数控技术课程设计说明书（杨福合1）.doc

中北大学课程设计说明书目录1概述11.1PLC控制交流主轴电机的内容11.2数控技术课程设计的目的12电动机的选择12.1电机参数的选择12.2三相交流异步电动机的工作原理23基本元器件的选择43.1开关的选择43.2热继电器的选择44变频器的选择54.1变频器基础知识54.2变频器的工作原理64.3变频器参数的选择64.4产品技术指标及规格64.5变频器的基本运行配线图94.6变频器的外部配置及应注意的问题115 控制系统设计115.1输入输出信号分析125.2PLC改造I/O分配图125.3PLC选型125.4动作序列图135.5模拟块的选择135.6系统接线图175.7梯形图和程序指令设计18总结20参考文献2111 概述：1.1 PLC控制交流主轴电机的内容：PLC作为控制器对机床电气控制系统的改造越来越突出，其主要部分是对数控机床的典型执行元件交流主轴电机的控制。在电动机发生故障时，为了保护电动机，减轻故障的损坏程度，继电保护装置的快速性和可靠性十分重要。在单机容量日益增大的情况下，电机的额定电流可达数千甚至几万安，这就给电动机的继电保护提出了更高的要求。传统的继电保护装置已经无法满足要求，因此微机保护应运而生。PLC是用来取代传统的继电器控制的，与之相比，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便、而且体积小、功耗低、使用维护方便。 1.2 数控技术课程设计的目的：通过本课程设计的训练，使学生在机床数控技术、机床电气控制等相关课程知识的基础上，能够运用所学独立完成主轴系统的自动控制系统设计，从而使学生进一步加深和巩固对所学知识的理解和掌握，并提高学生的实际操作能力。（1） 运用所学的知识，进行数控系统设计的初步训练，培养学生的综合设计能力； （2） 掌握三相交流异步电动机的原理和控制方法；（3） 掌握变频器的基本工作原理及使用控制方法；（4） 掌握PLC控制系统设计的基本技能，具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力； 基本掌握编写技术文件的能力。2 电动机的选择 2.1电机参数的选择:合理的确定电机功率P，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。任务书给的电机参数如下：功率：5.5KW； 额定电流：11.1A； 额定频率：50Hz；额定电压：380V；额定转速：2900r/min 接线方式：已知电动机的功率是5.5KW，根据三相异步电动机标准选Y2系列三相异步电动机中的Y2-132S1-2型号。 （1）主要特点Y2系列三相异步电动机采用了国内外最新新技术,是Y2系列电动机的升级换代产品.全封闭、自扇冷式。属笼型结构，适合在各种恶劣环境下使用。产品达到90年代国际先进水平。表1 电动机各种参数型号额定功率(KW)额定转矩(rpm)额定电流(A)满载时启动电流额定电流启动转矩额定转矩最大转矩额定转矩噪声Db(A)震动Mm/s重量Kg效率功率因数Y2-132S1-25.5290011.2860.887.52.22.380821.857Y2系列电动机较Y系列电动机的效率高、起动转矩大、提高了防护等级（IP54）、提高了绝缘等级(F级、按B级考核）、降低了噪音（用负载噪音考核），电动机外型新颖美观，结构更加合理。其功率等级及安装尺寸与Y系列电动机相同。完全符合IEC标准。（2）主要技术指标工作方式：S1电压：三相380伏（50HZ或60HZ）；电动机能承受额定转矩的50%过载，历时1分钟；绝缘等级：F级；防护等级：IP54;冷却方式：IC0141安装形式：MB3、B35、V1、B5、B14、B34、V18、B6、B7、B8、V3、V5、V6、V362.2 三相交流异步电动机的工作原理: 图1 异步电机工作原理 （1）电动机的旋转原理图2 电机的旋转原理 （2）旋转磁场产生的条件：三相对称绕组互差120度空间电角度。三相对称电源互差120度时间电角度。 （3）旋转磁场原理 图3旋转磁场原理（4）极对数的形成 图4 极对数原理当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，该磁场的速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该旋转磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。这就是异步电动机的工作原理。3 基本元器件的选择: 3.1开关的选择:在电路中涉及各种开关，控制三相交流电动机的开关我选择一般三极电源转换开关，其他部位用主令按钮开关控制，由于开关形状和具体参数均不复杂，在此不做具体介绍，其图形符号和文字符号如下。 图5 开关和按钮3.2 热继电器的选择:热继电器起电动机的过载保护的作用，由发热元件、双金属片和触头及动作机构等部分组成 。其整定值的大小一般根据负载的计算电流进行整定，一般为额定电流的1.051.1倍。，。根据通过电流的要求选择JR29-16型热继电器，如右图所示。 图6 热继电器图形符号和文字符号 （1）用途及使用范围:适用于交流50HZ/60HZ，主电路额定工作电压至660V，电流额定0.1-500A的电力系统中，供三相感应电动机的过载和断相保护之用。 （2）产品型号及意义:（3） 技术参数与性能:额定绝缘电压：660V；额定工作电流分别为16、25、45、85、105、170、250、370A；选择16A的。额定整流电流和热元件整流电流范围见下表。表2 额定整流电流和热元件整流电流范围型号JR29-16额定工作电流A16热元件整定电流范围A0.11-0.16，0.14-0.21，0.19-0.29，0.27-0.4，0.35-0.52，0.42-0.63，0.55-0.83，0.7-1.0，0.9-1.3，1.1-1.5，1.3-1.8，1.5-2.1，1.7-2.4，2.1-3.0，2.7-4.0，3.4-4.5，4.0-6.0，5.2-7.5，6.3-9.0，7.5-11，9.0-13，12-17.6（选取此电流）。（4）工作条件及安装:周围空气温度上限为+40，下 限为-5，2 4h内其平均值不超过+35；安装地点海拔不超过2000m; 按正常工作位置安装，安装面与垂直面的倾斜度不超过5。4变频器的选择:4.1变频器基础知识 :变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 4.2变频器的工作原理 :我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： (1) 式中，n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 需要注意的是，变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的，一般指海拔1000m以下，温度在40或25以下。若使用环境超出该规定，则在确定变频器参数、型号时要考虑到环境造成的降容因素。 4.3变频器参数的选择: 表3 变频器参数变频器型号额定容量KVA额定输出电流（A）适配电机功率（KW）CVF-G3-4T00558.6135.5 4.4产品技术指标及规格： 表4变频器技术指标及规格输入额定电压、频率三相380 50/60Hz电压允许变动范围320V-460V；电压失衡率3%；频率5%输出电压0-380V频率0Hz-500Hz过载能力额定电流*150%/1分钟额定电流*180%/2分钟控制控制方式V/F控制频率设定分辨率模拟端子输入最大输出频率的0.1%数字设定0.01Hz面板模拟设定最大频率的0.4%外部脉冲最大频率的0.1%频率精度模拟设定最大输出频率的0.2%数字设定设定输出频率的0.01%外部脉冲设定最大输出频率的0.1%V/F曲线（电压频率特性）基准频率在5-500Hz任意设定，可选择恒转矩、递减转矩1、递减转矩2共三类曲线。