（电气工程专业论文）ck6125b数控车床的电气设计.pdf

西安理工大学工程硕士学位论文 t i t l e ：t h ee l e c t r i cd e s i g no fc n cl a t h ec k 6 12 5 b m a j o r ：e l e c t r i ce n g i n e e r i n g n a m e ：w e i s h ic u i s i g n a t u r e ：丝鲤幽j s u p e r v i s o r ：p r o f z h i m i n gc h e n p r o f r u n y u a nu a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a r k e te c o n o m i c so fc h i n a , t h ec o m p e t i t i o no fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lm a r k e t sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ya c u t e s i n c et h ec o n t o u ro fa c r e - p r o d u c ti s m o r ec o m p l e xg r a d u a n y , t h ew j t hh i g h e rp r e c i s i o na n dt h ed e m a n do fn cm a c h i n ei s m o d i f i c a t i o nh a sb e e na nr e s e a r c h i n gs u b j e c ti no u r c o m p a n yc u r r e n t l y t h ea u t h o rh a sp e r f o r m e dt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n da n a l y s i sf o rt h en cm a c h i n e m o d i f i c a t i o no nt h eb a s i so ft h ec o n s t a n tc o n s u l t a t i o no fa b u n d a n tr e l a t i v ed o c u m e n t s ，w h i c h f o c u s e so nd e s c n b i n gt h ed e s i g no fc o n t r o l s y s t c mo ft h em a c h i n e n cs y s t e mi s t h e c e n t r a l i z a t i o no ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ；t h ec n cs y s t e m , e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dt h e s e i v os y s t e mc a nb eo p e r a t e dc o o r d i n a t e l ya n du n i f o r m l yv i at h ed e s i g no fp r o g r a m m a b l e c o n t r o l l v rs oa st or e a l i z et h en c i ta l s od e s c n b e st h ec o n t e n ta n ds t e po ft h es y s t e m a d j u s t m e n to f t h ew h o l en cm a c h i n e ，w h i c hs y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e st h ep l cc o n t r o lp r o c e d u r e o fn cm a c h i n e ，a d j u s t m e n tp r o c e s so fc o o r d i n a t es e r v es y s t e ma n dt h em a c h l n e - l i n k e d o p e r a t i o nb a s e do nt h ed e s i g no fn cm o d i f i c a t i o n t h en cs y s t e mh a sb e e na d j u s t e da n d l o c a t e dt oo p t i m i z et h ew h o l ec o n t r o lo ft h eb y 删n s t i n gt h ep a r a m e t e r so fc n cm a c h i n e t h e s p e c i a lf u n c t i o n o ft h em a c h i n eh a sb e e nd e v e l o p e