基于PLC的数控车床电气控制系统设计 (2)

单位代码 10006 学 号 12334201608 分 类 号 T 工业技术 密 级 毕 业 设 计 (论 文 )基于 PLC 的数控车床电气控制系统设计学 习 中 心 名 称 北 航 校 本 部 学 习 中 心专 业 名 称 机 械 工 程 及 自 动 化学 生 姓 名指 导 教 师二 零 一 四 年 三 月 十 八 日 基于 PLC 的数控车床电气控制系统设计苏 书 北 京 航 空 航 天 大 学本 科 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书、毕业设计（论文）题目：基于 PLC 的数控车床电气控制系统设计 、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：原始资料：CK6146 数控车床为两轴车床，该车床的外型尺寸为 156010001520，最大工件长度是 300，最大工件的回转直径是 250，刀架上最大工件的加工直径是 160。主要由床身、床鞍、主轴变速箱、刀架、丝杠、卡盘和尾架等组成。床身是一个整体的铸件。技术设计要求：对该机床进行电气控制设计，要求主轴能在一定范围内进行调速并可以实现正反转，主轴在系统变速时作断续低速运动避免出现顶齿现象,电路中要有必要的保护和连锁设计。 、毕业设计（论文）工作内容：介绍数控车床的电气控制系统，对 CK6146车床进行电气控制系统的设计并结合工作原理图分别对该车床的硬件设计和软件设计部分加以说明。 、主要参考资料1 李朋 CA6140 车床的数控化技术改造D 东北大学研究生系教研室 2012:1-3 ； 2 王北平 基于 PLC的数控机床电气控制系统技术研究J 电源技术应用 2013年第 4期； 3 郑阿奇 Protel 使用教程M 北京 电子工程出版社 2010 ； 4 宋凤娟 袁晶晶 薛雅丽 数控车床交流伺服系统及应用J 煤矿机械 2010年第 31卷第 1期； 北航校本部 校外学习中心 机械工程及自动化 专业类学生（学号） 12334201608 毕业设计（论文）时间： 自 2014 年 02 月 25 日至 2014 年 04 月 21 日指导教师： 张宏宇 兼职教师（并指出所负责部分）：校外毕设组织协调小组（签字）： 注：任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 - I - 页本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。作者： 签字：时间： 北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 - II - 页基于 PLC 的数控车床电气控制系统设计摘 要利用数字代码形式的程序指令控制刀具按给定的工作程序、运动速度和诡计进行自动加工的机床称为数控机床。数控车床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械制造技术等高新技术于一体的典型机电一体化产品 1。有关资料表明，目前我国机床总拥有量为 378万台，然而其中数控机床只有 8万多台，远远低于欧美发达国家机床数控化率 20%以上的水平，并且设备老化陈旧、自动化水平低、技术水平落后、劳动生产率低，严重影响了生产力的发展。数控车床的拥有数量以及数控车床电气控制系统的技术应用水平，能够体现国家在工业现代化水平的标志之一，早期的车床是应用继电器逻辑来实现相关的功能，继电器逻辑作为一种硬接线系统，其体积庞大，布线比较复杂，更改较困难，若是出现问题，维修起来比较难。所以这样的系统应用范围有限，可靠性也不高。本文用可 编 程 控 制 器 展 开 对 CK6146 车 床 的 电 气 控 制 系 统 进 行 的 设 计 ，主 要 介 绍了 数 控 车 床 的 基 本 结 构 、 数控车床 PLC的功能、 数 控 系 统 的 工 作 原 理 、 数 控 车 床 的电 气 系 统 控 制 原 理 及相应的 PLC程序编制与调试等方面的内容。本文主要设计完成了坐标轴控制程序、主轴控制程序、定时润滑控制程序、冷却程序、报警处理程序、自动换刀控制等程序功能开发，并且进行了调试，通过相关设备，观察了控制程序的运行情况。关键词：数控车床，可编程控制器(PLC),控制系统北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 - III - 页CNC Lathe Control System Design Based On PLCAbstractNumerical control machine tools is the integrated products of typical electrums chains includes computer, automatic control, automatic detection and exactitude mechanical manufacturing technology etc. The application level of CNC lathes can reflect on the level of national industrial modernization. Early, relay logic is applied to achieve the related functions, it works as a hard-wired relay logic system, bulky, complex wiring, difficultly changing. If problem happens much more difficultly to repair. Due to a hard-wired relay logic system, the