fanucid数控车床电气柜设计与调试说明书.doc

FANUCFANUC 0iD0iD 数控车床电气柜设计与调试数控车床电气柜设计与调试 摘要摘要 数控机床由普通机床发展而来 它集机械 液压 气动 伺服驱动 精密测量 电气自动控制 现代控制理论 计算机控制和网络通信等技术于一体是一种高效率 高精密 能保证加工质量 解决 工艺难题 而且又具有一定柔性的生产设备 并正逐步取代普通机床 数控机床的广泛的使用 给机 械制造业的生产方式 产品结构和产业结构带来了深刻的变化 其技术水平高低和拥有量多少 是衡 量一个国家和企业现代化水平的重要标志 本设计主要对电气柜等设计 关键词 关键词 数控车床 FANUC 电气柜设计 FANUC 0iD CNC lathe electric cabinet as well as design and commissioning AbstractAbstract CNC machine by conventional machine tools it integrates machine hydraulic pneumatic servo drive precision measurement electrical automatic control modern control theory computer control and network communication technology in a body is a kind of high efficiency high precision ensuring the machining quality solve process problems but also has the certain flexible production equipment and is gradually replacing conventional machine tools Numerically controlled machine tool s extensive use give machinery manufacturing mode of production product structure and industrial structure brought about profound changes its technical level discretion and ownership how much is the measure of a country and the enterprise modernization level of important symbol This design is mainly to the electricity gas holder such as design KeywordsKeywords CNC Lathe FANUC Electric cabinet as well as design 目录目录 摘要 1 第一章 绪论 4 1 1 数控机床电气控制系统的发展 4 1 1 1 数控系统的发展 4 1 1 2 伺服系统的发展 5 1 1 3 可编程控制器的发展 5 1 2 强电控制柜简介 5 1 3 电气控制系统设计的意义 5 第二章 数控装置的组成 结构与功能 6 2 1 数控机床的组成 6 2 1 数控车床控制结构图 6 2 1 数控系统 模块的功能 7 2 3 1 变频器的功能 连接与调试 7 2 3 1 伺服驱动系统 12 第三章 数控机床的 PMC 14 3 1PMC 程序介绍 14 3 4 1PMC 接口 14 3 4 1 地址格式和信号类型 14 3 4 1 程序分析 17 第四章 电气柜的设计 19 4 1 电柜柜体设计 19 4 1 1 电柜的密封 19 4 1 2 电柜温升设计 21 4 1 3 电柜柜体的抗干扰设计 23 4 1 4 电柜的制造工艺 24 4 2 电柜内部温升设计 24 4 2 1 电柜内部的温升计算 24 4 2 2 操作站的温升设计 25 4 3 元器件选型 25 4 3 1 断路器 25 4 3 1 1 一般选型 25 4 3 1 2 电动机保护用自动开关的选型 26 4 3 2 熔断器 26 4 3 3 接触器 26 4 3 4 继电器 27 4 3 5 开关电源 28 4 3 6 接线端子的选型及布置规范 29 4 4 元器件的分布与设计参考 30 4 5 抗干扰和接地对策 31 4 5 1 信号线的分离 31 4 5 2 接地 32 4 5 2 1 接地的含义 32 4 5 2 2 接地的目的 32 4 5 2 3 接地的方式 33 4 5 2 4 地环路干扰的抑制 33 4 5 2 5 灭弧装置的使用 34 4 5 4 1 噪音抑制器 34 4 5 4 2 浪涌吸收器 35 4 5 5 屏蔽接地 37 第五章 调试 40 5 1 手动进给的调试 40 5 2 全闭环伺服系统的调试 40 5 3 系统综合调试 41 参考文献 43 致谢 44 附录一 数控车床电气柜柜体图 45 附录二 数控车床布局说明 46 第一章第一章 绪论绪论 目前 数控技术已被世界各国列为优先发展的关键工业技术 成为国际间科技竞争的重点 数控 技术的应用将机械制造与微电子 计算机 