毕业论文(设计)开题报告-XK5032数控铣床及其控制系统设计--电气部分设计.doc

机 电 学 院 毕 业 论 文（设 计）开 题 报 告 书课题名称 院 （系） 机 电 学 院 专 业 机械设计制造及其自动化（师范） 姓 名 学 号 指导老师 姚 屏 广东技术师范学院本科毕业论文（设计）开题报告院别机电学院专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号联系方式题目XK5032数控铣床及其控制系统设计电气部分设计开题申请：（包括选题的意义与目的、文献综述、研究现状、创新思路、论文提纲、进度安排、参考文献等。）一、 选题的意义与目的：目的：电气控制系统是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的 要求而得到迅速发展的。从最早的手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，从有触点的硬接线继电器控制系统发展到以计算机为中心的软件控制系统。现代电气控制技术综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等许多先进的科学成果.意义：电气的应用领域非常广，并正在迅速扩大。对于早期的PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。而对当今的PLC，几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。尤其是近几年来，PLC的成本下降，功能又不断增强，所以，目前PLC在国内已被广泛应用于冶金、机械、石油、化工、轻工、电力、建筑、交通运输等各行各业。一般来说，小型PLC主要用语单机自动化，而大、中型PLC则市自动生产线上不可缺少的控制部件。通过对电气的设计可以使机床的自动化程度提高，机床的维护与修改就容易和方便多了。机床的精度和加工精度就不断的提高了。不断地发展电气的技术，也就是不断地提高我国的技术含量，这样才能提高我国的综合能力，在国际领域上占有优势的地位。我国在PLC应用方面已取得很大的成绩，但与一些研制和应用水平较高的国家相比还有较大的差距。因此，必须加速PLC的开发和应用，加快PLC国产化步伐，力争在较短时间内，超赶世界先进水平。二、 文献综述电气原理设计是通过选择电气元件，设计电气元件之间的连接关系，组成一个电气控制系统，使机器能实现其功能。电气原理的设计是保证机床有良好的人机界面的前提，除了使机床能按指令完成响应动作外，还必须使机床具有良好的操作性能、维修性能和安全性能。电气控制系统是由许多元件按一定要求连接而成的。为了便于电气控制系统的设计、分析、安装、调整、使用和维修，需要将电气控制系统中各电气元件及其连接线路，用一定的图形表达出来，这种图就是电气控制系统图。电气控制系统图有三类：电气原理图、电器元件布置图和电气安装接线图。电气原理图是为了便于阅读和分析控制线路，根据简单清晰的原则，采用电气元件展开的形式绘制成的表示电气控制线路工作原理的图形。在电气原理图中只包括所有电气元件的导电部件和接线端点之间的相互关系，但并不按照各电气元件的实际布置位置和实际接线情况来绘制，也不反映电气元件的大小。电气元件布置图主要用来各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。机床电气元件布置图主要由机床电气设备布置图、控制柜及控制电气设备布置图，操纵台及悬挂箱电气设备布置图等组成。电气接线图是为了安装电气设备和电气元件时进行配线或检查维修电气控制线路故障服务。三 、发展现状电气控制技术的发展始终是伴随着社会生产规模的扩大，生产水平的提高而前进的。电气控制的进步反过来又促进了社会生产力的进一步提高；同时，电气技术又是与微电子技术、电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术等紧密联系在一起的。当前科技技术继续在突飞猛进，21世纪的今天，电气控制技术必将达到更高的水平.从国内发展来看我国的PLC产品的研制和生产经历了四个阶段：1. 顺序控制器阶段（从1969年到20世纪70年代中期），这个阶段可编程控制器主要用于逻辑运算和计时、计数运算，其中央处理器（CPU）由中小规模数字集成电路组成，存储器为磁芯存储器，控制功能比较简单。