reliability is not high.In this paper, a micro programmable controller is used to design CK6146 lathe electrical control system. Which mainly introduced the basic structure, the PLC function, CNC system work principle, CNC lathe electrical control principles and the corresponding PLC programming and debugging etc.In this paper, the programs of alarm processing, axis control, cooling, regular lubrication control, automatic tool changing are developed and debugged. With related equipment, the operation of the control program situation is observed.Key words: CNC lathe, programmable logic controller, control system北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 - IV - 页目 录本人声明 .I前言 .11 数控车床电气控制 系统介绍 .21.1 数控车床的基本结构 .21.1.1 车床主体 .21.1.2 动力源 .31.1.3 电气控制系统 .31.1.4 检测传感部分 .31.1.5 伺服系统 .31.2 数控系统的工作原理 .41.2.1 数控系统的组成 .41.2.2 数控系统的工作原理 .42CK6146 数控车床的电气控制系统的硬件设计 .42.1 CK6146数控车床概述 .42.2 CK6146数控车床的电气控制电路分析 .52.2.1 主电路分析 .72.2.2 控制电路分析 .73 数控车床的电气控制系统的软件设计 .83.1 PLC的编程语言及设计步骤 .83.1.1 PLC的编程语言 .83.1.2 PLC的程序设计步骤 .93.2 PLC程序的模块化设计 .113.3 输入输出分配 .113.4 梯形图程序设计 .133.4.1 梯形图总体框图 .133.4.2 公用程序 .133.4.3 回原点程序 .143.4.4 主轴控制程序 .153.4.5 坐标轴控制程序 .163.4.6 报警处理程序 .183.4.7 定时润滑控制程序 .183.4.8 冷却程序 .213.4.9 自动换刀控制程序 .223.5 梯形图程序的调试 .253.6 本章小结 .25北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 - V - 页结 论 .27致 谢 .29参考文献 .30北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 1 页前言与普通车床相比，数控车床具备诸多优点，主要表现为以下几点:1、数控车床加工能够维持加工条件不变，从而使加工的产品质量保证稳定。原因是加工的条件 (进给量、主轴转速、吃刀深度、刀具等)都己事先预定，依靠指令程序规定，因此，不同的操作员控制都能得到同一的加工质量。2、加工速度快、自动化程度高是数控车床的突出特征，数控车床加工是用机械加工的品种种类多，能够批量生产的一种自动化手段。3、提高了基准面与工件相关尺寸的精度，所以通过数控车床加工的零件，可以很大程度上提高生产的零件装配的互换性，从而提高装配效率和质量。4、数控车床加工能够极大地提高外形不规则或者结构复杂零件的加工精度和加工效率。5、数控车床的操作技术进行数据化后，那么需要的熟练工人就可以相应减少。6、数控车床可以连续工作，进而缩短了加工的周期；也可以大幅度降低人为的操作失误，进而降低废次品率；可以工夹具的标准化，进而减少了工夹具的需用量。正是现如今数控车床具备诸多的优点，我们可以了解其发展的历程。五十年代以来，伴随着精密机械与测试技术以及自动控制技术的不断提高，数控车床同时也在快速的演变和发展，历史上第一台数控车床诞生在美国，正是五十年代开发研制的，使用电子管元件，但是体积庞大。进入六十年代，半导体晶体管的开发与应用进入机械加工领域，随之提高了数控系统的可靠性、而且在成本上价格有所下降。七十年代，中小规模集成电路技术的研究与应用很广泛，同时伴随着纸带传输系统的出现，使得车床的使用的灵活性及加工效率方面得到了提高，也使数控车床应用日趋完善。八十年代至今，数控技术迎来了计算机数字控制(缩写为 CNC)时代，正是微处理器的发展与应用。伴随着微处理器的运算速度不断提高，数控车床的应用范围和功能也在不断的扩大与发展，研北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 2 页究近年来数控车床的发展可以看出，它正向着多功能、高精度、高速化方向发展。更进一步来阐述，传统的车床电气控制系统存在许多的缺点，比如采用继电器和接触器来实现控制；容易发生故障；维护成本高；线路结构复杂等。但是微电子技术的不断发展，促进了可编程逻辑控制器 PLC快速发展并逐渐取代了以往的继电器和接触器控制方式，利用 PLC可编程逻辑控制器的电气控制系统，针对车床不同的加工工艺要求只需要修改相应的控制程序代码和参数即可达到设计的功能，而不需要更换大量硬件元器件，也不需要重新连接相应的硬件线路，节约了大量成本和时间，使车床电气控制系统具备了可扩展性，并使车床的自动化程度大大提高。