dt h r o u g hs e l e c t i n gi t ss t r o n ga nf u n c t i o nt o a n a l y z et h ei e a s 蚰o fe f f o rg e n e r a t e da n dt h eh a sb e e nm o d i f i e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：c n cm a c h i n e ；d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ；e l e c t r i cc o n t r o l ；t r a c kc o n t r o l 2 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：瞧鲎堕御年p 月冲日 学位论文使用授权声明 本人盥经! 蕴在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士f 硕士学位。本人作为学位沦文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二f 5 馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 做储躲靼缸翩妊陲递锄铀肼日 1 前言 1 刖青 随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，中， 小批量的生产越来越多。在机械、军工、航空工业，中、小批零件的生产几乎占产品数量 的7 5 - - 8 0 ，而且零件外形越来越复杂，精度要求也越来越高。传统的机床己不能满足 要求，柔性加工的重要性更加突出，数控技术相关装备的需求日益增大。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控 技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓 的数字化装备1 1 ，其技术范围覆盖很多领域： ( 1 ) 机械制造技术； ( 2 ) 信息处理、加工、传输技术； ( 3 ) 自动控制技术； ( 4 ) 伺服驱动技术； ( 5 ) 传感器技术； ( 6 ) 软件技术等。 本人作为京仪世纪公司机床分公司经理有必要对数控技术与我国装备行业的发展进 行一定的研究，以对我分公司的发展方向起到指导作用。以下是我的一点看法。 1 1 数控机床概述 数字控s f j ( n n m e r i c a lc o n t r o l 缩写为n q 简称为数控，是指用数字指令来控制一台或 多台设备的动作“1 。它所控制对象有以下几种： 1 、动作顺序的程序控制。 2 、主轴、坐标进给速度、更换刀具、开闭冷却液等辅助功能控制。 3 、有关部件位移量和相对位置关系的坐标控制。 数控技术是与机床的控制密切结合而发展起来的，通常把采用数控装置来实现自动化 和高效率加工的机床统称为数控机床。在实现加工合理化及高效率方面，数控机床与普通 机床相比具有许多优势，它突出地表现为： 1 、数控加工是用机械加工多品种，小批量生产的一种自动化手段。自动化程度高、 加工速度快是数控机床的突出特点。 2 、数控加工能保持加工条件不变，而使产品质量稳定。由于加工所的条件f 吃刀深 度、进给量、主轴转速、刀具等1 都己事先由指令规定，所以无论由谁操作都能得到同一 加工质量。 3 、数控加工极大地提高外形复杂零件的加工效率和加工精度。 4 、通过数控加工的零件，由于提高了工件与基准面相关尺寸的加工精度，有可能大大 提高零件装配的互换性，而提高装配质量和效率。 5 、由于加工时间固定，有利于管理，更进一步促使加工定量化，以达到生产管理的合 西安理工大擘工程硕士学位论文 理化、标准化。这为实现计算机管理生产乃至建立计算机集成制造系统都打下了坚实的基 础。 6 、由于操作技术被数据化后，熟练工人就可以减少。 7 、可以大幅度减少人为的操作失误，而降低废次品率。可以不问断地连续加工，从而 缩短了加工周期由于工夹具的标准化，减少了工夹具的需用量。 正是由于数控机床的这些特点，从本世纪五十年代以来，随着电子、计算机、自动控 制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，数控机床也在迅速发展和演变。世界上的 第一台数控机床是由美国在五十年代开发研制的，使用电子管元件。体积庞大。到六十年 代，由于半导体晶体管的开发应用，数控系统的可靠性提高、价格下降。七十年代随着中 小规模集成电路的应用并伴随着纸带传输系统的出现，大大提高了机床的加工效率及使用 的灵活性，也使数控机床日趋完善。八十年代以来，微处理器的发展与应用，数控技术也 迎来了计算机 数字控错l j ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l 缩写为c n c ) 时代，隧着微处理器的运算速度的 不断提高，数控机床的功能和应用范围也在不断的发展与扩大2 。从这些年数控机床的发 展可以看出，它正向着高精度、多功能、高速化。 1 、高精度化 当代工业产品对精度的要求越来越高，近十年来，普通数控机床的加工精度已由1 0 i l m 提高到5i im ，精密加工中心则从3 5i lm 提高到1 1 51 1m ，并且超精密加工精度已开 始进入纳米级( o 0 1um ) 。