信息处理 现代控制理论 检测技术以及光电磁等多种学 科技术融为一体 使制造业成为知识 技术密集的大学科范畴内的现代制造业 成为国民经济的基础 工业 1952 年 美国研制的世界第一台三坐标数控机床 其特点是用三个数控伺服系统代替了传统的 机械进给系统 早期的数控机床同普通机床相比 除进给系统是数控伺服系统外 外形和结构基本相 同 我国现在生产的经济型数控机床 就属于这种类型 因为这些产品是在普通机床的总体结构基础 上经局部改进而发展出来的 数控机床不仅表现为数量迅速增长 而且在质量性能和控制方式上也有明显改善 数控机床加工 工件时 完全根据计算机发出的指令自动进行加工 不允许频繁测量和进行手术补偿 这就要求机床 结构具有较高静刚度与动刚度 同时要提高结构的热稳定性 提高机械进给系统的刚度并消除机械传 动间隙 消除爬行 这样 可以有效避免振动 热变形 爬行和间隙影响被加工工件的精度 数控机床在当今机械加工设备中有着举足轻重的作用 而机床有 CNC PLC 进给伺服驱动系统 主轴伺服驱动系统 辅助装置等部分组成 其中主轴是不可或缺的 高速铣削加工在高速切削加工中 扮演着最重要的角色 而高速机床所选用的主轴系统特性的优劣 又直接影响着高速铣削加工的质量 1 11 1数控机床电气控制系统的发展数控机床电气控制系统的发展 数控机床电气控制系统的发展与数控系统 伺服系统 可编程控制器的发展密切相关 1 1 11 1 1数控系统的发展数控系统的发展 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展 数控系统的功能不断的增多 柔性不断增强 性能价 格比不断提高 当前数控系统正朝着下面几个方面发展 1 高速度 高精度化 2 智能化 数控系统应用高技术的重要目标是智能化 智能化主要体现以下几个方面 1 自适应控制技术 2 附加人机会话自动编程功能 3 具有设备故障自诊断功能 3 小型化 4 计算机群控 5 具有更高的通信功能 1 1 21 1 2伺服系统的发展伺服系统的发展 早期的数控机床伺服系统多采用晶闸管直流驱动系统 并且采用了闭环控制 以获得良好的动静 态特性 但是由于直流电动机受机械换向的影响和限制 大多数直流驱动系统适用性差 维护比较困 难 而且其恒功率调速范围小 20 世纪 80 年代以后 交流驱动系统进入实用阶段 目前交流伺服驱动 系统已经基本取代了直流伺服驱动系统 1 1 31 1 3可编程控制器的发展可编程控制器的发展 1969 年在美国出现第一台可编程逻辑控制器 PLC programmable logic controller 以来 经过 多年的发展 PLC 现在已成为一种重要 高可靠性 应用场合最多的工业控制微型计算机 1 21 2强电控制柜简介强电控制柜简介 强电控制柜主要用来安装机床强电控制的各种电气元件 除了提供数控 伺服等一类弱电控制系 统的输入电源 以及各种短路过载 欠压等电气保护外 主要在 PLC 的输出接口与机床各类辅助装置 的电气执行元件之间起连接作用 控制机床装置 如各种交流电动机 液压系统电磁阀或电磁离合器 等 此外 它也与机床操作台有关手动按钮连接 强电控制柜由各种中间继电器 接触器 变压器 电源开关 接线端子和各类电气保护元件等构成 它与一般普通机床的电气类似 但为了提高对弱电 控制系统抗干扰性 要求各类频繁启动或切换的电动机 接触器等其中的电磁感应器件中均必须并联 RC 阻容吸收器 对各种检测信号的输入均要求用屏蔽电缆连接 1 31 3电气控制系统设计的意义电气控制系统设计的意义 电气柜的设计 电气线路的设计是数控机床靠可靠性的最重要关口 设计的先天缺陷对产品的可 靠 性影响非常大 有时是无法补救的 一定尽量在设计中避免上述问题的出现 不要等出现问题再 去补 救 费时费力且会对厂家的信誉产生影响 通过这次毕业设计 可以达到以下目的 1 培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实 际问题的能力 2 强化工程实践能力和意识 提高本人综合素质和创新能力 3 使本人受到从事本专业 工程技术和科学研究工作的基本训练 提高工程绘图 计算 数据处理 外文资料文献阅读 使用计算 机 使用文献资和手册 文字表达等各方面的能力 4 培养正确的设计思想和工程经济观点 理论联 系实际的工作作风 第二章第二章 数控装置的组成 结构与功能数控装置的组成 结构与功能 2 12 1数控机床的组成数控机床的组成 数控机床是装备了数控系统的机床 既包括 NC 机床 也包括 CNC 机床 数字控制机床 Numerical Controlled Machine Tool 简称 NC 机床 数控系统是一种控制系统 它能控制机床的 运动和加工过程 计算机数控机床 Computer ized Numerical Controlled Machine Tool 简称 CNC 机床 是利用具有专门存储程序输入到数控装置 再由数控装置控制主运动的变数 起停 进给运动 的方向 速度和位移大小 以及诸如刀具的选择 交换 工件夹紧 松开和冷却的起 停等动作 使 刀具与工件及其他辅助装置严格按数控程序的要求进行 数控机床由数控系统模块 主轴控制模块 伺服驱动模块 传感器警示灯 电子器件 电源模块 电动刀架模块 冷却系统模块 接线端子等组成 采用开放式和拆装式设计 