因此，采用了 PLC代替继电器和接触器控制方式，来提高产品的质量和产量，以及提高企业的设备利用率发挥了重大的作用，可编程控制器 PLC具有这样的优点: 适应性强、广泛的通用性、维修方便而且具备完善的故障自诊断能力、柔性强及可靠性高等，另外，小型的 PLC的成本价很低。所以，本文就以 CK6146车床的电气控制系统为例，详细阐述基于 PLC的数控车床控制系统的设计过程。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 3 页1 数控车床电气控制系统介绍1.1 数控车床的基本结构数控车床，是应用数字化信息针对车床的运动、加工过程进行控制的车床。数字控制技术，是运用数字化信息技术进行控制的技术手段，即数控车床是数字控制技术与车床相结合的成果。数控车床它就是机电一体化产品的典型代表，是集自动控制技术、现代机械制造技术、计算机信息技术、检测技术于一体的高效率，高自动化，高柔性和高精度的现代化机械加工设备，跟其他机电一体化产品在结构方面比较的话，组成是一样的，主要包括：动力源、机械本体、电子控制单元、检测传感部分和执行机器（伺服系统）组成 3。1.1.1车床主体数控车床的主体部分是由车床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件组成，主要起到作用是用来完成对零件的切削等加工任务。1.1.2动力源为数控车床及相关期间提供电能等动力的模块。1.1.3电气控制系统一般称其为电气设备二次控制回路，不同的设备有不同的控制回路，以计算机的数字控制模块为核心，对接收到的数字信息进行解码，逻辑分析和运算，然后传给伺服机构生成的能够被识别的指令，使车床对工件进行加工时按照设定好的指令，显示器和打印机等一些外围设备也属于电气控制系统。1.1.4 检测传感部分对回转工作台的角位移和车床工作台的线位移进行检测，然后将检测的数据传给控制计算机，计算机通过运算来进行控制反馈和显示位置。1.1.5 伺服系统伺服控制系统联接车床与数控系统，是枢纽部分，其性能是影响数控车床稳定性、精度、加工效率、可靠性等方面的重要因素。所以数控车床的伺服系统用来控制和驱动加工部件做一定的预定运动，并且能极好的控制加工速度以及精度,例如数控车床的切割运动是通过伺服系统驱动滚珠丝杠来实现的5。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 4 页车床进给伺服系统主要由车床进给机械传动机构与伺服驱动控制系统两大部分组成。数控车床的伺服控制系统按照有无反馈信号可以分为开环和闭环两种位置控制方式；位置控制系统则由伺服驱动器中的位置控制模块、速度控制模块、反馈控制及位置检测等各部分组成。闭环位置控制需要位置检测及反馈，而开环位置控制则不需要位置检测及反馈。位置控制能够精确地控制车床的运动部件，快速而准确地跟踪指令运动。根据所选取的位置检测信号的不同位置，可分为半闭环与全闭环两种，全闭环系统采用直线位置检测装置，现在生产中多用磁尺或光栅尺作为全闭环系统的位置检测装置6，伺服电机转子后部直接连接半闭环控制系统，就是采取的反馈检测元件和伺服电机同轴连接地旋转编码器，与伺服电机构成一体，因为编码器反映电机的旋转速度和圈数，无法直接反映车床各个进给轴的实际位置。某数控机床采用半闭环的控制系统，其机械误差没有得到改善是因为其机械部分的误差没有被反馈。但是在 CNC 系统中，通过螺距误差补偿和反向间隙补偿，来使这些机械误差大大减小，所以使用这种控制方式的数控车床能达到要求的高精度。伺服参数的设定在设计这个部分阶段是比较关键的。1.2数控系统的工作原理1.2.1 数控系统的组成现在的数控系统都是以计算机为控制中心的，称为计算机数控（Computerized Numerical Control，简称 CNC） 。CNC 系统的结构如图 1.1所示：北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 5 页图 1.1 CNC系统的一般结构框图1.2.2 数控系统的工作原理伺服系统是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度指标等往往由伺服系统决定。伺服系统经历了从步进伺服到直流伺服进而到交流伺服的发展过程。而且随着技术的发展，高速高精度加工的直线驱动已成为伺服系统发展的新趋势。所谓伺服系统，通常以电动机作为控制对象，其核心是控制器，通过一系列电力电子功率变换装置，运用现代自动控制理论，将电气控制信号转换为机械驱动设备即电动机的可执行指令，如转矩、转速和转角等，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。现代数控机床中，数控系统向伺服系统发出位移、速度指令，电力电子功率变换装置的变换、放大处理和调整后，使机床坐标轴、主轴按照既定的指令执行，从而通过轴的联动带动工作台及刀架使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而完成工件的切削加工，满足用户的零件形状需求。伺服系统融合了电力电子器件、控制、驱动及保护等技术，是数控机床的执行机构。随着科技的进步，数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术等新兴技术逐步应用到伺服系统中，步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统的技术愈加发展成熟，大大提高了数控机床的加工精度和速度。在数控机床中，伺服系统主要有主轴伺服系统和进给伺服系统两种形式。数控机床的进给伺服系统的控制对象为机床移动部件的位置和速度等，插CNC 控制器输入设备输出设备计算机硬件和数控系统软件可编程控制器主轴控制单元电气控制单元速度控制单元主轴电动机机床电器进给电动机位置检测程序北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 6 页补装置或插补软件生成的进给脉冲指令发送给电力电子功率变换装置，经过一定的信号变换以及电压、功率放大，检测反馈处理，最后发送给数控机床伺服系统可执行的指令，使刀具按照预定运动轨迹相对机床工作台运动。