转矩提升手动设定：额定输出的0-20%自动提升：根据输出电流自动确定提升转矩自动节能运行根据负载情况，自动优化V/F曲线，实现节能运行加减速时间设定0.1-6000s连续可设，S型、直线型模式可选制动能耗制动电机输出额定转矩*75%直流制动启动、停止时分别可选，动作频率0-15Hz，电机额定电压*（0-15%），动作时间0-20s、或持续动作自动限流功能快速电流自动抑制能力，防止加速过程中及冲击性负载下频繁过流故障电压失速防止保证减速过程中不发生过电压载波调整载波频率1.5KHz-15KHz连续可调，最大限度降低电机噪声频率设定信号模拟输入（续）直流电压0-10V，-10-10V，直流电流0-20mA数字设定使用操作面板脉冲输入0-50KHz启动信号正转、反转、启动信号自保持可选定时器、计数器内置定时器、计数器各一个，方便系统集成多段速控制功能最多7段可编程多段速控制，每段速的运行方向、运行时间分别可设。当用外部端子控制时，可达15段速输出信号运行状态（OC输出）变频器运转中，频率到达，频率水平检测过载报警，外部故障停机，频率上限到达，频率下限到达，欠压停止，零速运转，可编程多段速状态，内部计时器到达，内部计数器到达，压力上下限报警指示表频率输出、输出电流、输出电压、电机转速、PID设定与反馈，可外接电压表、频率计保护/报警功能过压、过流、欠压、电子热继电器保护、过热、短路、过载环境周围温度-10C-50C（不冻结）（40C-50C时，请降额使用）周围湿度90%以下（不结霜）周围环境室内（无阳光直晒、无腐蚀、无易燃气体无油雾、尘埃、无水蒸气、水滴等）海拔低于1000m4.5变频器的基本运行配线图: 图7 变频器基本运行配线图 (1)主回路端子接线图图8 主回路端子接线图 表5 主回路端子配线说明表端子符号功能说明P+直流侧电压正端子P-直流侧电压负端子PBP、PB间可接直流制动电阻R、S、T接电网三相交流电源U、V、W接三相交流电机E接地端子(2)控制回路端子功能说明 表6 控制回路端子功能说明表种类端子符号端子功能备注模拟输入V+向外提供+5V/50mA电源或+10V/10mA电源由控制板上JP1选择（参照图2-24）V-向外提供-10V/10mA电源V1频率设定电压信号输入端10-10VV2频率设定电压信号输入端2-10-10V频率设定电压信号输入正端（电流输入端）0-20mAGND频率设定电压信号的公共端（V+、V-电流地），频率设定电流信号输入负端（电流流出端）控制端子X1多功能输入端子1多功能输入端子的具体功能由参数L-63-1-69设定，端子与CM端闭合有效X2多功能输入端子2X3多功能输入端子3X4多功能输入端子4X5多功能输入端子5X6多功能输入端子6X7多功能输入端子7，也可作为外部脉冲信号的输入端子FWD正转控制命令端与CM端闭合有效，（续）FWD-CM决定面板控制方式时的运转方向。REV反转控制命令端RST故障复位输入端CM控制端子的公共端+24向外提供的+24V/50mA的电流（CM端子为该电源地）模拟AM可编程电压信号输出端，外接电压表头（由参数b-10设定）。最大允许电流1mA输出电压0-10VAO频率、电压、电流输出端。最高输出信号频率50Hz、幅值10VAMAM、AO端子的公共端内部与GND端相连4.6变频器的外部配置及应注意的问题:(1)选择合适的外部熔断器，以避免因内部短路对整流器件的损坏变频器的型号确定后，若变频器内部整流电路前没有保护硅器件的快速熔断器，变频器与电源之间应配置符合要求的熔断器和隔离开关，不能用空气断路器代替熔断器和隔离开关。 (2)选择变频器的引入和引出电缆根据变频器的功率选择导线截面合适的三芯或四芯屏蔽动力电缆。尤其是从变频器到电机之间的动力电缆一定要选用屏蔽结构的电缆，且要尽可能短，这样可降低电磁辐射和容性漏电流。当电缆长度超过变频器所允许的输出电缆长度时，电缆的杂散电容将影响变频器的正常工作，为此要配置输出电抗器。对于控制电缆，尤其是I/0信号电缆也要用屏蔽结构的。对于变频器的外围元件与变频器之间的连接电缆其长度不得超过10m。(3)在输入侧装交流电抗器或EMC滤波器根据变频器安装场所的其它设备对电网品质的要求，若变频器工作时已影响到这些设备的正常运行，可在变频器输入侧装交流电抗器或EMC滤波器，抑制由功率器件通断引起的电磁干扰。