超精密加工机床在向更高精度( 纳米级) 发展的同时，也向高 效率、和大型化发展。与之相适应，在计算机技术发展的推动下，各种加工精度补偿技术 得到了应用和发展，机床结构材料也开始普遍采用各种性能稳定、温度影响小的新型材料， 如：花岗岩、精密陶瓷等，使得数控机床的各项精度越来越高。 2 、高速度化 提高生产效率是机床技术发展的永恒主题，这也表现在提高机床主轴的转速上。中等 规格的机加中心的最高转速为4 0 0 0 - 6 0 0 0 r p m ，到了九十年代，则达到8 0 0 0 1 2 0 0 0 r p m ；另一 方面，坐标轴的快速移动速度的提高，换刀时间和托盘交换时间等非切削时间的缩短，也 使机床的加工效率大幅提高 3 、高柔性化 当代产品的多样化和个性化，对机床提出了更高的柔性加工要求。如铣削加工中心可 以铣削、钻孔、攻丝等。这种将各种加工功能在一台机床上进行集成，均是为了在一台机 床上实现一次装夹就能完成对零件的不同加工要求，这充分展示了机床加工的柔性，并有 利于提高加工精度。 4 、高自动化 自动化是指在全部加工过程中，减少“人”的介入，而能自动地完成规定的任务。 传统的自动化往往与大批量生产联系在一起，使用大量的专用设备和组合机床。而目前 2 l 前言 可以通过数控机床和机械加工中心，既可在大批量生产中实现自动化，也可在小批量、 多品种产品生产中实现自动化加工。 5 、造型宜人化 好的数控机床不仅功能齐全、操作安全可靠、性能良好，而且要成为外观宜人和符合 操作人体学的一件艺术品。 6 、操作简单化 从l e d 显示到丌液晶显示，操作从按大量按钮到菜单选择甚至对话框操作使操作 越来越简单，显示信息越来越多、越来越明快。 7 、高可靠性 大规模集成电路及计算机的应用，使得数控机床越来越可靠。同时，数控机床的这些 特点也使得机床的数控化不仅从传统的铣、锉、车、钻一类切削机床，日益广泛地向磨床、 压力机等塑性加工机床、绘图机、气割机等特殊加工设备方面发展，也向柔性制造系统 ( f m s1 ，高速机床、专业机床发展。应用范围日益扩大。但是，数控机床毕竟是一种高自 动化的设备，技术复杂、成本较高，从其使用的经济效益出发，在目前阶段，特别是在我 国，仍多用于精度高、形状复杂的批量零件的加工。相信在不远的将来，随着数控技术的 发展，以数控机床为核心的柔性制造系统、无人工厂必将逐步取代现有的生产模式，成为 机加行业的主导力量。 1 2 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象 征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业( 打， 汽车、轻工、医疗等) 的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已 是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点 有以下几个方面。 1 2 1 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产 品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会( c 琢t ) 将其确定为2 1 世纪的中心研究方向 之一。 在轿车工业领域，年产3 0 万辆的生产节拍是4 0 秒辆，而且多品种加工是轿车装备 必须解决的重点问题之一。在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚 度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、 壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件 来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠 性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 西安理工大学工程硕士学位论文 从e m 0 2 0 0 1 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达8 0 m m i n ，甚至更高，空运 行速度可达1 0 0 m m i n 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已 经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国c i n c i n n a t i 公司的 h y p e r m a c h 机床进给速度最大达6 0 m m i n 。快速为1 0 0 m m i n ，加速度达2 9 ，主轴转速已 达蝴m i n 。加工一薄壁飞机零件，只用3 0 分钟，而同样的零件在一般高速铣床加工 需3 小时，在普通铣床加工需8 小时。德国d m g 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度 在加工精度方面，近1 0 年来，普通级数控机床的加工精度已由1 0 z m 提高到5 9 m ， 精密级加工中心则从3 s u m 。