可以进行数控机床电气 控制部件的组装 接线 PMC 编程 故障诊断和调试 2 12 1数控车床控制结构图数控车床控制结构图 数控车床控制结构图 2 12 1数控系统 模块的功能数控系统 模块的功能 如上图 数控车床由两个进给轴 一个旋转轴 主轴 刀架控制系统 冷却控制系统 润滑控制 系统 其他辅助功能控制系统 检测控制电路等组成 主轴采用变频调速系统 主轴电机与编码器间 通过同步带 1 1 连接 可反馈主轴电机的转速及主轴参考点坐标系的建立 2 3 12 3 1变频器的功能 连接与调试变频器的功能 连接与调试 如图 2 2 为机床主轴控制电路 它主要包括变频器 交流电机以及有控制面板输出的直流控制电 压信号等 以下将重点对变频器作详细的介绍 图 2 2 主轴控制电路 1 变频器操作面板说明 变频器操作面板说明 图 2 3 变频器操作面板 2 基本操作面板功能说明 基本操作面板功能说明 运行模式显示 PU PU 运行模式时亮灯 EXT 外部运行模式时亮灯 NET 网络运行模式时亮灯 单位显示 Hz 显示频率时亮灯 A 显示电流时灯亮 显示电压时灯灭 设定频率监视时闪烁 M 旋钮 用于变更频率设定 参数的设定值 按该按钮可显示以下内容 监视模式时的设定频率 校正时的当前设定值 错误历史模式时 的顺序 模式切换用于切换各设定模式 长按此键 2 秒 可以锁定操作 各设定的确定 运行中按此键则监视器出现以下显示 运行频率 输出电流 输 出电压 运行状态显示 变频器动作中亮灯 闪烁 亮灯 正转运行中 缓慢闪烁 1 4 秒 循环 反转运行中 快速闪烁 0 2 秒循环 参数设定模式显示参数设定模式时亮灯 监视器显示监视模式时亮灯 停止运行也可以进行报警复位 运行模式切换 用于切换 PU 外部运行模式 使用外部运行模式 通过另接的频 率设定旋钮和启动信号启动运行 时请按此键 使表示运行模式 的 EXT 处于亮灯状态 切换至组合模式时 可同时按 MODE 键 0 5 秒 或者变更参数 Pr 79 PU PU 运行模式 EXT 外部 运行模式 也可以解除 PU 停止 3 端子接线操作说明 端子接线操作说明 图 2 4 变频器接线端子图 4 参数设置方法 1 恢复参数为出厂值 设置步骤操作显示 1 电源接通时显示的监视器画面 0 00 2 按键 进入 PU 运行模式 EXT PU PU 显示灯亮 3 按 MODE 键 进入参数设定模式 P0 4 旋转旋钮 将参数编号设定为 ALLC ALLC 5 按 SET 键 读取当前的设定值 0 6 旋转旋钮 将值设定为 1 1 7 按 SET 键确定闪烁 2 变更参数的设定值 设置步骤操作显示 1电源接通时显示的监视器画面0 00 2 按键 进入 PU 运行模式 EXT PU PU 显示灯亮 3按 MODE 键 进入参数设定模式P0 4旋转旋钮 将参数编号设定为 P1P1 5按 SET 键 读取当前的设定值 120 0 6旋转旋钮 将参数编号设定为 50 00HZ50 00 7按 SET 键确定闪烁 3 主要参数设置 序号参数代号初始值设置值功能说明 1P1120可调上限频率 Hz 2P200下限频率 Hz 3P35050电机额定频率 4P45050多段速度设定 高速 5P53030多段速度设定 中速 6P61010多段速度设定 低速 7P752加速时间 8P850减速时间 9P7310模拟量输入选择 11P7903运行模式选择 2 3 12 3 1伺服驱动系统伺服驱动系统 1 本装置采用 FANUC 公司的伺服驱动系统 具有如下特点 1 供电方式为三相 200V 240V 供电 2 智能电源管理模块 碰到故障或紧急情况时 急停链生效 断开伺服电源 确保系统安全可靠 3 控制信号及位置 速度等信号通过 FSSB 光缆总线传输 不易被干扰 4 电机编码器为串行编码信号输出 图 2 5 驱动连接图 2 相关接口说明 1 CZ4 接口为三相交流 200 240V 电源输入口 顺序为 U V W 地线 2 CZ5 接口为伺服驱动器驱动电压输出口 连接到伺服电机 顺序为 U V W 地线 3 CZ6 与 CX20 为放电电阻的两个接口 若不接放电电阻须将 CZ6 及 CX20 短接 否则 驱动器报警信 号触发 不能正常工作 建议必须连接放电电阻 4 CX29 接口为驱动器内部继电器一对常开端子 驱动器与 CNC 正常连接后 即 CNC 检测到驱动器且驱 动器没有报警信号触发 CNC 使能信号通知驱动器 驱动器内部信号使继电器吸合 从而使外部电磁接 触器线圈得电 给放大器提供工作电源 5 CX30 接口为急停信号接口 短接此接口 1 和 3 脚 急停信号由 I O 给出 6 CX19B 为驱动器 24V 电源接口 为驱动器提供直流工作电源 第二个驱动器与第一个驱动器由 CX19A 到 CX19B 具体接线详见电气原理图 7 COP10A 接口 数控系统与第一级驱动器之间或第一级驱动器和第二级驱动器之间用光缆传输速度指 令及位置信号 信号总是从上一级的 COP10A 接口到下一级的 COP10B 接口 8 JF1 为伺服电机编码器反馈接口 第三章第三章 数控机床的数控机床的PMCPMC 3 1PMC3 1PMC程序介绍程序介绍 通常我们所说的 PLC 用于工厂一般通用设备的自动控制装置 而 PMC 专用于数控机床外围辅助电 气部分的自动控制 PMC 