基于KND数控系统CK6136电气控制电路设计及调试

目录目录 -1摘要 -11 绪论 -31.1 引言 -31.2 数控机床概述 -31.3 数控车床的组成 -51.4 数控系统的发展趋势 -72 CK6136 数控车床概述 -122.1 数控车床工作原理 -122.2 CK6136 数控车床运动分析 -132.3 CK6136 数控车床电气系统概述 -143 CK6136 数控车床主轴驱动系统设计 -183.1 概述 -183.2 主轴电动机的选择 -183.3 主轴电机驱动装置的选择 -193.4 常用电器元件的选型 -214 控制系统设计 -244.1 CK6136 数控车床数控系统选型 -244.2 可编程控制器概述 -254.3 PLC 的选型及 IO 地址分配 -27总结 -39参考文献 -392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，随着经济的快速发展，机床工业也有了飞跃的发展：体现在新技术的广泛应用和企业效益的明显改善。目前机床行业的消费主流是数控机床。从国内外市场对数控机床的需求来看，以后数控机床市场具有以下特征：一是经济型数控机床是以后的主流产品。二采用新技术，降低成本，提高产品稳定性是企业生存的关键。本文主要介绍了对数控车床的电气系统设计的过程。CK6136 数控车床，对其电气系统设计使尤为重要的，其内容包括强电设计、弱点设计、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31 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。43、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。可以不间断地连续加工，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、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 10m 提高到 5m,精密加工中心则从 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） 。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 4000-6000rpm，到了九十年代，则达5到 8000-12000rpm;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 LED 显示到 TFT 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(FMS)，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。1.3 数控车床的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、6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。图 1.1 数控车床的组成、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。7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。81.4 数控系统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。计算机数控系统，由于采用封闭的体系结构，它的通用性、软件移植性、功能扩展和维修都比较困难；开放式体系结构的计算机数控系统的发展，使传统的计算机数控系统的市场正在受到挑战。开放式计算机数控系统，采用软件模块化的体系结构，显示了优良的性能，能适应各种计算机的软件平台，具有统一风格的用户交互环境，操作、维护、更新换代和软件开发都比较方便，具有较高的性能价格比，已成为数控系统发展的方向。世界 CNC 机床产量中 ,低、中、高档 CNC 机床之比为 30:60:10。高档 CNC机床主要被德国、美国所垄断；日本占据了中档 CNC 机床的主要市场; 韩国则是中低档 CNC 机床的主要供货商。可见中高档 CNC 系统基本掌握在德、美、日本几个国家中。2007 年,全球 CNC 系统市场销售额为 61 亿美元。国外的主要CNC 系统制造商有西门子(Siemens) 、发那克(FANUC)、三菱电机(Mitsubishi Electric)等,2007 年全球 CNC 系统市场 Siemens 占了 34.6%,FANUC 占了 29.2%,三菱电机占了 12.3%2。传统 CNC 系统目前仍在世界各国得到广泛应用,由于传统 CNC 系统的封闭性,使企业难以实现网络化,各制造商的 CNC 系统软硬件又不兼容,用户基本上无法介入。目前传统 CNC 系统主要有 FANUC 0 系列、 MITSUBISHI M50 系列和SINUMERIK 810M/T/G 系列等。随着工业计算机技术的不断发展和完善,CNC 系统向开放式发展是必然趋势。开放式 CNC 系统的软硬件和总线规范都是对外开放的,有充足的软硬件资源可被用户应用,因此具有性价比高、模块化结构、友好的人机界面和优良的开放性等特点。