提高到1 1 和m ，并且超精密加工精度已开始进入纳米级 ( o 0 1 m m ) 在可靠性方面，国外数控装置的m t b f 值已达6 0 0 0 小时以上，伺服系统的m t b f 值达到3 0 0 0 0 小时以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发 展，应用领域进一步扩大。 1 2 2 五轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用五轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁 度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，一台五轴联动机床的效率可以等于二台三轴联 动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加 工可比三轴联动加工发挥更高的效益。但过去因五轴联动数控系统、主机结构复杂等原因， 其价格要比三轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了五轴联动机床的 发展。 当前由于电主轴的出现。使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制 造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型五轴联 动机床和复合加工机床( 含五面加工机床) 的发展。 在e m 0 2 0 0 1 展会上，新日本工机的5 面加工机床采用复合主轴头，可实现4 个垂直 平面的加工和任意角度的加工，使得5 面加工和5 轴加工可在同一台机床上实现，还可实 现倾斜面和倒锥孔的加工。德国d m g 公司展出d m u v o u t i o n 系列加工中心，可在一次装 夹下5 面加工和5 轴联动加工，可由c i q c 系统控制或a 蛐y c a m 直接或间接控制。 1 2 3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 2 1 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的 各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参 数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化。如前馈控制、电机参数的自适应 运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智 能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统 4 1 前言 的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的闯题。目前许多 国家对开放式数控系统进行研究，如美国的n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o n w o r k - s t a t i o n m a c h i n ec o n t r 0 1 ) 、欧盟的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l w i t h i n a u t o m a t i o ns y s t e m s ) 、日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) ，中 国的o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 等。数控系统开放化已经成为数控系统的未 来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂 家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系列化，并可方便地 将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式 数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。 目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统 功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将 极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏 捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司 都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在e m 0 2 0 0 1 展中，日本山崎马扎克( m a z a k ) 公司展出的“c y b e r p r o d u c t i o nc e n t e r ( 智能生产控制中心，简称c p c ) ：日本大限( o k u m a ) 机床公司展出“i tp l a z a ( 信息技术广场，简称1 1 r 广场) ；德国西门子( s i 锄锄s 忪司展出 的o p e nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ( 开放制造环境，简称o m e ) 等，反映了数控机床加 工向网络化方向发展的趋势。 