和 PLC 所要实现的功能基本是一样的 PMC 也是以微处理器为中心 可视为继 电器 定时器 计数器的集合体 在内部顺序处理中 并联或串联常开触点或常闭触点 其逻辑运算 结果用来控制线圈的通断 3 4 1PMC3 4 1PMC接口接口 在编制 PMC 程序时所需的四种类型的地址如图 3 11 所示 图 3 11 与 PMC 相关的地址 图中由实线表示的与 PMC 相关的输入输出信号经由 I O 板的接收电路和驱动电路传送 由虚线表 示的与 PMC 相关的输入输出信号仅在存储器中传送 例如在 RAM 中传送 这些信号的状态都可以在 CRT 上显示 3 4 13 4 1地址格式和信号类型地址格式和信号类型 地址由如下所示的格式用地址号和位号表示 在地址号的开头必须指定一个字母 用来表示下表中所列的信号类型 在功能指令中指定字节单 位的地址时 位号可以省略 如 X127 地址号中的字母 字 母信 号 类 型备 注 X来自机床侧的信号 MT PMC X0 X127 外装 I O 模块 Y由 PMC 输出到机床侧的信号 PMC MT Y0 Y127 外装 I O 模块 F来自 NC 侧的输入信号 NC PMC F0 F255 G由 PMC 输出到 NC 的信号 PMC NC G0 G255 R内部继电器R0 R999 A信息显示请求信号A0 A24 C计数器C0 C79 K保持型继电器K0 K19 T可变定时器T0 T79 D数据表D0 D1859 L标记号 P子程序 以下是对上表中信号的说明 X 是来自机床侧的输入信号 如极限开关 刀位信号 操作按钮等检测元件 PMC 接收从机床侧 各检测装置反馈回来的输入信号 在控制程序中进行逻辑运算 作为机床动作的条件及外围设备进行 自诊断的依据 Y 是由 PMC 输出到机床的信号 在控制程序中输出信号控制机床侧的接触器 信号指示灯动作 满 足机床的控制要求 F 是由控制伺服电机和主轴电机的系统部分输入到 PMC 的信号 系统部分就是将伺服电机和主轴电 机的状态 以及请求相关机床动作的信号 移动中信号 位置检测信号 系统准备完信号等 反馈到 PMC 中进行逻辑运算 以作为机床动作的条件及进行自诊断的依据 G 是由 PMC 侧输出到控制伺服电机和主轴电机的系统部分的信号 对系统部分进行控制和信息反馈 如轴互锁信号 M 代码执行完毕信号等 R 是内部继电器 经常在程序中作辅助运算用 其地址从 R0 到 R9117 共 1118 字节 R0 到 R999 作为通用中间继电器 R9000 后的地址作为 PMC 系统程序保留区域 不能作为继电器线圈使用 A 是信息显示请求信号 共 25 个字节 200 个位 共计 200 个信息数 PMC 通过从机床侧各检测装 置反馈回来的信号和系统部分的状态信号 对机床所处的状态经过程序的逻辑运算后进行自诊断 若 为异常 使 A 为 1 当指定的 A 地址被置为 1 后 报警显示屏幕上便会出现相关的信息 帮助查找和排 除故障 C 为计数器地址 共 80 个字节 用于设计计数值的地址 每 4 个字节组成一个计数器 其中 2 个 字节作为保存预置值 另外 2 个字节作为保存当前值用 也就是说共有 20 个计数器 1 到 20 K 为保持型继电器 其中 K0 到 K16 为一般通用地址 K17 到 K19 为 PMC 系统软件参数设定区域 由 PMC 使用 在数控系统运行过程中 若发生停电 输出继电器和内部继电器全部成为断开状态 当 电源再次接通时 输出继电器和内部继电器都不可自动恢复到断电前的状态 所以停电保持用继电器 就用于当需要保存停电前的状态 并在再次运行时再现该状态的情形 T 为定时器 共 80 个字节 用于存储设定时间 每 2 个字节组成一个定时器 共 40 个 定时器号 从 1 到 40 D 为数据表地址 共 1860 个字节 在 PMC 程序中 某些时候需要读写大量的数字数据 D 就是用 来存储这些数据的非易失性存储器 L 标记地址 共有 9999 个标记数 用于指定标号跳转 JMPB JMPC 功能指令中跳转目标标号 在 PMC 中相同的标号可以出现在不同的指令中 只要在主程序和子程序中是唯一的就可以 P 为子程序号的标志 共有 512 个子程序数 用于指定条件调用子程序 CALL 和无条件调用子程 序 CALLU 功能指令中调用的目标子程序号 在 PMC 程序中 目标子程序号是唯一的 在 PMC 程序中 机床侧的输入信号 X 和系统部分的输出信号 F 是不能作为线圈输出的 对 于输出线圈而言 输出地址不能重复定义 否则该地址的状态不能被确定 必要时使用中间继电器线 圈 定时器号 T 是不重复的 计数器号 C 也不能重复使用 但梯形图中同一地址的触点的作用 可以认为是无穷数量的 PMC 程序由第一级程序和第二级程序两部分组成 在 PMC 程序执行时 首先执行位于梯形图开头的 第一级程序 然后执行第二级程序 在第一级程序中 程序越长 则整个程序的执行时间 包括第二级程序在内 就会被延长 信号 的响应速度就越慢 因此 第一级程序应尽可能短 在第一级程序中一般仅处理短脉冲信号 如急停 各轴超程 返回参考点减速 外部减速 跳步 到达测量位置和进给暂停信号 其它信号的处理放在 第二级程序中 第一级程序编写完以后 要在结尾写上表示第一级程序结束的功能指令 END1 SUB1 同理 在第 