毕业设计(论文)说明书数控机床的电气系统设计.doc

毕业设计用纸中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。ck6140数控车床，对其电气系统设计是尤为重要的，其内容包括强电设计、弱电设计、plc输入输出及接口设计，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；主电路；控制电路；plc控制；电气原理图abstractthe 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.ck6140 nc lathe, as to its the electricity system design make is important, its contents includes a strong electrically design, weakness design, plc importation output and interface design, draw the electricity system principle diagram of a the whole tool machine etc.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.keywords: nc system; nc lathe; main circuit; control circuit; plc control; electric principle charts目录中文摘要1abstract2第一章 绪论51.1 引言51.2 数控机床概述51.3 数控技术的发展趋势61.4 ck6140数控车床主简介7第二章 数控车床基本组成和工作原理82.1 数控车床组成82.2 数控车床工作原理92.3 ck6140数控车床运动分析102.4 ck6140数控车床电气系统简述11第三章ck6140数控车床主轴驱动系统143.1主轴驱动系统概述143.2变频器电动机主轴驱动装置15第四章ck6140数控车床进给伺服系统设计184.1 机床进给伺服系统概述184.2 ck6140数控车床对伺服驱动进给系统的要求184.3 进给伺服系统的选型与控制原理194.4 伺服电机的选型20第五章 ck6140数控车床辅助系统设计215.1 ck6140数控车床辅助系统概述215.2 刀架传动系统设计215.3冷却系统的设计235.4液压系统设计24第六章 常用电器元件的选型256.1 低压电器选型的一般原则256.2 断路器的选型256.3 电动机保护用自动开关的选型256.4 熔断器选型266.5 接触器的选型266.6 热继电器的选型26第七章ck6140数控车床控制面板设计277.1数控车床控制面板概述277.2软件操作界面28第八章控制系统设计318.1 ck6140数控车床数控系统选型318.2 fanuc 0i mate 硬件连接简要说明328.3 fanuc 0i mate电源装置348.4 fanuc 0i mate数控系统的综合连接35第九章 可编程控制器（plc）的设计369.1可编程控制器概述369.2 plc选型及i/o接线图379.3 plc输入/输出与通信接口38第十章 结论41参 考 文 献42附录a：强电控制电路图43附录 b：电源电路图44附录 c：系统电路图45致 谢46第一章 绪论1.1 引言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75%80%，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，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。1.2 数控机床概述数字控制(numerical control缩写为nc)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。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(吃刀深度、进给量、主轴转速、刀具等)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。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制(computer numerical control缩写为cnc)时代，随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。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。1.3 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（it、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。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的mtbf值已达6000小时以上，伺服系统的mtbf值达到30000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。