1 2 4 重视新技术标准、规范的建立 a 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧盟 和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范( o m a c 、 o s a c a 、o s e c ) 的研究和制定，世界3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学 计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2 0 0 0 年也开始 进行中国的o n c 数控系统的规范框架的研究和制定。 b 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势l a l e 数控技术诞生后的5 0 年阃的信息交换 都是基于1 s 0 6 9 8 3 标准，即采用g ，m 代码描述如何加工，其本质特征是面向加工过程， 显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定 一种新的c n c 系统标准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - - n c ) ，其目的是提供一种不依赖于具体系统的 中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至 各个工业领域产品信息的标准化。 s t e p n c 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制 5 西安理工大学工程硕士学位论文 造业，将产生深远的影响。首先，s t e p n c 提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念 中，n c 加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，n c 程序可以分散在互联网上， 这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，s t e p n c 数控系统还可大大减少加 工图纸( 约7 5 ) 、加工程序编制时间( 约3 5 ) 和加工时间( 约5 0 ) 。 目前，欧美国家非常重视s t e p - n c 的研究，欧洲发起了s t e p n c 的i m s 计划 ( 1 9 9 9 1 1 2 0 0 1 1 2 3 1 ) 。参加这项计划的有来自欧洲和日本的2 0 个 c a d c a m c a p p c n c 用户、厂商和学术机构。美国的s t e pt o o l s 公司是全球范围内制 造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型( s u p e r m o d e l ) ，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配 备了s 伍n s 、f i d i a 以及欧洲o s a c a - n c 数控系统的原型样机上进行了验证。 1 3 京仪世纪公司数控机床产品概况与开发c k 6 1 2 5 b 数控车床的意义 京仪世纪公司是我国生产万能工具铣床的骨干企业，创建几十年来，先后设计、试制、 改进改型了近3 0 种机床产品。从八十年代末期，公司开始在机床应用数控技术，1 9 8 8 年 从意大利引进了r u 8 0 0 数控万能工具铣床，并陆续设计开发了经济型数控万能工具铣床 x k 8 1 3 0 a 、x k 8 1 3 2 ，数控万能工具铣床) a 礴1 4 0 a 、) 【l 黼1 0 2 、x i ( 7 1 3 2 ，娼1 7 0 ；加工中 心x h 7 1 4 、d m l 0 0 7 、x h 7 1 3 2 ：数控车床c k 6 1 1 0 、c k 6 1 1 0 a 、c k 6 1 2 5 、c k 6 1 2 5 a 、c k 6 1 2 5 b 等一系列产品，扩大了公司市场产品覆盖面，增加了公司的经济效益。也为京仪公司在国 际国内机床市场赢得了一席之地。 近几年来，在国内航空、军工、轻工业及机械制造业，机械加工中己大量使用数控 机床、数控加工中心、柔性制造系统等自动化设备，就京仪公司的现状而言，我公司系 统分析了近年来年来市场变化，决定大力发展经济型数控车床。因此，我厂在c k 6 1 2 5 的基础上开发c k 6 1 2 5 b 作为主打产品。 c k 6 1 2 5 b 数控车床是我厂为扩大在珠三角与长三角我国两大经济区内为数众多的民 营、私营中小型加工制造业企业所开发的经济型数控车床，电气设计的目标是满足这类企 业对机床电气高可靠性，高稳定型，电气使用寿命长等要求。