二级程序结束时 要写上表示第二级程序结束的标志 END2 SUB2 编写子程序时 在子程序开头先写 上子程序调用功能指令 SP 在子程序的结尾写上子程序结束的功能指令 SPE 当整个程序编写完毕后 要写上整个程序结束的标志 END 程序结束功能指令 梯形图是直接从传统的继电器控制演变而来的 通过使用梯形图符号组合成的逻辑关系构成了 PMC 程序 PMC 的基本指令有 RD RD NOT WRT WRT NOT AND AND NOT OR OR NOT RD STK RD NOT STK AND STK OR STK SET RST 共 14 个 在编写程序时通常有两种方法 一是使用助记符语言 即基本功能指令 二是用 梯形图符号 当使用梯形图符号编写时不需要理解 PMC 指令就可以直接进行程序的编写 由于梯形图 易于理解 便于阅读和编辑 因而成为编程人员的首选 发那科数控系统使用梯形图符号进行编程 3 4 13 4 1程序分析程序分析 由于机床控制程序庞大 复杂 在此 以手动方式下润滑控制程序为例 介绍 PMC 的逻辑控制过 程 假设用到以下输入输出点 程序中 X0018 7 为润滑控制键输入信号 X0009 4 为润滑电机过载输入信号 X0009 5 为润滑液低 于下限输入信号 Y0008 3 为润滑输出控制接口 Y14 4 为润滑报警指示灯 Y0015 6 为润滑按键右上 角的指示灯 R0398 3 R0398 4 和 R0398 5 为中间继电器 F0001 1 为复位键输入信号 图 3 12 示例程序 1 程序的前两行是为了获得 R398 3 的上升沿信号 在按下润滑按钮 X18 7 瞬间 程序从上向下执行 在程序的第一行使 R398 3 有输出 接着执行程 序的第二行 使 R398 4 有输出 同时 R398 4 的常闭触点断开 使 R398 3 停止输出 即在执行顺序程 序中获得了 R398 3 的上升沿信号 2 程序的中间三行是为了保持润滑信号的输出 执行的条件是 没有出现润滑电机过载或润滑液低于下限报警信号 也没有按下数控系统上的 RESET 复位键 满足以上条件后 在按下润滑键 X18 7 的瞬间 获得了 R398 3 的上升沿信号 此上升沿信号触发 按键指示灯 Y0015 6 点亮 润滑控制 Y0008 3 有输出 继电器 R398 5 有输出 同时 R398 5 的 常开触点闭合 常闭触点断开 使 R398 5 自锁 保持润滑正常运行 3 停止润滑的条件 a 当再次按下润滑键时 由程序前两行得到的上升沿信号使 R398 3 的常闭触点断开 润滑停止 b 当出现润滑电机过载或润滑液低于下限报警信号时 润滑报警指示灯 Y14 4 点亮 同时 Y14 4 的常闭触点断开 使润滑停止 c 当按下 RESET 复位键时 润滑输出和润滑报警信号被复位 关于 PMC 梯形图程序的编制方法 PMC 基本指令和功能指令 梯形图编程时的相关操作 请参阅 梯形图语言编程说明书 和 梯形图语言补充编程说明书 第四章第四章 电气柜的设计电气柜的设计 4 14 1电柜柜体设计电柜柜体设计 在设计电柜时 必须充分考虑电柜运输和使用的环境条件 参考下表 另外 还要考虑减少 CRT 屏幕的电磁干扰 预防噪声和方便维修 设计电柜时需考虑的运输及环境条件 运行时 0 45 室温存贮或运输中 20 60 通常 75 相对湿度短期 一个月内 95 运行时 0 5G 振动非运行时 1G 运行时 1000m 海拔高度非运行时 12000m 环境 通常的车间环境 环境中尘土含量 冷却液或有机液含量过高时需另行考虑 4 1 14 1 1电柜的密封电柜的密封 电柜的密封需满足运输和使用的环境要求 设计电柜时必须有效防止灰尘 冷却液和有机溶液的 进入 防止其对设备造成伤害 1 在空气入口处使用空气过滤器 控制气流以保证进入空气入口的灰尘量 换气风扇也应加过滤器 处理 风扇或空气入口空气过滤器及护罩 2 电柜到机床的电缆接口设计需使用锁紧件 备用口需加孔堵满足密封条件 使用电缆锁紧装置进行密封 可同时起到电缆的固定作用 电缆锁紧装置及孔堵图片 3 电柜门及操作站的密封处理 使用密封胶条或其他密封措施进行密封处理 如果电柜或操作站部分密封不够充分 灰尘就会不 断穿过缝隙而附着在单元上 灰尘累积会引起绝缘效果的恶化 柜门加密封胶条可防止灰尘累积 4 1 24 1 2电柜温升设计电柜温升设计 1 设计电柜时 需保证电柜内的温度上升时柜内和柜外的温度差不超过 10 摄氏度 2 一个封闭的电柜必须安装风扇 或空调等换气冷却装置 以保证内部空气的循环 风扇需作调整设计以保证空气以 0 5m sec 的速度流过每一个安装单元的表面 但不能直吹 如果 空气由风扇直接吹向单元 灰尘会很容易附着 容易引起单元的故障 缩短元件使用寿命 热交换器 的排风尽量保证能够直接作用到伺服或用电设备 3 冷风机和空调的安装使用 有两种安装方式 顶装与侧装 顶装的优势在于热空气往上 机柜底部应开通风口 形成自下而 上的空气流动 这样在电器元件表面不容易形成热点和局部的热导效应 冷风机主要以给排风为主 即向柜外抽风式 当风机无法达到机柜内降温的要求时 可选装机柜空调 选装机柜空调时应注意功 率选择 功率过大会使机柜内温度低于或等于 28 度 极可能形成凝露现象 这将导致电器元件短路等 问题 此外 过大功率的机柜空调制冷时间过短 