 4.3 刀架控制系统设计.20 4.3.1 电动回转刀架工作过程.21 4.3.2 刀架电气控制图.21 4.4 数字输入输出接线图.22 4.4.1 数字输入端接线图.22 4.4.2 数字输出端接线图.24 4.5 主电路图 .24 4.5.1 控制电路图.26 4.5.2 电源回路图.27 4.5.3 电气柜设计.28 第五章 PLC 实现机床的顺序控制.29 5.1 PLC 在机床控制系统中的功能.29 5.1.1 PLC 的基本结构及工作原理.29 5.2 PLC 的指令.30 5.3 PLC 在机床控制中的应用.32 5.3.1 PLC 在车床上的配置方式.32 5.3.2 PLC 输入端与 CNC 机床数控装置 IO 口的联接.33 5.3.3 CNC 加工代码在 PLC 上的实现方法.33 5.4 PLC 主轴控制.34 5.4.1 PLC 主轴控制流程图.34 5.4.2 I/O 分配.36 5.5 PLC 刀架控制.37 键入文字 v 5.5.1 PLC 刀架控制流程图.37 5.5.2 PLC 刀架控制梯形图.38 第 6 章 结论与展望.40 6.1 结论 .40 6.2 展望 .40 参考文献.42 致谢.43 附录 PLC 程序.44 外文科技资料翻译.48 外文文献.48 中文翻译.52 键入文字 第 1 页 共 59 页 第1章 绪论 1.1 数控机床发展概况 数控技术，简称数控(Numerical ControlNC)，是利用数字化信息对 机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进 行控制，因此，也可以称为计算机数控(Computer Numerical ControlCNC)。 采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机 床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床 设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地 解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定 产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。机床控制也是 数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控 技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变 更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都 比较高，因而应用日益广泛。 1.1.1 国际数控车床 1954 年 11 月美国本迪克斯公司生产了世界上第一台工业用数控机床。 最初由电子管控制，随后经历了用晶体管控制、集成电路控制(NC)、计算机 控制(CNC)，直到用微处理器控制(MNC)。随着个人计算机的飞速发展，芯片 的集成度越来越高，功能越来越强，成本也越来越低，软件和外围器件又越 来越好，出现了以个人计算机(PC 机)为平台的数控系统，数控系统进入第 六代(1990 年)。第六代数控系统采用现代个人计算机(PC 机)、采用 Windows95、Windows98 或 Windows2000 操作系统。第六代数控系统的存储 量可达 120GB 以上，CAD、CAM 的加工代码可通过网络传到硬盘上，网络速 度比 RS232 接口速度提高了几千倍，加工数据可在加工前全部存储到硬盘上， 避免了边加工边传送数据的缺点，解决了高速高精度加工的问题。第六代数 控系统采用标准的计算机显示器，分辨率高、价格低、可靠性好，而且具有 网络通信功能。 键入文字 第 2 页 共 59 页 1.1.2 我国数控车床 车床制造业是金切机床制造业中最大的一个产业。按机床工具行业统计 资料汇编，2005 年金切机床产量 387863 台(占全国金切机床产量的 86%)， 其中车床产量为 237464 台，占 61.2%。 但是，在车床产量中，数控床的产 量很低，仅占车床产量 13.5%左右。所以，我国目前仍是一个以普通车床生 产为主的生产国家。一个国家生产车床的数控化率和消费车床的数控化率集 中反映了个国家的制造业的技术水平，也代表着一个国家的综合国力。我国 机床数控化率仅为 5左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达 到 20以上。由于某些零件对加工的要求高，普通机床和改造后的数控机 床相比，其加工出来的产品质量、品种、档次、成本、供货期都较差等现象。 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，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床数控电气化的改进。低 成本普通车床数控化改造是一项适合我国实际情况的先进适用技术，也是一 项提升我国机床数控化率的有效途径。 1.1.3 数控机床的发展方向 CNC 装置的组成：数控系统由程序、输入输出设备、计算机数控装置、 可编程逻辑控制器及主轴、进给驱动装置组成。其核心部分是计算机数控装 置，它由硬件和软件组成。 