通过此次设计机床的性能也 有7 一定提高，主轴采用伺服系统能使主轴由原来c k 6 1 2 5 的最高3 0 0 0 r r a i n 提高到 6 0 0 0 r r a i n ，各轴进给速度可达8 m m i n ，可实现可变螺纹切削，刚性攻丝。此机床基本型 在成本上可比国内同类机床降低1 0 1 5 。因此，此机床在价格上有一定竞争优势。 正是在这种背景下，本人承担了c k 6 1 2 5 b 电气部分的设计，以此设计作为本人论文 的课题。此论文也作为对c k 6 1 2 5 b 数控车床电气设计工作以及我本人从事数控机床电气 设计工作十余年之心得的总结，也希望对我厂数控机床产品的电气设计与开发能起到一定 的指导作用。 1 4c k 6 1 2 5 b 数控车床简介 c k 6 1 2 5 b 数控车床是我厂为了适应市场需要，而开发的一种数控车床。特别适合于 g 1 前言 盘、套、短轴类零件高效、精密加工。机床床身4 5 度后斜置，便于排屑及观察加工状态。 x 、z 向导轨采用预负荷直线滚动导轨，主要支承采用预负荷精密角接触球轴承，主传动 及进给传动系统均采用无间隙联结方式。机床采用动力( 液压或气动) 夹盘，尾坐的定位 夹紧及套筒移动均采用自动方式，可以使工件快速夹紧，动作简捷，可以满足快速，高转 速，精密的切削要求。 机床配置六工位电动刀架，也可配置其它规格电动刀架。机床采用全封闭防护，设计 紧凑，占地面积小。滚动直线导轨副，滚动丝杠副均采用自动周期润滑，使日常的维护保 养简单方便。机床数控采用交流全数字式伺服系统，主轴驱动采用交流全数字式伺服系统 或交流变频调速系统，可实现恒线速切削。 机床主要技术参数 最大夹持直径2 5 0 m m 三向行程 x 向坐标 2 0 0 m m z 向坐标3 5 0 m m 主轴转速0 - 6 0 0 0 r m i n ( 伺服主轴) 5 0 4 5 0 0 r m i n ( 交频主轴) 进给速度、z ) 8 m m i n 电机功率 主轴电机功率5 5 k w x 向进给电机0 5 k w z 向进给电机1 k w 位置精度 重复定位精度x ：0 0 0 4 n l n lz ：o 0 0 4 n l l n 定位精度 x ：0 0 0 6 1 1 1 1 1 1z ：0 0 0 6 m m 机床主要功能： 可直线插补，圆弧插补。螺纹切削，可变螺纹切削，刚性攻丝。刀具偏置，刀具补偿， 快速换刀。可在自动坐标系、机械坐标系、工件坐标系、局部坐标系中切换。反向间隙补 偿，螺距误差补偿等功能。 1 。5 机床电气系统设计方案 机床电气系统是控制机床各部分的工作，协调完成机床加工任务的核心部分，它由大 量继电器构成复杂的逻辑控制电路，通过接受由操作面板及机床各部分位置开关传来的信 号经硬件逻辑运算，确定并控制机床的状态。从功能上可分为： 对主轴的控制。 各个坐标轴的控制，包括各坐标轴伺服电机速度、位置控制。 刀具库( 对于数控车床指电动刀架) 、润滑系统、冷却系统、液压系统等辅助功能的 7 西安理工大擘工程硕士学位论文 控制。 c k 6 1 2 5 b 数控车床型数控系统采用三菱e z m o t i o n n ce 6 0 数控系统，主轴可根据用 户需要选配变频主轴或伺服主轴，选用伺服主轴时采用三菱s p j 2 系列主轴伺服全数字交 流伺服驱动器与三菱s j p f 系列主轴伺服电机，如用户选用变频主轴时采用5 5 k w 变频 电机与三菱e 5 加系列7 5 k w 变频器。本论文中所涉及主轴部分均为伺服主轴。进给伺 服系统均采用三菱s v j 2 系列全数字交流伺服驱动器与三菱h c 系列伺服电机。 机床选用德国s a u t e r 六或八工位电动刀架。标准配置位六工位电动刀架。 1 6g k 6 12 5 b 数控车床的电气系统的设计及调试步骤 c k 6 1 2 5 b 数控车床的电气系统的设计它包括电气原理图设计，控制柜、接线图设计， 计算电机扭矩，选定电机，确定各坐标位置反馈方式，数控系统的安装调试。根据数控 系统的特点和机床的要求，调整系统机床参数，使数控系统正常可靠地工作，确定可编 程控制器输入输出点数，设计接口电路完成可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r 缩写为p ie ) 的设计。使数控系统、伺服系统与机床其他部分之间协调一致工 作。再利用检测工具对机床各轴动轨迹进行测量并利用数控系统的补偿功能对其进行误 差补偿。众所周知数控机床的优劣取决于其精度指标，其中几何精度、定位精度及工作 精度三项。机床的几何精度主要靠工件加工母机的精度及装配过程中人工刮研的方法来 解决，保证坐标轴之间，坐标轴与主轴之间的平行度、垂直度精度要求符合机床的设计 指标。定位精度和重复定位精度是c n c 所发生的定位指令与执行元件反馈指令的误差， 误差越小定位精度越高。本机床作为半闭环伺服系统中，由于丝杠螺距、传动链的误差 存在，机床的反向间隙较大，主要靠数控系统的反向间隙补偿和丝杠螺距补偿来实现。 现代c n c 系统为提高定位精度，较之过去采用高分辨率的编码器，传动链采用无键连接 的无间隙连接等项措施，使控制精度得以提高。但由于反向间隙是随机的，任意一点的 反向均有不同。这样，问隙的补偿就存在一定困难，一般采取取平均值方法。在补偿过 程中运用了圆周补偿功能。