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。21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、方便系统的诊断及维修等。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。1.4 ck6140数控车床主简介不同制造厂商制造的cka6140数控车床选用fanuc otd，fanuc 0i-mate tc，fanuc 0i-ta，fanuc 0i-tb、安川j50l、siemens 802d，fagor 8025t，fagor 8055t等世界知名公司的数控系统。本次设计的cka6140数控车床采用fanuc 0i-mate数控装置；fanuc通用变频器主轴变速；svm1-20进给驱动装置等数控系统。 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fanuc 0i-mate。 第二章 数控车床基本组成和工作原理2.1 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。如下图是数控车床的组成框图。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、机床本体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。2.2 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 1102.3 ck6140数控车床运动分析数控车床的运动系统包括，主轴驱动系统，对主轴的控制，进给系统，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控制。1、主运动传动数控车床的主运动传动链的两端部件是主电动机与主轴，它的功能是把动力源（电动机）的运动及动力传递给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动，并满足数控车床主轴变速和换向的要求。主运动传动由交流主轴电动机配备变频器实现无级变速调速。2、进给运动传动 进给运动传动是指机床上驱动刀架实现纵向（z向）和横向（x向）运动的进给传动，在ck6140车床上，各轴都由交流流伺服电动机直接驱动。3、刀架传动刀架运动是指实现刀架上刀架的转动和刀架的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换。刀架运动是由换刀交流电动机实现的。4、冷却系统数控机床的冷却系统主要包括用于在切削过程中的冷却刀具和工件，同时也起冲屑作用，由冷却泵实现。5、液压系统ck6140数控车床液压系统主要进行主轴变速换挡，中心跟刀架电机排屑器6、润滑系统ck6140数控车床中的润滑系统为对机床导轨、滚珠丝杠等的润滑。润滑形式有电动间歇润滑泵和定量式集中润滑泵。7、尾座 数控车床尾座一般是在加工时对工件起辅助支撑作用，它由尾座体和尾座套筒两部分组成。尾座体可在床身上移动和固定。尾座套筒前安装顶针，套筒可以自动伸出和缩回，实现顶尖对工件的支撑作用。2.4 ck6140数控车床电气系统简述cka6140数控卧式车床的电气控制系统是由cnc主控制装置、交流伺服驱动系统、主轴系统、强电控制部分等构成。cnc主控制装置以及伺服驱动装置，采用日本fanuc公司的产品，使机床性能价格比十分优越；主轴系统采用日本fanuc变频器主轴变速，方便灵活。机床电气控制系统框图如图2-1所示。 图2-1 ck6140数控车床电气控制系统框图(1)机床电气容量及要求 电源总容量：24kva 满载电流：34a 电源总熔断电流：40a 防护等级：ip54 (2)机床电气主要技术要求 机床供电电源要求采用三相四线制，380v 50hz交流电。三根相线（ll，l2，l3）和一根中性线(n)均从电柜底部引入电气柜内电盘上的主接线板ll，l2，l3和pe端子上，出厂前pe和n端子已联接，只要将供电电源中性线接在pe端上即可。供电电源的电缆或电线的截面积应采用不小于6mm2导电率高的铜线。保护地线还必须与机床所设置的专用接地螺钉牢固、可靠地连接，接地电阻r10。如有三相五线制的用户，应把供电电源引接在端子上，将接线板上的pe和n的连线分开，分别接在五线制中的pe和n端子上。 （3）机床电气的构成 1）数控系统cnc 日本fanuc公司：fanuc oi mate 2）伺服驱动装置及伺服电动机x轴：-svm1-20伺服驱动装置 ac12/2000 伺服电动机z轴：-svm1-20伺服驱动装置 ac12/2000 伺服电动机本伺服电动机配有绝对值编码器，在加工过程中有断电保护功能x轴：理论最大进给速度6000m/min。z轴：理论最大进给速度8000m/min。3）强电控制单元主轴电动机m1：7.5kw 1000r/min 变频电动机刀台电动机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控制变压器tc1：交流380v/220v/24v/26v/28v 630va。