工作与非工作状态切换频率过高 对机柜空调本身 的使用寿命有很大影响 4 模块放大器的安装使用 带有散热片的模块尽量将散热片安装在电柜外部 因为散热片对柜内温度影响很大 同时为防止 环境影响可考虑给散热片增加防护 各种模块发热量及计算方法参考 电柜温升计算 将模块散热片置于电柜外部 防止环境对散热片风扇的影响可增加防护设计 4 1 34 1 3电柜柜体的抗干扰设计电柜柜体的抗干扰设计 电柜设计时还必须考虑到尽量降低噪声 并且防止噪声向 CNC 单元传送 在柜体设计时须考虑元 件的布局情况 尽量减少元件之间相互干扰情况 1 单元在电柜内部的安装和排列必须考虑检查和维修的方便 元件分交直流布置 走线尽量做到交 直流分离 因此要在设计柜体时充分考虑各元件安装情况 2 如果有电磁辐射的元件 比如变压器 风扇风机 电磁接触器 线圈和继电器 安装在显示器附 近 他们经常会干扰显示器的显示 电磁元件位置固定且和显示器之间的距离小于 300mm 时 可以通 过调整电磁元件的方向来降低对屏幕显示的影响 3 柜体设计时充分考虑柜体接地策略 预先设计好接地点 详细参考 电柜的抗干扰和接地对 策 4 1 44 1 4电柜的制造工艺电柜的制造工艺 对于电柜板金的制作要求首先是能够为柜内电气设备提供一个可靠的保护箱体 同时必须拥有良 好的接地 在实际生产中柜内接地螺丝只是使用镀锌螺丝且由于使用焊接的方法固定在柜内 使得被 焊接后的螺丝很快就发生锈蚀现象 况且电柜还要经过油漆烘漆等柜体防腐蚀和美观处理 这样一来 接地螺丝反而成了 准绝缘螺丝 其接地效果会大打折扣 所以电柜制作时一般采用铜质螺柱 电 柜的柜门将全部焊上接地桩而取代过去的接地螺丝 以解决以前 准绝缘 螺丝的问题 接地导体 螺柱关系表 电源线导体截面S mm2 接地铜导体件最小截面 Q mm2 接地螺柱直径 mm S 4 Q S 但Q不小于1 5 M6 4 S120Q 70M10 4 24 2电柜内部温升设计电柜内部温升设计 安装在电柜内部元件产生的热量会使电柜内部的温度升高 因为产生的热是通过电柜自身表面散 热 电柜的内部温度和电柜外部温度会在一定热水平上保持平衡 如果产生的热是一个常量 电柜的 表面面积越大 电柜内部的温升就越慢 要进行电柜的温升设计 就要计算电柜内产生的热量 估算 电柜的表面面积 如果需要 可以通过在电柜内部安装热交换器或空调来改善热交换条件 4 2 14 2 1电柜内部的温升计算电柜内部的温升计算 用板金制造的电柜的散热能力通常为 6W m2 也就是说 当电柜内部有 6W 的热源 并且有 1m2 的表面积时 则当电柜内外的温度达到平衡时 电柜内部的温度上升 1 这里的电柜表面积指电柜的有效散热面积 也就是电柜的总面积减去电柜与其他接触面接触的面 积 这里有两个前提条件 电柜内部的空气必须有风扇进行循环并且电柜内部的温度必须基本保持恒 定 根据控制单元的温度允许值需要 为了限制电柜内部和外部的温度差低于 13 当电柜内部的温 度升高时必须符合下面的表达式 内部发热量 P W 6 W m2 表面面积 S m2 温升 13 例如 一个电柜有 4 m2 的散热面积 具有 24W 的散热能力 在这种条件下 为了能满足内部温 升小于 13 则内部的热源就不能超过 13 24 312W 如果实际的内部热源为 360W 则电柜内部的温 度将上升 15 或更高 当这电柜内部温升高于 13 时 电柜的散热能力必须通过热交换器或空调等设施进行改善 热交 换器的效果就如同扩大了散热面积 另外 0i 系列的强电柜内如包含 I O 单元 当电柜内部温度升高时电柜内部和外部的温度差必须 限制在低于 10 以下而不是 13 4 2 24 2 2操作站的温升设计操作站的温升设计 对于操作箱等小型电柜 假如电柜内的空气能够充分流通 电柜的散热能力可按以下参数进行计算 喷漆的金属柜壳散热能力 8W m2 塑料柜壳 操作面板 MDI 部分等 散热能力 3 7W m2 温度升高时允许温度高于电柜外部 13 例如操作站尺寸为 560 W 470 H 150 D mm 计算金属柜壳的表面积 0 5722mm2 计算塑料柜壳的表面积 0 2632mm2 则电柜允许的总散热量是 8 0 5722 13 3 7 0 2632 13 72W 那么该电柜中安装的各单元的散热总量不能超过 72W 4 34 3元器件选型元器件选型 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 Ue Ug 2 低压电器的额定电流应不小于回路的计算工作电流 即 Ie Ig 3 设备的遮断电流应不小于短路电流 即 Izh Ich 4 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 4 3 14 3 1断路器断路器 作用 过载保护 短路保护 欠压保护 4 3 1 14 3 1 1一般选型一般选型 需满足以下几点要求 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 4 3 1 24 3 1 2电动机保护用自动开关的选型电动机保护用自动开关的选型 需满足以下几点要求 1 长延时电流整定值 电动机额定电流 2 6 倍长延时电流整定值的可返回时间 电动机起动时间 3 鼠笼形瞬时整定电流为 8 15 倍脱扣器额定电流 