CNC 装置的基本功能：数控系统是一种位置控制系统，进行零件加工时， 总是先将编写好的程序输入到系统的内存中，然后系统根据输入的程序段插 补出理想的轨迹，并控制执行部件加工出合格的零件。可见，输入、插补、 伺服控制是数控系统的三个基本功能。位置数据处理，主轴驱动处理及机床 开关功能控制是整个系统的基本功能核心。 随着计算机技术的发展，数控机床不断采用计算机、控制理论等领域的 最新技术成就，它的性能日臻完善，应用领域日益扩大。同时，为了满足市 场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高要 求，当前，世界数控技术及其装备正朝着下述几个方向发展。 1.高速、高效、高精度、高可靠性。要提高加工效率，首先必须提高切 削和进给速度，同时，还要缩短加工时间：要确保加工质量，必须提高机床 部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有 键入文字 第 3 页 共 59 页 高性能的数控装置作保证。 2.模块化、智能化、柔性化和集成化。为了适应数控机床多品种、小批 量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并 加快优化。个性化、模块化、智能化、柔性化和集成化是近几年来数控机床 特别明显的发展趋势。 3.开放式体系结构。由于数控技术中大量采用计算机新技术，新一代的 数控系统体系结构向开放式系统方向发展。国际上的主要数控系统和数控设 备生产国及其厂家都瞄准通用个人计算机所具有的开放性、低成本、高可靠 性、软硬件资源丰富等特点。 1.2 课题研究意义 1.2.1 数控车床比传统车床的优越性 数控化加工是机械加工行业朝高质量，高精度，高成品率，高效率发展 的趋势。结合企业实际情况，利用现有的普通车床，对其进行数控化改造是 一条低成本，高效益的途径。 1.由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬 时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2.可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统车床 提高 3-7 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储 下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要 更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使整批生产得以自动 化。故被称为实现了“柔性自动化”。 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，减少零件在机床间的频繁搬运。 5.拥有自动报警、自动监控等多种自律功能，因而可实现长时间无人看 管加工。 6.数控车床能够降低操作人员的劳动强度，节省劳动力(一个人可以看 管多台机床)，减少工装，缩短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。数控车床的改造是对普通车床某些部位进行改造，配上电 气控制系统，从而使车床具有数控加工能力。 键入文字 第 4 页 共 59 页 1.2.2 改造意义 1.从提高资本效率出发，改造设备，能发挥其原有的功能和改造后的新 增功能，提高机床的使用价值。 2.适用于多品种、高质量、复杂化、批量零件生产。 3.数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。数控改造费用仅为新购 一台数控机床费用的 15-25，同购新机床相比，一般可以节省 75- 85的费用；几乎就是一台新的数控机床，甚至精度会更好，因为旧机床床 身不会再产生变形。 4.力学性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立拄等基础件都是重 而坚固的铸造构件，而不是那种焊接件，改造后的机床性能高、质量好，可 以作为新设备继续使用多年。数控化改造使原有的机械结构更为简单。原有 的手摇进给机构全部消失，这样一方面可以提高精度，减少传动链对精度的 影响；另一方面可以减少机械故障率，提高运行的可靠性。 5.熟悉了解设备、便于操作进修，降低了操作者的技术要求，更易提高 管理水平。购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不 然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机 床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造机床 一旦安装好，就可以实现全负荷运转。 6. 操作者只需要装夹工件和按开关，加工全部由电脑控制自动完成， 即使再复杂的零件也能快速完成，省去了对技术要求的烦恼，同时提高定额 管理水平。 7.可以充分利用现有条件，可以充分利用现有地基，不必像购入新设备 时那样需重新够构筑地基。 8.可以采用最新的控制技术。可根据技术革新的发展速度，及时地提高 生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改造成当今 水平的机床。