开放式 CNC 系统经历了以下的发展 :1） “PC 嵌入 CNC”结构的开放式 CNC 系统。该系统是制造商在传统 CNC系统的基础上,将专用数控软件技术和工业控制机(Industrial Personal Computer, IPC)资源相结合的产品,它具有一定的开放性。目前主要有 FANUC 10、11、12系列、SiemensSINUMERIK 802D 系列和 AB 9/360 系列等。2） “CNC 嵌入 PC”结构的开放式 CNC 系统。该系统由运动控制模块与 IPC9共同构成,用户可自行开发所需的 CNC 系统。主要有美国 Delta Tau 公司的PMAC-CNC 系统、Aerotech 公司的 UNIDEX 600 系统和日本 MAZAK 公司的MAZATROL 640 CNC 系统等3。3）软件化开放式 CNC 系统。该系统将所需 CNC 软件装在 IPC 中,构成各种类型的高性能 CNC 系统 ,不少 CNC 系统制造商还将可编程控器 (Programmable Logic Controller, PLC)和内装伺服控制的全软件化集成在 CNC 系统中。目前,主要有美国 MDSI 公司的Open CNC 系统、德国 Power Automation 公司的 PA8000 NT 系统和日本三菱电机公司的 E60 系统等。随着实时智能控制技术的发展,有不少 CNC 系统还配置了编程专家系统、故障诊断系统、参数自设定系统等,使 CNC 系统实现了智能化。FANUC 已开发了智能化 CNC 系统F15,该系统主要应用了人机通信 (Man-Machine Communication,MMC)、计算机数控(Computer Number Control,CNC)和可编程机床控制器(Programmable Machine Controll, PMC)的技术。为了加快 CNC 机床的应用和开发速度 ,应用计算机仿真技术,对数控加工过程进行编程,还可应用虚拟仿真技术对刀具的防碰撞、工件几何结构和运动性能等实现检验,以此取代实物加工,降低生产成本,缩短 CNC 编程周期。Siemens 开发的“虚拟 CNC”技术,可实现加工过程的可视化仿真演示,使西门子 CNC 系统具有用户界面图形化(HMI)、用户化定制和补充(CNCK)、PLC、硬件配置(包括操作站、键盘、I/O 等) 、可联网的开放性结构和功能。在虚拟 CNC 系统中,可对加工的工件在计算机上实现模拟加工,并修正加工的 CNC 程序,以保证实际加工工件的精度和质量。国产 CNC 系统产业发展迅速，已取得了飞跃性的进步。特别是国产高档CNC 系统开发成功 ,打破了国外技术封锁 ,中高档 CNC 系统大部分仍采用Siemens 和 FANUC 产品。国内 CNC 系统基本占领了低端 CNC 系统的市场,中高档 CNC 系统的研发和应用也取得了一定的成绩。据美国权威咨询机构 ARC分析,中国 CNC 机床的需求开始趋向高速度、高精度和高效率,因此中国对中档CNC 系统的需求将有较快地增长。国内主要 CNC 系统生产基地有北京凯恩帝数控、华中数控、航天数控、广州数控设备有限公司(以下简称广州数控)和上海开通数控设备有限公司(以下简称开通数控)等。武汉华中数控股份有限公司(以下简称华中数控)、北京航天数10控系统有限公司(以下简称航天数控)、北京机电院高技术股份有限公司和上海电气(集团 )总公司等已成功开发了五轴联动的 CNC 系统,分别应用于 CNC 加工中心、CNC 龙门铣床和 CNC 铣床。近期,武汉重型机床集团有限公司应用华中CNC 系统,成功开发了 CKX5680 CNC 七轴五联动车铣复合加工机床。国内的 CNC 系统产品已能满足一般的应用 ,并能与进口产品竞争,占领了国内大部分市场。国内各 CNC 系统制造商正在研发基于总线技术的中高档 CNC 系统,华中数控在北京国际机床展上展出了基于工业以太网技术的交流伺服驱动系统,开通数控和上海交通大学联合研发的基于工业以网技术的嵌入式 CNC 系统也已小批量生产。然而,由于我国数控软硬件研究开发的基础较差,技术积累较少,研发队伍的实力较弱,研发的投入力度不够,因此国产中高档 CNC 系统在性能、功能和可靠性方面与国外仍存在较大差距。为此需要政府、院所高校和制造商共同努力,以推进我国中高档 CNC 系统的发展。国内数控系统总体来说与国外数控系统产品仍然有较大差距，最近几年，普及型、中、高档数控系统的国产市场完全被外国公司垄断，国外一些知名厂家采用技术封锁和低价倾销的双重策略，利用其先进的技术和产品以及灵活多样的促销手段抢占中国市场，扼杀中国的数控民族工业。但随着时间的迁移，国内用户已逐渐领略到使用国外系统的弊端：不能及时维修及高昂的维修费用；不便于系统的更新；难于进行二次开发；由于国外厂家技术封锁，国外系统难于作二次开发，而许多用户要求系统的开放性，以便根据实际情况扩展功能；在低端市场，价格较国内的昂贵，性价比低。随着国内一些公司不断地科研创新，近年来在高端市场也取得了跨越式的进展。以华中数控系统为例，华中数控系统采用了以工业 PC 机为硬件平台，DOS、 Windows 及其丰富的支持软件为软件平台的技术路线，使主控制系统具有质量好，性能价格比高，新产品开发周期短，系统维护方便，系统更新换代和升降快，系统配套能力强，系统开放性好，便于用户二次开发和集成等许多优点。华中数控系统在其操作界面，操作习惯和编程语言上按国际通用的数控系统设计。