当我们在加工一个圆的时候，) 【z 坐标要在四个象限内运行。 当过象限的时候，肯定要有一个坐标的速度由正变负，或由负变正由于摩擦或机械特 性改变，动态响应跟不上，在过零点的时候，会产生停滞。这样会加工出内凹或外凸的 圆。根据误差出现在圆周上出现的位置不同，通过圆周补偿时间常数、加速度、增益的 调整，可以来校正这种内凹或外凸的误差，而不需改造机床的基本结构。 通过比较数控系统的功能之后，本机床选用三菱e z m o t i o n n ce 6 0 数控系统。进给 伺服系统均采用三菱m d s b - s v j 2 系列全数字交流伺服驱动器与三菱h c 系列伺服电机。 c k 6 1 2 5 b 数控车床的电气系统的设计及调试完成分五步完成： 第一步，根据c k 6 1 2 5 b 数控车床机械运动要求及其辅助动作，确定控制对象并对数 控系统进行选型。根据数控系统电气外特性及控制对象设计电气原理图。根据电气原理 图及控制对象的电气性能选择电气元件。 第二步，对机床电气系统进行安装。 b 1 前言 第三步，在安装完成后进行通电调试。根据c k 6 1 2 5 b 数控车床机械运动要求及其辅 助动作要求完成p t c ( 可编程逻辑控制器p r o g r a m m a b l eb g i cc o n t r o l l e r 缩写为p l c ) 梯形 图的编制和机床参数的初步设定。 第四步，当通电调试完成后，机床试运用，根据机床试运行情况对机床p l c 及机床 参数进行进一步调整，以达到c k 6 1 2 5 b 数控车床机械运动要求及其辅助动作要求。 第五步，使用检测工具对机床各轴动轨迹进行测量，分析误差产生的原因，并利用 数控系统其强大的补偿功能，对机床进行误差补偿将机床的精度再提高一个档次。 1 7 本课题研究的内容及技术难点 本课题所研究内容均为在电气系统的设计及调试过程中涉及之内容 1 c k 6 1 2 5 b 数控车床数控系统的选择。 2 进给伺服系统与控制方式的选择，伺服系统选用全数字式交流伺服驱动器及交流 伺服电机，利用检测与反馈装置迸行位置控制。 3 交流伺服驱动系统和c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，计算机数控化) 控制的 基本工作原理。 4 主轴伺服系统与控制方式的选择。 5 机床所有强电回路电气设计及选型。 6 机床辅助功能i o 接口设计与机床辅助功能装置的电路设计。 7 数控机床控制技术的发展趋势与研究方向。 本课题具有以下难点： 1 发挥现代先进的c n c 技术来弥补机床机械结构中的不足。 2 通过c n c 技术对机床的性能进行优化。 3 通过机床用p l c 的编制满足机械设计要求的功能和电气设计中的安全保护及机床 的安全防护。 因此，本课题有许多新的技术难题需要研究解决。相信通过本课题研究实旌，不但 可有效提高该机床加工范围及零件加工精度，极大地提高机床生产效率。在合理使用机 床，提高工厂产品素质方面，也具有其切实的现实意义。 1 80 k 6 1 2 5 b 数控车床的电气系统设计之预期目标 c k 6 1 2 5 b 数控车床是我厂为扩大在珠三角与长三角我国两大经济区内为数众多的民 营、私营中小型加工制造业企业所开发的经济型数控车床，电气设计的目标是满足这类 企业对机床电气高可靠性，高稳定型，电气使用寿命长等要求。通过此次设计机床的性 能也有了一定提高，主轴采用伺服系统能使主轴由原来的最高3 0 0 0 r m i n 提高到 6 0 0 0 r r a i n ，各轴进给速度可达8 m r a i n ，可实现可变螺纹切削，刚性攻丝。此机床基本型 在成本上可比国内同类机床降低1 0 1 5 。因此，此机床在价格上有一定竞争优势。 该学位论文作为对c k 6 1 2 5 b 数控车床电气设计工作以及我本人从事数控机床电气设 9 西安理工大学工程硕士学位论文 计工作十余年之心得的总结，也希望对我厂数控机床产品的电气设计与开发能起到一定 的指导作用。 1 0 2c k 6 1 2 5 b 数控车床电气控制系统设计 20 k 6 12 5 b 数控车床电气控制系统设计 数控机床的电气控制主要由数控系统( c n c ) 、伺服系统及机床强电控制等几大部分 组成。c k 6 1 2 5 b 数控车床的电气设计也就是围绕这几大部分进行设计。 2 10 k 6 12 5 b 数控车床数控系统的选择 数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序进行机械零件的加工。数控系 统是由程序输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程序控制器( p i c ) 、主轴驱动装 置和进给驱动装置等组成的一个系统，习惯上又称为c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统i a | oc n c 主要工作内容为加工程序输入、译码、刀具补偿、迸给速度处理、插补、 位置控制、i o 处理、显示机床状态和诊断。现代c n c 装置采用了高速微处理器、高效 c n c 体统专用p l c 、大容量存储器、接口芯片、串行总线等，通过c n c 内嵌软件实现过 去难以实现的许多功能，更加便于适应现代数控机床的复杂控制要求，适应柔性制造系统 ( f m s ) 和计算机集成制造系统( c 江s ) 的要求。 