若与变频器连接的电网的变压器中性点不接地，则不能选用EMC滤波器。当变频器用500V以上电压驱动电机时，需在输出侧配置du/dt滤波器，以抑制逆变输出电压尖峰和电压的变化，有利于保护电机，同时也降低了容性漏电流和电机电缆的高频辐射，以及电机的高频损耗和轴承电流。使用du/dt滤波器时要注意滤波器上的电压降将引起电机转矩的稍微降低；变频器与滤波器之间电缆长度不得超过3m。变频器的选型是一项需要认真对待的工作，目前市场上低压通用变频器的品种及规格很多，选择时应按实际的负载特性，以满足使用要求为准，以便做到量才使用，经济实惠。5控制系统设计:使用PLC的模拟量信号控制变频器，由于PLC具有程序编制简单方便，调速曲线平滑连续、工作稳定等优点。图9 系统控制简易模型图5.1输入信号分析:输入信号: 正转按钮：SB1反转按钮：SB2加速按钮：SB3减速按钮：SB4 停止按钮：SB55.2PLC改造I/O分配图:输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号主轴电动机M正转按钮SB1X0变频器正转指令FWDY0主轴电动机M反转按钮SB2X1变频器反转指令REVY1主轴电动机M加速按钮SB3X2主轴电动机M减速按钮SB4X3主轴电动机M停止按钮SB5X4图10 PLC改造I/O分配图5.3 PLC选型:PLC是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制，被广泛应用于各个领域，因为它具有几个突出的特点：可靠性高，抗干扰强；编程简单，易于掌握；功能完善，灵活方便；体积小，质量轻，功耗低。根据数控技术课程设计第3章3.4.2，PLC选型，在统计出I/O点数的基础上增加15%20%的备用量，一便今后调整和扩充。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用内存用量大致如下：开关量输入：1020字节/点；开关量输出：510字节/点。存储容量可按照以下经验公式计算（开关量输入输出系统）：输入：用户程序所需的存储的字数=输入点数10=710=70输出：用户程序所需的存储的字数=输出点数10=310=30根据数控技术课程设计第3章，表3-3 选择三菱FX表7 三菱FX参数公司名称型号最大开关量I/O最大模拟量I/O扫描速度(kb/ms)用户程序存储器容量数据存储器容量高级语言运动控制PID功能三菱FX2N-32MR-00116160.748KB3308BYY5.4动作序列图：主轴电动机M正转操作：SB1+Y0变频器得到正转命令，M正转启动。主轴电动机M反转操作：SB2+Y1变频器得到反转命令，M反转启动。主轴电动机M停止操作：SB3-Y1、Y2电机制动。5.5模拟模块的选择 ：模拟量输出模块用于需模拟量驱动的系统，经PLC运算输出的数字量经过模拟量输出模块转换为标准模拟量输出，这里选择FX2N系列可编程控制器的模拟量输出模块FX2N-2DA。（1） 简介FX2N-2DA型的模拟输出模块（以后称之为FX2N-2DA）用于将12位的数字值转换称2点模拟输出（电压输出和电流输出），并将它们输入到可编程控制器（以后称之为PLC）中。FX2N-2DA可连接到FXON,FX2N,FX2NC系列的可编程控制器。1)根据接线方法，模拟输出可在电压输出或电流输出中进行选择。2）两个模拟输出通道可接受的的输出为0到10VDC，到5VDC，或4到20mA。(电压输出/电流输出的混合使用也是可以的。)3)分辨率为2.5mV（0到10VDC）和4A(4到20mA)。4)数字到模拟的转换特性可进行调整。5）此模块占用8个I/O点，它可被分配为输入或输出。6）使用FROM/TO指令与PLC进行数据传输。 （2）FX2N-2DA技术指标表8 FX2N-2DA技术指标项 目电压输出2通道模拟量输出，根据电流输出还是电压输出，对端子进行设置模拟量输出范围DC1010V（外部负载电阻1kW1MW）数字输入电压20482047分辨率5mV（10Vl/2000）综合精确度满量程10V的1%转换速度2.1mS（2通道）隔离方式模拟电路与数字电路间有光电隔离，与基本单元间是DC/DC转换器隔离，通道间没有隔离模拟量用电源DC24V10% 130mAI/O占有点数程序上为8点（作输入或输出点计算），由PLC供电的消耗功率为5V，30mA （3）布线 图11 FX2N-2DA布线图(4) 缓冲寄存器（BFM）分配FX-2DA模拟量模块内部有一个数据缓冲寄存器区，它由32个16位的寄存器组成，编号为BFM031，其内容与作用如表4-2所示。数据缓冲寄存器区内容可以通过PLC的 FROM和 TO指令来读、写。表9 FX-2DA缓冲寄存器（BFM）的分配BFM编号内容备注#0通道初始化，用2位十六位数字H表示，2位数字从右至左分别控制CH1、CH2两个通道每位数字取值范围为0、1，其含义如下：0表示输出范围为-10V+10Vl表示输入范围为+4mA+20mA#1通道1存放输出数据#2通道2#3#4保留#5输出保持与复位缺省值为H00H00表示CH2保持、CH1保持H01表示CH2保持、CH1复位H10表示CH2复位、CH1保持Hll表示CH2复位、CH1复位#6#15保留（续）#16输出数据的当前值8位数据存于b7b0#17转换通道设置将b0由1变成0，CH2的D/A转换开始将b1由1变成0，CH1的D/A转换开始将b2由1变成0，D/A转换的低8位数据保持#18#19保留#20复位到缺省值和预设值缺省值为0；设为1时，所有设置将复位缺省值#21禁止调整偏置和增益值b1、b0位设为1、0时，禁止；b1、b0位设为0、1时，允许（缺省值）#22偏置、增益调整通道设置b3与b2、b1与b0分别表示调整CH2、CH1的增益与偏置值#23偏置值设置缺省值为0000，单位为mV或A#24增益值设置缺省值为5000，单位为mV或A#25#28保留#29错误信息表示本模块的出错类型#30识别码（K3010）固定为K3010，可用FROM读出识别码来确认此模块#31禁用(5) FX-2DA偏置与增益的调整FX-2DA出厂时偏置值和增益值已经设置成：数字值为0到4000，电压输出为0到10V。当 FX-2DA用作电流输出时，必须重新调整偏置值和增益值。偏置值和增益值的调节是对数字值设置实际的输出模拟值，可通过FX-2DA的容量调节器，并使用电压和电流表来完成。增益值可设置为04000的任意数字值。但是，为了得到12位的最大分辨率，电压输出时，对于10V的模拟输出值，数字值调整到 4000；电流输出时，对于20mA的模拟输出值，数字值调整到4000。偏置值也可根据需要任意进行调整。但一般情况下，电压输入时，偏置值设为OV；电流输入时，偏置值设为4mA。调整偏置与增益时应该注意以下几个问题：l）对通道1和通道2分别进行偏置调整和增益调整。2）反复交替调整偏置值和增益值，直到获得稳定的数值。3）当调整偏置、增益时，按照增益调整和偏置调整的顺序进行。(6) 特殊功能模块的编号说明模拟量输入、模拟量输出等特殊功能模块都可与PLC基本单元的扩展总线直接连接。各模块与基本单元连接时统一编号，从最靠近基本单元的模块开始，按连接顺序从0到7对各特殊功能模块进行编号。最多可连接8个特殊功能模块。如图所示的连接方式，FX-4AD、FX-2DA、FX-4AD-TC的编号分别为0、1、2。 图12 特殊功能模块的编号说明图 5.6系统接线图 ： 图13 系统接线图FX2N-2DA模块在0号位置，其通道CH1和CH2作为电压输出，将数据存储器D1和D2的内容通过CH1、CH2输出。程序如图所示，X000接通时，通道1（CH1）执行数字到模拟量的转换；X001接通时，通道2（CH2）执行数字到模拟量的转换。5.7梯形图和程序指令设计: 图14 梯形图（1）特殊功能模块的读/写指令说明 特殊功能模块读指令FROM（FNC78）的目标操作数D.为KnY，KnM，KnS，T，C，D，V和Z。 ml为特殊功能模块的编号，ml=07；m2为该特殊功能模块中缓冲寄存器(BFM)的编号，m2=032767；n是待传送数据的字数，n=l32（16位操作）或l16（32位操作）。如图15所示