主要为控制回路和冷却风扇提供220v电源；为整流桥提供26v交流电源；为稳压电源gs1提供220v交流输入稳压电源gs1：为控制回路提供稳定的220v交流。控制变压器tc2：交流380v/220v 2200va。主要为稳压电源gs2、伺服驱动装置和伺服电动机提供220v交流。稳压电源gs2：主要为cnc装置、lcd/mdi、i/o link、plc i/o、伺服驱动装置等提供24v稳定的直流电源。接触器构成该车床电气输出执行元件；继电器构成该车床电气输出放大元件；各种压力开关、防护开关、脚踏开关、按钮等构成该车床电气输入元件。5）保护接地 本车床接地系统如图2-2所示。 图2-2 cka6150数控车床接地系统 电柜与车床接地线用6mm2黄绿双色线；电柜与其它部件接地线用13mm2黄绿双色线。 第三章ck6140数控车床主轴驱动系统3.1主轴驱动系统概述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。本课题数控车床主轴驱动系统采用交流主轴电动机配备变频器控制的方式。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。主轴电动机选型的一般要求：1.调速为了适应不同工件材料及刀具等各种切削工艺要求，主轴必须具有一定的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。调速范围的指标，主要由各种加工工艺对主轴最低速与最高速的要求来确定。2.功率要求主轴有足够的驱动功率或输出扭矩，能在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或转矩，特别是满足机床强力切削时的要求。并且有一定的过载能力和较硬的调速机械特性，即在负载变化的情况下（如断续切削时），电动机转速波动较小。即要求在大力矩、强过载能力的基础上实现宽范围无级变速3.精度这里主要指主轴回转精度。并具有足够的刚度和抗振性，具在较好的热稳定性，即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小。4.动态响应性要求主轴升降速时间短，调速时运转平稳。对有的机床需同时能实现正反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制，即要求有四象限驱动能力。主轴电动机选型：查机电一体化手册车削功率在5-8kw之间根据切削功率pc与主传动链的总效率估算,即p=。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6.41kw10.25kw.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pc=kw-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合金结构钢为例，数控车床有代表型的主切削力的切向分力大约在2500左右，切削速度取90250r/min，则知道 pc=2500120/60000=5kwp=6.4kw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7.5kw的电动机，考虑到数控机床变速范围比较大，选用交流变频电动机tld12-yvp112，标称功率7.5kw，额定转矩60nm 。3.2变频器电动机主轴驱动装置主轴系统主要由主轴驱动装置及主轴电动机组成。fanuc 0i mate数控装置提供了模拟主轴和串行主轴接口供用户选择。当用户选择模拟主轴时，一般选用通用变频器作为主轴驱动装置；当用户选择串行主轴时，fanuc 0i mate数控系统提供了spm系列专用主轴驱动装置。 本机床采用通用变频器作为主轴驱动装置。（1）变频器的工作原理：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（vvvf变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为igbt三相桥式逆变器，且输出为pwm波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。（2）变频器的调速：基于调速方便、节能、运行可靠的优点，变频调速器已逐渐替代传统的变极调速、电磁调速和调压调速方式。在推出pwm磁通矢量控制的变频器数年后，1998年末又出现采用dtc控制技术的变频器。abb公司的acs600系列是第一代采用dtc技术的变频器，它能够用开环方式对转速和转矩进行准确控制，而且动态和静态指标已优于pwm闭环控制指标。直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。该模型每隔25s产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，以确定最佳开关位置。由此可以看出它是通过对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。本机床采用通用fanuc通用变频器作为主轴驱动装置。