自动化程度高，专业性强，加工精度高，生产效率高。提高了 生产效率，减少了劳动强度。 1.3 课题主要研究内容 1. 介绍了车床数控改造中主传动系统、进给系统、伺服系统的设计和 主电动机、进给电动机的选用。 键入文字 第 5 页 共 59 页 2. 电气控制系统的设计， 根据改造后的电气原理图，设计制作电控柜， 图中原有元器件仍放置在原柜中，按电气原理图做必要的改动，两柜之利用 电缆进行传输；设计并绘制车床改造后的主回路电气原理图、控制回路原理 图、驱动电路原理图、辅助电路。 3. 以西门子 PLC 为基础，编制 PLC 程序的模块化设计。 设计 PLC 输入 输出端与机床面板信号联接，设计 PLC 输出端与机床强电信号联接。 第2章 改造方案的确定与设计 2.1 可行性分析 将普通车床改造为数控车床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工 对象的要求和工厂实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床的改 造设计。进行改造的可行性分析，针对车床现状确定改造方案，包括以下几 方面： (1)机械与电气改造相结合，一般来说需进行电气改造的机床，都需进 行机械改造。要确定改造范围、要求、内容；确定因电气改造而进行机械改 造的要求、内容，力学性能的完好是电气改造成功的基础。 (2)先局部后全局确定设计步骤时，应把整个电气设计部分先分成若干 个子系统进行，如数控系统、传动系统(主传动和进给传动)、面板控制、与 强电部分等，一个系统基本成型后，再互连完成全系统工作，从而减少遗漏 和差错。 (3)根据使用条件选择电气系统电气系统的选择必须考虑成熟产品，性 能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要 求等。 2.2 改造后系统的组成 将原普通车床改造成数字控制系统的车床，即数控车床，采用计算机控 制，其组成如图 2-1 所示。拆除原车床的 X，Z 两轴进给系统的中间传动环 节，拆除原来的丝杆。直接采用了纵、横向丝杠与伺服电机直联，中间通过 挠性联轴器连接，由迸给伺服驱动单元控制全数字交流电机+挠性联轴器+滚 珠丝杆的传动方案, 实现 X、Z 两轴联动进给。拆除了原来的主轴变速箱， 采用主轴伺服驱动主轴电机，主轴电机通过三角皮带带动主轴实现无级变速。 键入文字 第 6 页 共 59 页 主轴编码器安装在主轴头上方，通过齿形皮带与主轴 l：1 传动。所有速度 由 G 代码中的 S 命令来控制。拆除原车床刀架结构，采用旋转式刀架，多齿 盘定位的 4 工位回转刀架，正反向回转，就近取刀。车床的润滑系统，由集 中润滑泵向各分配器注油，注油时间由控制系统来控制。改造后系统由 NC 控制单元(计算机数字控制装置)、主轴和进给伺服单元以及相应的主轴电动 机和进给电动机，CRT 显示器，系统操作面板，机床操作面板，FO 接口板， 电池盒，手摇脉冲发生器等部件组成。数控车床为两轴联动的 CNC 机床，控 制单元及数字交流伺服驱动和主轴驱动的方案基本上满足数控车床要求。整 个电气控制系统由程序、输入输出设备、计算机数控装置、可编程逻辑控 制器及主轴、进给驱动装置组成。 2.2.1 数控系统选择 机床数控系统(CNC 系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的 不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产 效率提高得更为显著现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。 下面介绍市场上流行的数控系统。 1.德国 SIEMENS 公司 20 世纪 80 年代以来相继推出了 3 系统、810 系统、 820 系统、850 系统、880 系统、805 系统、840 系统及其全数字化的 840D 系统；以及还在中国市场推出了 802 系列数控系统。 2.日本发那科公司也是数控系统的主要生产厂家之一。自 1985 年以来 推出了 0 系统、15 系统、16 系统、18 系统。另外还在中国市场上推出了 0D 系统。 3.日本 FANUC 公司生产 MELDAS 系列数控系统。 4.法国 NUM 公司也是著名的数控系统生产厂家，它生产 1020/1040/1050/1060 系列数控系统。 5.国内如华中数控公司、广州数控设备厂等都配置有车床数控系统。他 们能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功能强 大等特点当前。数控系统选择应根据数控改造后要达到的精度、各种性能等 选择性价比合适的系统，避免系统功能过剩。本次采用德国 SIEMENS 公司数 控系统，SINUMERIK 802S base line 数控系统集成了所有的 CNC，PLC，HMI，IO 于一个单一的部件。 键入文字 第 7 页 共 59 页 2.2.2 数控系统类型的选择 1.步进电动机拖动的开环系统。该系统结构简单、调试维修方便、工作 可靠、成本低、易改装成功。 2.交直流伺服电动机拖动、光栅测量反馈的闭环数控系统。闭环系统 在结构上比开环系统复杂、成本也高，设计难度大，但可获得比开环系统更 高的精度、更快的速度、更大的驱动功率的特性指标。 3.