国外系统所运行的 G 代码数控程序，基本不需修改，可在华中数控系统上使用。同时，华中数控系统采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能，便于用户学习和使用。系统提供类似高级语言的宏程序功能。具有三维仿11真校验和加工过程图形动态跟踪功能，图形显示形象直观。操作、使用方便容易。与 SIMENSE 和 FANUC 的普及型数控系统相比较，华中数控系统在功能上毫不逊色，在价格上更为低廉，在维护和更新换代方面更为方便，但在外观和可靠性方面略差。PC 数控的技术路线是目前国际上数控系统技术发展的潮流，SIMENSE 和FANUC 也开始转向 PC 数控。国外 PC-CNC 主要在原 CNC 上增扩 PC，用于图形、通讯和大容量存储，如 FANUC 160、西门子 840、和美国 AB9360 等；另一种在 PC 上扩充带 DSP 处理器的控制卡，如 FANUC open 4、美国 DeltaTau 的 PMAC 等。目前，随着我国国民经济的发展以及国家的大力支持下，华中数控设备有限公司先后成功研制成功华中 I 型、中华 I 型、蓝天 I 型、航天 I 型四个基本型数控系统。国内各系统均实现了高档多轴多过程控制。当前，仍有众多 CK6136 数控车床制造商选用 FANUC OTD，KND K100Ti-D 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 CKA6136 数控车床采用 KND K100Ti-D 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。 122 CK6136数控车床概述2.1 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。CK6136 数控车床的技术参数如下：名称 单位 技术参数床身导轨宽度 mm 330床身最大回转直径 mm 360拖板最大回转直径 mm 180最大工件长度 mm 800-1000主轴通孔直径 mm 52主轴转速 r/min 19-3000主轴电机功率 kW 5.5/7.5卡盘尺寸 mm 200X 轴快移速度 mm /min 5000X 轴最小设定单位 mm 0.005/0.001X 轴重复定位精度 mm 0.007Z 轴快移速度 mm /min 10000Z 轴最小设定单位 mm 0.01/0.001Z 轴重复定位精度 mm 0.01尾架套筒直径 mm 55尾架套筒锥孔 MT4尾架最大行程 mm 150刀架工位数 把 4/6外形尺寸 mm 210010001400重量 吨 1.513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 KND K100Ti-D。 （8）大孔径主轴，其主轴通孔直径 60，能通过较大直径的棒料。主轴扭矩大，刚性强，可强力切削。 （9）独立放置的操纵箱可纵向滑移，便于操作者就近对刀，操纵箱面板采用触摸式按键，美观可靠。 （10）配有内冷却，不抬起刀架更有利于加工工件及防止冷却液飞溅。 （11）床鞍及滑板导轨结合面采用“贴塑”处理，移动部件可实现微量进给，防止爬行。2.2 CK6136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。142、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 CK6136 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CK6136 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CK6136 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。2.3 CK6136数控车床电气系统概述CKA6136 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，采用北京凯恩帝公司的产品，使机床性能价格比十分优越；主轴系统采用北京凯恩帝变频器主轴变速，方便灵活。机床电气控制系统框图如图 2-1 所示。15图 2-1 CK6136 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。 电网电压：交流 380V(10%) 电网频率：50Hz（1Hz） 工作环境温度：540 度 相对湿度：25 时 80% 16（3）机床电气的构成 1）数控系统 CNC 北京凯恩帝公司：K100Ti-D2）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 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。 173 CK6136数控车床主轴驱动系统设计3.1 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。主轴电动机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。