fanuc通用变频器各端子功能如图31所示。图3-1 fanuc通用变频器接线端子说明变频器控制端子说明： stf：正转启动。当stf信号on时为正转，off时为停止指令。 str：反转启动。当str信号on时为反转，off时为停止指令。 rh、rm、rl：多段数选择。可根据端子rh、rm、rl信号的短路组合，进行多段速度的选择。根据输入端子功能的选择（pr.60pr.63）可改变端子的功能。sd：接点（端子stf、str、rh、rm、rl）输入的公共端子。10：频率设定用电源，dc5v，允许负荷电流为10ma。2：频率设定（电压信号）。输入dc05v（010v）时，输出成比例：输入5v（10v）时，输出为最高频率。5v/10v切换用pr.73“05v，010v选择”进行。5：频率设定公共输入端。如图3-2所示，采用三相交流380v电源供电；速度指令由0、l脚输入(在数控车床上一般由数控装置或plc的模拟量输出接口输入)，指令电压范围是0-10v；主轴电动机的启动/停止以及旋转方向由继电器ka1、ka2控制，当ka1闭合时电动机正转，当ka2闭合时电动机反转，若ka1、ka2同时都断开或闭合则电动机停止，也可以定义为ka1控制电动机的启动和停止，ka2控制电动机的旋转方向。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电压，控制电动机旋转。图3-2变频器主轴伺服驱动图第四章ck6140数控车床进给伺服系统设计4.1 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 ck6140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（目前进给伺服系统的分辨率可达到1m或0.1m，甚至0.01m），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。4.3 进给伺服系统的选型与控制原理进给伺服系统主要由各轴进给伺服驱动装置及其伺服电动机组成。伺服驱动装置接受从主控制单元发出的进给速度和位移指令信号，作一定的转换和放大后，驱动伺服电电动机，从而通过机械传动机构，驱动机床的执行部件实现精确的工作进给和快速移动。 fanuc的系列伺服驱动装置主要分为svm、svmhv两种，其中svm型的一个驱动装置最多可带三个伺服轴，而svmhv型的一个单独驱动装置最多可带两个伺服轴。而且根据不同的cnc装置使用不同的接口类型。fanuc伺服驱动装置的型号参数 伺服驱动装置的型号参数如下所示。 svm口-口口口 口 型号 轴数，1：1轴伺服；2：2轴伺服；3：3轴伺服 第一轴最大电流； 第二轴最大电流； 第三轴最大电流； 输入电压，“无”=200v，hv=400v。4.4 伺服电机的选型fanuc 0i mate系统是高性价比高可靠性的cnc系统，它可以配置 fanuc 公司的、c和系列的伺服电机、一般来说 fanuc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 4-2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4-2 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第五章 ck6140数控车床辅助系统设计5.1 ck6140数控车床辅助系统概述1、刀架传动系统刀架运动是指实现刀架上刀架的转动和刀架的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换。刀架运动是由换刀交流电动机实现的。2、冷却系统数控机床的冷却系统主要包括用于在切削过程中的冷却刀具和工件，同时也起冲屑作用，由冷却泵实现。3、液压系统ck6140数控车床液压系统主要进行主轴变速换挡，中心跟刀架电机排屑器5.2 刀架传动系统设计刀具自动交换装置可分为两种，即转塔式和刀库式。转塔式刀具交换装置又分为回转刀架和转塔头。回转刀架主要应用于数控车床和数控车削加工中心，转塔头主要应用于数控钻、镗、铣床中。刀库式刀具交换装置又分为刀具与主轴之间直接换刀和用机械手配合刀具库换刀。刀库式刀具交换装置广泛应用于各类加工中心中，刀具与主轴之间直接换刀与用机械手配合刀具库换刀其主要区分在于刀库的容量不同，用机械手配合刀具库换刀装置的容量较大，而刀具与主轴之间直接换刀的刀库容量受限。它们只是机械运动的方式不同。刀库的选择主要根据机床加工工艺范围和机床的特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型。ck6140数控车床，作为普通型数控车床根据其加工工艺选用四工位电动刀架。刀架的转位控制数控程序中的t指令来控制刀架的旋转。数控车床的刀架是车床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一 定程度上，刀架的结构和性能体现了车床的设计和制造技术水平，所以有如下要求： (1)转位准确可靠，工作平稳安全； (2)按最短线路就近选择，转位时间短； (3)重复定位精度高； (4)防水、防屑，密封性能优良； (5)夹紧刚性高，适宜重负荷切削。ck6140数控车床电动刀架的选择合理与否，直接关系到机床的加工效率与可靠性。