绕线形瞬时整定电流为 3 6 倍脱扣器额定电 流 4 3 24 3 2熔断器熔断器 作用 短路保护 做过载保护使用时 可靠性不高 因此不考虑价格因素断路器更可靠稳定 4 3 34 3 3接触器接触器 作用 接触器用来接通和分断负载 与热过载继电器组合 保护运行中的电气设备 与继电控制回路组合 远控或联锁相关电气设备 接触器选型原则 接触器的选型主要需要确定种类 负载类型 主回路参数 控制回路参数辅助触点 以及电气寿 命 机械寿命等多种情况综合考虑 1 根据使用目的和要求选型 注意严格区分主回路负载类型是直流还是交流 交流接触器不同于直流接触器 用于直流负载时 只适用于 DC 1 至 DC 5 负载 对于 DC 5 以上的直流负载建议使用直流接触器 另外电容接触器不能用 普通交流接触器替代 注 DC XDC X 指直流 使用类别 不做详细介绍 DC 5DC 5 指的是串励电机的起动 反接制动与反向运转 点动 电 机动态分断情况 2 根据负载类型和主回路参数选型 主回路参数主要是额定工作电压 额定电流 极数 通断能力 绝缘电压和耐受过载能力等 尤 其要注意负载类型 接触器可以运行在不同的负载类型下 但是对应的型号不同 不能完全依靠主极 电压和功率选型 3 控制回路及辅助触点 接触器的线圈电压按照控制回路电压确定 目前 国产接触器一般只有交流线圈 如果需要直流 线圈 需要选择进口产品 对于辅助触点 不同接触器所允许安装辅助触点的位置和个数均不同 需 根据实际情况进行选择 4 电气寿命和机械寿命 在设计过程中 如果对电气寿命有严格超过数百万次要求 需特殊注意根据样本进行选择符合要 求的接触器类型 4 3 44 3 4继电器继电器 电磁继电器主要构造 是由电磁铁的线圈组件与电路触点组件所构成 1 电磁继电器的基本原理 是自线圈两端加上额定电压 一定电流会通过线圈使线圈组件形成电磁 铁 从而吸引触点组件可动部分 致使电路发生通断作用 2 电磁继电器的触点依动作分为静触点 动触点 3 电磁继电器的触点依电路作用分为常开触点 常闭触点 当其线圈未通电时处于断开状态的静触 点 称为常开触点 N O 处于接通状态的静触点称为常闭触点 N C 选型前需了解以下内容 负载电压 电流大小 负载类型是直流或交流 负载阻抗型式 负载所处环境 温度 湿度 负载控制方式 断通比 控制电路所提供的线圈电压 电流值 控制电路要求的绝缘阻抗值 机器设备的使用寿命 电磁继电器的主要规格及应用原则 触点容量 电磁继电器的触点容量就是对电路电压和电流的导通能力大小 使用时不能超过触点 容量 线圈工作电压和电流 继电器工作时线圈需要的电压和电流 同一机种继电器的构造基本上是相 同的 但为了不同的应用电路设计 同一机种的继电器有数种工作电压和电流可以选择 吸合电压 这是指电磁继电器能够产生吸合动作的最小线圈电压 在实际应用中 为使继电器可 靠吸合 所给线圈电压应以线圈工作电压为准 而且不可超过最大允许线圈电压 不然线圈很可能会 过热烧毁 释放电压 这是指电磁继电器产生释放动作的最大线圈电压 如果减小在吸合状态的继电器的线 圈电压 当电压减小到一定程度时 继电器触点将恢复到线圈未通电时的状态 环境温度 电磁继电器工作时必须在允许的环境温度范围内 才不致造成部件因温度异常导致继 电器性能劣化 线圈温升 当电磁继电器工作时 其线圈本身是发热的来源 必须在允许的最大温升内 才不致 造成线圈组件因温度过高导致性能劣化 外形尺寸 电磁继电器的外形尺寸是依整体空间允许而定 一般而言 外形尺寸较大的继电器具 有更好的散热能力 总之 实际继电器机种型号的选用 要以厂商提供之规格为参考依据 再考虑负载的阻抗型式是 否 有浪涌电流 保留充份的余度 4 3 5开关电源开关电源 直流电源在电气线路设计中的合理使用非常重要 原则上系统的输入 输出用电源尽可能要采用 不同的电源 即每台机床至少有两个开关电源 一个提供系统 I O 面板 光栅接口及输入 X 地址使 用 一个给输出 Y DOCOM 地址提供电源驱动柜内或机床外围元件使用 不要简单地增加电源容量 严禁电源并联使用 开关电源有以下参数需在选型时关注 1 开关电源的安装方式 导轨安装或直接固定 2 温度范围有三个参数 工作温度 满载温度及存储温度 需根据现场工作环境进行选择 3 输入电压及频率范围 一般输入交流电压 110V 240V 50 60Hz 也有直流输入规格 如有特殊 需要可根据样本进行选择 4 防护等级 根据现场环境情况确认 5 环境湿度要求 不同质量的电源能够承受的湿度范围不同 具体需参考相应电源样本确定 6 过载性能 根据样本中的 V I I T 进行确认能否达到现场使用要求 7 输出电压的可调范围 不同输入状态下可获得更佳的输出电压范围 额定输出电流 根据负载情 况决定 为保证负载的稳定运转 电源容量需有一定余量 同时基于节能考虑 当使用一个电源带多 个负载回路时 要清楚负载回路的时序 选择电源容量大于联动负载最高值即可满足 8 尽量将开关电源安装在远离强干扰源的位置 9 推荐的外部 24VDC 电源 稳压电源 指标 电源电压必须满足 UL1950 的要求 输出电压范围 24V 10 21 6V 26 4V 负载的波动 包括突变电流 由于外部输出或其它因素使负载波动时输出电压波动不要超出允 许 范围 允许的输入瞬间中断持续时间 供参考 10ms 