典型产品有莫迪康公司的084、ALLENBRADLY（AB）公司的PDQ等。2. 一位处理器为主的工业控制器阶段（20世纪70年代中期到80年代初期），这一阶段可编程序控制器的CPU采用微处理器，存储器采用半导体存储器，不仅整机的体积减小，而且数据处理能力获得很大的提高，增加了数据运算、传送、比较等功能，实现了对模拟量的控制。可编程控制器的名称缩写为PC（Programmable Controller），但为了与个人计算机（Personsal Computer）的名称缩写PC相区别，通常还把可编程控制器简称为PLC。3. 8位微处理器为主的可编程序控制器阶段（20世纪80年代初期到90年代初期）这一阶段由于16位、32位微处理器的出现和应用，PLC向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多种系列化产品，出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比高的新一代产品，并出现多种不同性能的分布式网络系统。同时，在编程方面，形成了面向工程技术人员、易为工程技术人员掌握的图形语言。在功能上，PLC具有了数学运算、数据采集和处理、运动控制、闭环控制、联网通信等功能，而且随着应用领域的不断迅速扩大，PLC已成为构成生产过程自动控制系统的主要设备4. 20世纪90年代至今：这一阶段PLC继续得到快速发展，系统在网络通信，热备冗余等方面都有了长足的进步，成为一种功能强大的、成熟的控制系统。同时通信从各厂家的自成系统逐步向开放的、统一的和通用的标准网络结构发展，如控制网(ControlNet)、设备网(DeviceNet)和现场总线(FieldBus)、管理层的以太网(Ethernet)等。产品系列不断丰富，互通功能得到了较大的发展，系统性能日趋可靠、完善国际发展情况：美国数字设备公司（DEC）于1969年率先研制出第一台可编程控制器（简称PLC）PDP14，在通用公司的自动装配线上试用获得成功。从此以后，许多国家的著名厂商对此进行研制，各自形成系列，而且品种更新很快，功能不断增强，从最初的逻辑控制为主发展到能进行模拟量控制，具有数据运算，数据处理和通信网络等多功能PLC。另一个突出优点是可靠性高，平均无故障运行时间可达10万小时以上，可以大大减少设备维修费用和停产造成的经济损失，当前PLC已经成为电气自动化控制系统中义勇最为广泛的核心装置。自20世纪70年代以来，电气控制相继出现了直接数字控制（DDC）系统，柔性制造系统（FMS），计算机集成制造系统（CIMS），综合运用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、智能机器人、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统等多项高技术，形成了从产品设计与制造和生产管理的智能化生产的完整体系，将自动制造技术推进到更高的水平。进入21世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域。未来PLC将在以下几个方面发展：1. 执行多任务功能的出现2. 网络能力的强化3. 高速化处理功能4. 大力发展集成化软件5. 微型可编程序控制器异军突起6. 信息技术渗入可编程序控制器7. 加强安全技术四、创新思路：在设计伺服系统时，在控制方式上选用了80C196KC单片微机为控制中心，并在其基础上增加了相应的外部电路，组成一个功能完善的控制系统。根据铣床的的主要参数及其设计的要求，通过计算选用了主轴电动机和进给电动机，并进行校核。为了提高机床的加工精度，进行了位置检测装置和速度检测装置的设计。在位置检测装置设计当中，通过跟其他位置检测元件的性能比，价格比，最后选用了增量式的光电编码器，同时对其应用电路进行设计，并利用电路提高其分辨率。在速度检测装置设计当中，最终选用了开关型霍尔传感器，对其工作电路及其补偿电路进行设计。以此来提高数控机床的加工精度要求。在电气设计方面，首先采用电气元件对铣床的主轴运动，进给运动等进行控制方面的设计和元器件选择计算，然后提出利用S7-300PLC实现电气控制的优化，使数控铣床更加可靠安全，维修方便，编程容易，自动化程度高。