可编程逻 l 程序h 输入设备卜 计算机 +辑控制器 ( p i c ) 机床 数字控制 主轴控制单元 装置( 主轴伺服驱动器) 主轴伺服电机 与 ( c n c )进给控材单元 ( 进给伺服驱动器) 进给伺服电机 输出设备1 一 i 位置检测装置 图2 一lc n c 系统框图 f i g2 - 1c n cs y s t e mb l o c kd i a g r a m 如图2 - 1 c n c 系统框图，但各个系统厂商的c n c 系统结构各有不同，但基本原理大 体一样。 一 c k 6 1 2 5 b 数控车床是我厂为扩大在珠三角与长三角我国两大经济区内为数众多的民 营、私营中小型加工制造业企业所开发的经济型数控车床，电气设计的目标是满足这类 企业对机床电气高可靠性，高稳定型，电气使用寿命长等要求。因此，c k 6 1 2 5 b 选用的 数控系统首要应具有的优点是高经济性也就是高性能价格比，其次此数控系统也应具有 高度的通用性、比较丰富的数控功能、高可靠性、维修简单方便、系统结构紧凑高集成 度、操作方便易学等优点。 依照c k 6 1 2 5 b 数控车床的市场定位，本项目选择了日本三菱e z m o t i o n n ce 6 0 数 1 卫 爵安理工大学工程磺士学位论文 控系统。 e z m o t i o n n ce 6 0 数控系统安装了“位c p u ，以提高其处理速度和精度控制能力 以确保高速、高效加工以缩短加工时间，提高加工精度。并有伺服自动调整，同期攻丝， 字编辑，图形跟踪和p l c 接口诊断等功能，提高了可操作性和可监视性。 e z m o t i o u n c e 6 0 数控系统( 车床系统) 基本规格： 最大控制轴数5 个 最大l q c 轴数3 个( 基本：2 轴x ，z ) 最大主轴数1 个 最大p l c 轴数1 个 同时控制轴数3 个 内藏p l c 最大阶段数4 0 0 0 段 ! o 点数 机床输入李翕出2 5 6 2 4 0 点，标准配备模拟输出1 点 操作面板1 2 8 9 6 点 根据e z m o t i o n - n ce 6 0 数控系统( 车床系统) 的基本规格，三菱e 6 0 系统以满足 c k 6 1 2 5 b 数控车床对数控系统的要求。 e z m o t i o n - n ce 6 0 数控系统具备以下优点： 6 4 位c p u 。 采用小型伺服电机和高分辨率编码器( 1 3 1 0 7 2 脉冲转) 。 使用自动调谐系统，便于伺服设定，实现伺服调整的简易化。 使用m e l s e c 通用p l c 开发工具( o xd e v e l o p e r 改善p l c 开发过程) 。 采用紧凑的c n c 机体( 面板结构) 和伺服驱动器，伺服驱动器通过总线与。屺连 接，进行数据交换实现位置控制。 2 2 三菱e z m o t i o n - n ce 6 0 数控系统o n 0 工作原理 在设计之前应对所选用数控系统c n c 的工作方式有一定的了解，这样才能更好的对 机床电气部分进行设计，以充分发挥数控系统的功能，达到理想的设计结果。 三菱e z m o t i o n n ce 6 0c n c 工作方式可用一框图表示：如图2 2 所示 2c k 6 1 2 5 b 数控车床电气控制系统设计 图2 - 2 三菱e z m o t i o n - n ce 6 0c i q c 工作方式框图 f i g2 - 2e 6 0c n co p e r a t i n gm o d b l o c kd i a g 】r a m 根据机床控制的要求，充分利用三菱e 6 0 系统的结构特点，进行了整个控制系统的 总体结构设计。在设计中，尽量利用系统所提供的各项功能，简化外围控制线路，提高 了整个系统的稳定性和可靠性。 三菱e 6 0 数控系统基本可分成n c 单元、机床操作及电气控制系统，伺服控制系统 等几个重要部分。工作方式框图如图2 2 。从图中可以看出，n c 单元包括“位c p u 及 内嵌p l c 等。它承担了运算、操作显示、与外设通讯、数据存储、逻辑控制等重要任务。 是整个数控系统的核心。其中内嵌p l c 是n c 系统与外部协调工作的一个重要逻辑控制 部分，其通过内部总线接收n c 的指令或向其传送信息。p l c 将接收的n c 指令通过帕 对机床进行控制。机床操作面板接收的机床操作指令通过加将控制指令传送至p l c ， p l c 处理后将指令传送至n c 进行处理。p l c 根据其内部又用户所编辑的梯形图对机床 进行逻辑控制。因此正是通过p l c ，使n c 、伺服系统及机床等个个部分形成一个有机的 整体。在e 6 0 数控系统中，n c 单元通过总线对机床伺服系统进行控制，实现对各个坐标 1 3 西安理工大学工程硕士学位论文 轴和主轴进行控制，以达到数控加工的目的。 2 3 机床进给伺服系统的设计 2 。3 1 机床进给伺服系统概述 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c n c 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。 为确保机床的加工精度和效率，伺服系统应具备五个关键的性能指标，用五个字表示 即；稳、准、快、宽、足陆。