输入幅值下降 100 时 20ms 输入幅值下降 50 时 4 3 64 3 6接线端子的选型及布置规范接线端子的选型及布置规范 在接线过程中 需尽量按以下规范布置端子排走线 1 交 直流分开 在同一类型的端子排中 如果有分配直流的 还有分配交流的 那么把分配直流的端子排和分配 交流的端子排分开 要么先直流后交流 要么先交流后直流 即把其中一种排完再排另一种 这样便 于走线 也防止出现错误 2 每个端子排上有 2 个或多个点相通 每个点内只能有一个端子 所以 在用端子排分线的时候 一定要数清接点的个数 不够用的可使用短接片连接多个端子排 以满足使用需要 并以此来确定端 子排的数量 使用短接片连接图 端子排排号的方法有多种 最常见的就是用阿拉伯数字依次排序 或者用原理图上的线号直接标 记 3 接到端子排上的线号 要与端子排的接点一致 便于查线 因为 0V 和 24V 的端子排的数量比较 多 所以用短接片短接在一起 但是为了明确各个不同出处及去处的端子 便在线号 0V 和 24V 后面加 上表示它们在端子排上的位置的线号 例如三点的端子排 由上至下依次标记为 A B C 点 接线表 中接到端子排的 A 点上的 0V 标记线号为 0VA 接线表中接到端子排的 B 点上的 0V 标记线号为 0VB 依 次类推 这样便于在接线过程中正确接线 防止出现所接线过长过短或线号标记方向错误的问题 4 接地端子排的使用 图中可以看出接地端子和普通端子的设计区别在于接地专用端子导轨卡脚处是金属铜片连接 而 导 轨和背板通过螺丝或铆钉连接 同时背板会接地 但由于中间转接环节多 电阻较大 通常在接 地端子 排完成后加接一条较粗的接地线直接接地 4 44 4元器件的分布与设计参考元器件的分布与设计参考 对于元器件的分布 一般依据以下原则进行布局 1 通过强电流和弱电流的元器件尽量分开 2 同一类元件尽量紧靠安装 如断路器和断路器安装在一起 继电器和继电器安装在一起 接线端 子排尽量布置在一排等等 3 查看元器件的规格说明书 检查是否有对空间和环境的特殊要求 4 元件布局时 必须要考虑到布线的简洁 方便 节约成本且维修方便 5 电气设备应有足够的电气间隙及爬电距离以保证设备安全可靠的工作 6 电气元件及其组装板的安装结构应尽量考虑方便正面拆装 如有可能 元件的安装紧固件应能在 正面紧固及松脱 7 各电器元件应能单独拆装更换 而不影响其他元件及导线束的固定 8 发热元件宜安装在散热良好的地方 两个发热元件之间的连线应采用耐热导线或裸铜线套瓷管 9 电阻器等电热元件安装一般应安装在箱子的上方 安装方向及位置应考虑到利于散热并尽量减少 对其它元件的热影响 10 柜内的 PLC 等电子元件的布置要尽量远离主回路 开关电源及变压器 不得直接放置或靠近柜 内其他发热元件的对流方向 11 主令操纵电器元件及整定电器元件的布置应避免由于偶然触及其手柄 按钮而误动作或动作值 变动的可能性 12 系统或不同工作电压电路的熔断器应分开布置 13 熔断器 使用中易于损坏 偶尔需要调整及复位的零件 应不经拆卸其他部件便可以接近 以 便于更换及调整 元件排版应考虑到元件的布置对线路走向和合理性的影响 对大截面导线转弯半径的考虑 对强 弱电元件之间的距离放置 对发热元件的方向布置 为最大限度的防干扰对 PLC 和其他仪器仪表相对 于主回路和易产生干扰源元件之间的布置等等 这些都成为排版布置时必须综合考虑的问题 4 5 4 5 抗干扰和接地对策抗干扰和接地对策 电磁干扰有传导干扰和辐射干扰两种 传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合 干 扰 到另一个电网络 辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合 干扰 到另一个电网络 在高速 PCB 及系统设中 高频信号线 集成电路的引脚 各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源 能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作 因为表面安装和大规模集成电路的应用 CNC 的体积已经得到稳步减小 设计上也可以防止外部的 噪声对 CNC 的损坏 然而 很难定量测量噪声的水平 并且噪声有很多不确定的因素 防止内部噪声 的产生和防止外部噪声传入 CNC 都非常重要 如果能注意到这些 就会提高 CNC 加工中心的稳定性 CNC 的功能部件经常和电柜中的能产生噪音的电磁元件装在一起 可能传入 CNC 的噪声源有电容耦合 电磁感应和对地的循环 以下这些措施实施简单 效果明显 能够很好的提高抗干扰能力 4 5 14 5 1信号线的分离信号线的分离 机床中使用的电缆种类如下所述 机床使用电缆的分类及抗干扰处理措施 组信号线抗干扰处理办法 初级交流电源线 次级交流电源线 将A组电缆与B组和C组电缆分开捆绑 分组捆 绑时两组电缆间距离至少10cm 或者将A组电缆进行屏蔽 使用接地板在两组间 交流 直流电源线 包括伺 服和主 轴电机的电源线 交流 直流线圈 交流 直流继电器 进行屏蔽 在线圈或者继电器上安装灭弧装置或者二极管 直流线圈 24VDC 直流继电器 24DC CNC和强电柜之间的DI DO 电缆 CNC和机床之间的DI DO电