交直流伺服电动机拖动、编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系 统精度比闭环系统低，但它的结构和凋试较闭环系统简单。整个控制系统采 用交流电动机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系统检测元件安 装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部 分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统精度低，但是它的结构与调试都 较闭环系统简单，本次设计适合选择这种方式。 程 序 输 入 输 出 CNC 计算 机数 字控 制装 置 PLC 可编 程序 控制 器 主轴 控制 速 度 控 制 主轴电动机 冷却 机床 换刀 润滑 进给电动机 图2-1 车床电气控制系统组成 2.3 控制系统各主要单元的功能 1.输入腧出设备主要用于零件程序的编制、输入、存储、打印、显示等。 西门子 802S 数控系统提供了简单的输入输出设备。 2.变频器是变频调速系统的核心设备，其实现对主轴的无级调速控制。 3.可编程逻辑控制器(PLCProgrammable Logical Controller)处于 CNC 装置和机床之间，对 CNC 装置和机床的输入、输出信号进行处理，用 PLC 程序代替以往的继电器线路，实现 M、S、T 功能的控制和译码。按照预 先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、转向、刀具的更换，工件的夹紧、松 键入文字 第 8 页 共 59 页 开，液压、气动、冷却、润滑系统的运行等进行控制。无反馈矢量控制方式 变频器实现无级调速及其主轴正反转。 键入文字 第 9 页 共 59 页 第3章 传动系统的设计 3.1 主传动系统的设计要求 1.主轴具有一定的转速和足够的转速范围、能够实现运动的开停、变速、 换向和制动，以满足机床的运动要求。 2.主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度， 以满足机床的动力要求。 3.主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性、热 变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。 4.结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。 3.2 主轴电机选用 3.2.1 最高和最低转速的确定 确定最高转速 nmax和最低转速 nmin的方法，主要是分析在所设计的机床 上可能进行的工序，从中选择要求最高、最低转速的典型工序。按照典型工 序的刀具切削速度和刀具(或工件)直径，由式(3-1)和(32)可计算出 nmax、nmin的范围。 nmax =1000vmax/dmin (1) nmin =1000 vmin/dmax (2) 式中的 vmax、vmin可根据切削用量手册查得，dmin 和 dman是指实际使用 情况下，采用 vmin或者 vmax时常用的经济加工直径，对于车床，一般取 dmax =KD；dmin =Rddmax 式中 D 为机床能加工的最大直径（mm） K 系数，对于车床 K=O5； R 为计算直径范围，通常 Rd=O.2-0.25。 根据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材半精车外圆时，主轴转速为最 高，对于回转直径为 400mm 的车床，参考切削用量材料，可取 vmax=400mmin，Rd=O25，则 dmax =KD=0.5x400=200mm dmin =Rddmax =0.25x200=500mm nmax =1000vmax/dmin =2546r/min 键入文字 第 10 页 共 59 页 根据分析，主轴最低转速由下面工序确定。用高速钢车刀，对铸铁材料 的盘形零件粗车端面。参考切削用量资料取 vmin =30m/min,则 nmin =1000 vmin/dmax =48r/min 结合实际情况，同时考虑今后的发展储备，最后确定 nmax=4500rmin，nmin =45 rmin。 3.2.2 主传动电动机功率的确定 确定主传动电动机的功率，应主要考虑这几方面：消耗于切削的功率， 又称有效功率；空载功率；各传动副的机械效率,由于在改造过程中保留了 主要的机械部件，旧部件的去除和新部件的添加，对主传动系统和进给系统 并未有太大影响，综合以上各方面考虑，新电机的功率要稍大于旧电机的功 率，就可满足要求。 根据实际情况选择 FANUC 的 P18911KW 电机作为主轴电机，主轴电 机通过三角皮带带动主轴，其转速范围为 45-4500rpm，实现无级调速，主 轴箱内部省去了齿轮传动变速机构，因此，减少了原齿轮传动对主轴精度的 影响，并且维修方便。其中 45-560rpm 为恒扭矩区，560-4500rpm 为恒 功率区，主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系如图 3-1 所示。当机床处 于连续运转的状态下，主轴的转速在 560-4500rpm 范围内，主轴应能传递电 动机的全部功率 11KW，为主轴的恒功率区域，在这个区域内，主轴的最大 输出转矩(15Kg.m)应随着主轴转速的增高而变小。主轴转速在