对主轴电动机的选型一般有以下要求：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。183.2 主轴电动机的选择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 。主传动链的功率效率 =0.7-0.85， 数控车床多采用调cP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 ZFkW=60ZCVP-主切削力的切向分力，N；F-切削速度 N ；vcm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，ZF则知道 PC=2500 120/60000=5kw=6.4kcPW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。CK6136 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 。3.3 主轴电机驱动装置的选择对主轴电机变频器的选择需要从以下几个方面考虑：1、根据负载特性选择变频器。如负载为恒转矩负载可选择西门子MMV/MDV 变频器，FANUC 变频器，ABB 公司 ACS400 系列变频器等；如负载为风机、泵类负载可选择西门子 ECO 、MM430 变频器，ABB 公司ACS800 系列变频器等。2、选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加 10而温升会增加 20左右。所以在选择19电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。3、变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。4、当变频器用于控制并联的几台电机时，一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。如果超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种情况下，变频器的控制方式只能为 V/F 控制方式，并且变频器无法实现电动机的过流、过载保护，此时需在每台电动机侧加熔断器来实现保护。5、对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。6、使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，会产生较多的高次谐波。而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。7、 变频器用于变极电动机时，应充分注意选择变频器的容量，使其最大额定电流在变频器的额定输出电流以下。另外，在运行中进行极数转换时，应先停止电动机工作，否则会造成电动机空转，恶劣时会造成变频器损坏。8、驱动防爆电动机时，变频器没有防爆构造，应将变频器设置在危险场所之外。9、使用变频器驱动齿轮减速电动机时，使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的制约。润滑油润滑时，在低速范围内没有限制；在超过额定转速以上的高速范围内，有可能发生润滑油用光的危险。因此，不要超过最高转速容许值。10、 变频器驱动绕线转子异步电动机时，由于绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比，绕线电动机绕组的阻抗小，因此，容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。11、 变频器驱动同步电动机时，与工频电源相比，会降低输出容量1020，变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺值的乘积。12、变频器驱动潜水泵电动机时，因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流大， 所以选择变频器时，其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。13、当变频器控制罗茨风机或特种风机时，由于其起动电流很大，所以选20择变频器时一定要注意变频器的容量是否足够大。14、选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否则现场的灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。15、单相电动机不适用变频器驱动。CK6136 数控车床变频器主轴伺服驱动电路如图 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3.4 常用电器元件的选型1、低压电器的选择原则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 IzhIch214)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。2、断路器的选型断路器其保护装置由三部部分组成，即过电流（电磁）脱扣器、热脱扣器、失电压（欠电压）脱扣器组成。