文章实现了PLC选型，硬件设计，软件设计等内容，并对整个控制系统的信号互连进行了研究设计。最后进行了控制柜的设计，从安全防护、降温、电磁兼容、可靠性、元器件安装等角度出发提出了完整的解决方案。五、论文提纲1、 概述1.1 数控系统的概述1.2 典型数控系统的介绍1.2.1 KND数控系统1.2.2 SIMENS数控系统1.2.3 FANUC数控系统1.3 数控系统的发展趋势1.4 研究路线和章节安排1.5 小结2、 伺服系统设计2.1 伺服系统的概述2.2 设计方案比较2.3 控制系统2.3.1 最小系统程序存储器和数据存储器的扩展2.3.2 地址译码器及信号处理2.4 主轴电动机的设计计算2.4.1主轴电动机的使用要2.4.2 对各类电机性能及调速系统的分析比较2.4.3 电机的选择2.5 进给电机的计算2.6本章小结3、 位置检测装置设计3.1 数控机床对位置检测装置的要求3.2 增量型编码器的计算3.2.1 增量式编码器的概述3.2.2 增量式编码器的选型3.3 电路设计3.4 提高分辨率的设计3.5 机械安装3.6 本章小结4、 速度检测装置设计4.1 霍尔传感器的概述4.2 霍尔传感器的选型4.2.1 霍尔集成元件的选择4.2.2 磁钢的选用4.3 开关型霍尔传感器的原理4.4 电路图的设计4.4.1 转速电路的设计4.4.2 驱动电路的设计4.4.3 不等位电势和温度补偿4.5 霍尔传感器的安装工艺4.6 本章小结5、 电气控制5.1 机床电气控制的概述5.2 主电路分析5.3 控制电路分析5.3.1 主轴电动机M1的正转5.3.2 主轴电动机M1的反转5.3.3 主轴电动机M1的停车制动5.4 工作台进给电动机M2的控制5.4.1 工作台向上运动的控制5.4.2 工作台向后运动的控制5.4.3 工作台向下运动的控制5.4.4 工作台向前运动的控制5.4.5 工作台的左、右（纵向）进给运动5.4.6 工作台的快速移动控制5.5 冷却泵电动机的控制与照明电路5.6 控制电路的联锁与保护5.7 各元气件的选择5.8 本章小结6、 可编程控制器6.1 可编程控制器的概述6.2 可编程控制器与继电器控制相比较6.3 PLC的选型6.4 SIMATIC S7-300 PLC6.5 SIMATIC S7-300 PLC的硬件设计6.5.1 导轨（RACK）6.5.2 中央处理单元模块（CPU）6.5.3 电源模块6.5.4 接口模块6.5.5 SIMATIC TOP连接6.6 S7-300软件设计6.6.1 PLC主轴的控制6.6.2 PLC的进给的控制6.6.3 限位行程开关报警闪烁灯的控制6.7 小结7、电气柜设计7.1 提高电气柜防护等级的措施7.2 保持电气柜中合适的温度措施7.2.1 伺服驱动器安装的位置7.2.2 散热设计7.3 电磁兼容保护7.3.1 接地设计7.3.2 抗干扰设计7.4 电气柜及其部件的安装要求7.4.1 按钮的安装与使用7.4.2 熔断器的安装和使用7.4.3 交流的安装和使用7.5 电气柜的布线要求7.6 PLC的布线安装7.6.1 控制柜内部的接线7.6.2 PLC在控制柜中安装时的注意事项7.6.3 PLC安装的基本原则7.7 本章小结进度安排（包括时间划分和各阶段主要工作内容）第12周：利用图书馆，Internet网查找相关资料。第34周：伺服系统的控制方案的比较和选用，画出相应的控制伺服系统的电路图。第5周：主轴电动机和进给电动机的计算及其校核。第6周：利用图书馆、Internet网查找位置检测和速度检测装置的相关资料。第78周：位置检测和速度检测元件的选用及其电路的设计。第9周：电气控制原理的分析及其电路设计，画出其控制原理图。第10周：电气元气件的计算及其选用。第11周：PLC的硬件和软件设计。第12周：电气柜控制的设计，画出数控系统的信号连接图。第13周：答辩。主要参考文献1李业农，徐明喜，槽健.数控机床及其应用M.北京：国防工业出版社，2006：187189，192193，19920.2王爱玲，张吉堂.现代数控原理及控制系统M.北京：国防工业出版社，2005：1013.3敖荣庆，袁坤.伺服系统M.北京：航空工业出版社，2006：1.4白恩远，王俊元，孙爱国.现代数控机床伺服及检测技术（第2版）M.北京：国防工业出版社，2005：14.5李朝青.单片机&DSP外围数字IC技术手册M.北京航空航天大学出版