因此在选型时应进行最优化选择。本机床选择德国sauter公司生产的4工位电动刀架有以下几方面考虑。1、sauter刀架的精度高sauter刀架的定位精度为2m，重复定位精度为0.8m（即：半径100mm前提下，圆周上摆动的弧长值为：定位精度4，重复定位精度1.6），其参数远低于国产与台湾产刀塔。其精度完全可满足加工高精度工件时的要求，有效减小了换刀动作给工件加工所带来的误差。使机床可进行高精度切削。2、sauter刀架换刀时间短sauter刀架换刀时间较国产刀塔的换刀时间有明显优势，以4工位刀架为例，其两刀位转位角度为90度，sauter电动刀架换刀时间为0.70.8秒，而国产4工位刀塔换刀时间为1.5秒左右。如选用sauter刀架能有效缩短工件加工时间，提高机床加工节拍，提供用户生产效率。3、sauter刀架锁紧力矩大sauter刀架其锁紧力矩可达到12000nm，可有效提高机床加工时机床刚性和加工工件的表面光洁度。减小因刀具颤动给加工工件所造成的影响，如工件表面的振纹。电路分析： 当过载情况发生时，过载保护器的脱扣器脱开，切断刀架电机电源，使刀架电机立即停止运转，以防止电机烧毁。正转与反转交流接触器之间设计为互锁保护，防止有两接触器同时吸合的情况发生。设计安装三相灭弧器，以消除当交流接触器吸合与断开时产生的电弧，以保护交流接触器与刀架电机。电动刀架连接图如图5-1所示图5-1 刀架正反转电路如图5-1我们可看出sauter电动刀架的电路设计并不复杂，在ck6140数控车床设计的过程中我们注意了以下几点：注意1：过载保护器又称过电流保护器，需依各类型刀架电机做适当的电流值设，（设定值必须严格按照刀塔电机外罩的标识设置）。当过载情况发生时，过载保护器的脱扣器脱开，切断刀架电机电源，使刀架电机立即停止运转，以防止电机烧毁。并立即检查过电流的原因，才可使电流保护器复位。具体说明如下：1)三相电源电压是否正确、是否缺相。2)刀架端子台、电磁接触器及过载保护器接线是否牢固并且螺丝均有锁紧。3)电机各相之间阻抗是否正常（即三相阻抗大约相同）。4)电机各相与机壳间的阻抗应该为无限大（一般绝缘电阻至少在20m以上），以确认电机线圈是否受损及接地。5)电磁开关及过电流保护器的1-2、3-4、5-6之间是否有阻抗存在，造成三相电流不平衡。正常情况下1-2、3-4、5-6间的阻抗值越接近0越好，如果某一组之间阻抗大于5，需立即更换此元件，如图5-1。注意2：sauter刀架在做定位时，必须提供后转向动作。且此反向转动动作只需要几百ms，对于刀架电机三相动力电源上来说，动力电源接通的时间极短。因此在动力电源接通与断开时极易产生拉弧现象。因此，我们在此加装三相火花消除器，即三相灭弧器，如图所示。注意3：在控制刀架正、反转运动时（不论自动或手动），我们在plc中设定一个监视时间（约为3秒)，超过此监视时间，正转及反转信号都必须为off，以保护电机。注意4：控制刀架正、反转的交流接触器需采用高品质的品牌，耐久度才能达到要求，当交流接触器任意一组触点产生阻抗时，会发生三相电流不平衡现象，电机的输出及转矩会受到影，直接造成刀架不能旋转或定位。5.3冷却系统的设计数控机床的冷却系统主要包括用于在切削过程中的冷却刀具和工件，同时也起冲屑作用。为了获得较好的冷却效果，冷却泵打出的切削液需通过刀架或主轴前端的喷嘴喷出直接冲向刀具与工件的切削发热处。到充分冷却。冷却泵的开启与停止由数控程序中的辅助m指令控制，通常用m08、m09来分别控制，在数控系统的控制面板上也可通过面板上的冷却泵启动与停止按钮在手的方式下控制。电路分析：当过载情况发生时，过载保护器的脱扣器脱开，切断刀塔电机电源，使刀塔电机立即停止运转，以防止电机烧毁。设计安装三相灭弧器，以消除当交流接触器吸合与断开时产生的电弧，以保护交流接触器与冷却电机图5-2冷却电路 5.4液压系统设计一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、快换接头、高压球阀、胶管总成、测压接头、压力表、油位油温计等。液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作。液压动力部分采用回路图方式表示，以表明不同功能元件之间的相互关系。液压源含有液压泵、电动机和液压辅助元件；液压控制部分含有各种控制阀，其用于控制工作油液的流量、压力和方向；执行部分含有液压缸或液压马达，其可按实际要求来选择。第六章 常用电器元件的选型 6.1 低压电器选型的一般原则1、低压电器的额定电压应不小于回路的工作电压，即ueug 2、低压电器的额定电流应不小于回路的计算工作电流，即ieig 3、设备的遮断电流应不小于短路电流，即izhich4、热稳定保证值应不小于计算值5、按回路起动情况选择低压电器。如，熔断器和自动空气开关就需按起动情况进行选择。6.2 断路器的选型一般选型：1、断路器额定电压线路额定电压；2、断路器额定电流线路计算负荷电流；3、断路器脱扣器额定电流线路计算负荷电流；4、断路器极限通断能力线路中最大短路电流；5、线路末端单相对地短路电流不小于1.25 倍的自动开关瞬时（或短延时）脱扣整定电流；6、断路器欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。6.3 电动机保护用自动