断路器相当于电源开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能进行短路、过载、失压（欠压）保护的电器。选用断路器时，断路器的额定电压应不小于被控线路的额定电压，断路器的额定电流应不小于其所安装的过流脱扣器和热脱扣器的额定电流。其中过电流脱扣器和热脱扣器的额定电流不应小于被保护线路的额定电流。过电流脱扣器的瞬的脱扣整定电流应大于负载电路正常工作时的尖峰电流，对于电机负载，其断路器的电流脱扣器的瞬时脱扣整定电流应取电机允许启动电流的 1.7 倍。热脱扣器的整定电流应取被控电机或其它负载额定电流的1.1 倍。选用断路器应参照断路器厂家样本中所示的电流脱扣曲线图和热脱扣曲线图，作为选择断路器的依据。保护：过载，短路，欠电压一般选型：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。3、电动机保护用自动开关的选型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 815 倍脱扣器额定电流；绕线形瞬时整定电流为 36 倍脱扣器额定电流。4、接触器的选型 交流接触器是利用电磁线圈的吸力特性使触头闭合或断开大电流电路，其22可频繁接通或断开电机或其它负载。交流接触器的额定电压，其额定电压应不小于负载回路的电压。交流接触其的额定电流应不小于被控回路的额定电流。交流接触器的额定电流应依照以下公式计算： n=KMPIU式中： 为接触器主触头电流为负载的额定功率n为负载的额定电压K 为经验系数，取 11.45、热继电器的选型1）按电动机起动时间选择： tf0.57td （ ）tf：热继电器在 6Ie 下的可返回时间td：热继电器在 6Ie 下的动作时间2）按电动机额定电流选择：Iz（0.951.05）IedIz：热继电器整定电流Ied：电动机额定电流3）按断相保护要求选择：对于星形接法的电动机，采用三极热继电器即可；对于三角形接法的电动机，应采用带断相运转保护装置的热继电器。6、中间继电器的选型中间继电器是继电器的一种，内置常开和常闭触点，其根据外界输入的一定电信号，使其线圈导通，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对强电回路的控制，以达到弱电控制强电的目的。主要开关电器型号、规格如表 6-1 表 6-1 主要开关电器型号、规格名称 代号 型号 整定值 用途 生产商QM2 MS116-1 0.75A 刀台电动 机QM3 MS116-0.63 0.4A 润滑电动 机电动机启 动器QM4 MS116-0.4 0.32A 冷却电动 机ABB23QF13 NMD1-63D3P 20A 变频电动 机QF14 NMD1-63D3P 10A 伺服电动 机QF1 NMD1-63D2P 3A TC1 原边QF2 NMD1-63D1P 3A TC1 副边QF3 NMD1-63D1P 5A TC1 副边220VQF5 NMD1-63D1P 5A +24V断路器QF6 NMD1-63D1P 1A TC1 副边220V上海良信4 控制系统设计4.1 CK6136数控车床数控系统选型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（PLC） 、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CNC（Computer Numerical Control）系统。CNC 主要工作内容为加工程序输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、I/O 处理、显示机床状态和诊断。现代 CNC 装置采用了高速微处理器、高效 CNC 体统专用 PLC、大容量存储器、接口芯片、串行总线等，通过 CNC 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（FMS ）和计算机集成制造系统（CIMS）的要求。图 8-1 CNC 系统框图24如图 8-1 CNC 系统框图，但各个系统厂商的 CNC 系统结构各有不同，但基本原理大体一样。CK6136 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，CK6136 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。国外典型的数控系统有日本的 FANUC 数控系统，德国的 SIEMENS 数控系统等；国内的有华中数控系统等。其中 FANUC 数控系统有 0 系列、11 系列等多个系列，而 FANUC 0 系列应用最为广泛。国内典型的数控系统有北京凯恩帝、华中数控设备有限公司的数控系统。北京凯恩帝控制系统是新一代高端数控铣、加工中心系统，采用全新升级的软硬件，可实现 0.25ms 的插补周期，具有高速响应能力，新增如 3D 实体图形、多方式对刀、高速高精及断点控制等多种控制功能，最大控制轴数为 3/4/8 轴，可配置凯恩帝公司高速伺服单元及绝对式编码器电机，适用于各种高性能数控铣，立式加工中心、卧式加工中心、龙门加工中心机床。具有高速高精的功能，支持四轴联动。优势在于性价比高。适合中小企业做批量零件加工的用户群。北京凯恩帝公司的数控系统产品用于车床两轴机械用的 K1000T