通常进给伺服系统是指狭义的伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和跟踪工件轮廓的功能，直接影响着工件的加工精度，因此在数控机床中对进给伺服系统的性能要求最高，反映了机床整体的最大进给速度和定位精度等技术指标。通常一般的主轴控制系统仅对主轴的旋转运动进行速度控制，提供切削加工过程中所需要的转矩和功率，并完成在转速范围内的无级变速，实现任意调节转速。但随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要求也越来越高。此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。伺服系统的结构方框图如图 3所示。数控机床要求进给伺服系统具有很高的位置、定位控制和速度控制精度要求，同时要求伺服电动机和机械传动等方面要有很高的稳定性和快速响应，并具有较宽的调速范围，实现无级变速。根据伺服系统中执行机构驱动电动机的类型不同，进给伺服系统包括步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。1)步进伺服系统步进伺服系统的控制对象时步进电动机，它通过将脉冲信号转换成步进电机运动的角位移实现控制。因此步进电机的角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，改变脉冲频率即可调节步进电动机的转速。步进伺服系统具有自锁能力，当停机后某些绕组仍保持通电状态。步进电动机每转一周都有固定的步数，如 500步、1000 步、50000 步，等等，从理论上讲其步距误差不会累计。步进伺服系统结构较为简单，符合现代工业系统数字化发展的需要并得到北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 7 页了广泛的应用，但步进伺服系统容易失步，随着步进电机功率的增大其转速越低，效率越差，精度较差而能耗较高。因此步进伺服系统适用于一些速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。近年来，恒斩波驱动、PWM 驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术快速发展应用于步进伺服系统中，改善了步进电动机的高低频特性，特别是智能超微步驱动技术的发展应用，使步进伺服的性能大大提高。从步进电机定子绕组所加的电源形式来看，与一般交流和直流电动机不同，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。2)直流伺服系统小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机在直流伺服系统得到了较多的应用。小惯量伺服电机最大限度减少了电枢的转动惯量，所以能获得更好的快速性。在早期的数控机床上应用较多，现在也有应用。小惯量伺服电机一般都设计成有高的额定转速和低的惯量，所以应用时，要经过中间机械传动才能与丝杠相连接。永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长时间工作以及电机的惯量较大。能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在 1rmin 甚至在 01rmin 下平稳地运转。因此，这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的应用，自 20世纪 70年代至踟年代中期，它在数控机床上应用占绝对统治地位。至今，许多数控机床上仍使用这种电机的直流伺服系统。永磁直流伺服电机的缺点是有电刷，限制了转速的提高。一般额定转速为 10001500rmin，而且结构复杂，价格较贵。根据电磁力定律，与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，通过改变励磁电流与电枢电流的大小即可方便地控制电动机的转矩与转速。另一方面从经典控制理论角度看，直流伺服的控制是一个单变量输入输出的控制系统，控制系统结构较为简单，调速性能优异，曾在数控机床的进给驱动发展过程中占据着主导地位。然而，在实际应用中，直流伺服电动机必须引入机械换向装置。机械换向装置的换向能力限制了电动机的容量和速度的提升，同时机械换向装置成本较高、故障较多，北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 8 页因此维护困难，甚至经常因碳刷产生的火花而造成事故，并对其他设备产生电磁干扰，影响了生产效率的提升。直流电动机的电枢在转子上使得电动机效率低、散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。3)交流伺服系统人们通过研究直流电动机的缺陷，通过不断摸索改进工作，发明了永磁无刷直流电动机，即将电枢绕组装在定子上，将转子做成永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置。近年来，矢量控制方法的研究是一个热点问题，并得到了实用化发展，运用矢量控制方法的交流伺服系统具有较宽的调速范围、较高的稳速精度、较快动态响应及四象限运行等良好的技术性能，交流伺服系统良好的动、静态伺服特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。目前，在机床进给伺服中主要采用模拟形式、数字形式和软件形式三种类型永磁同步交流伺服系统。模拟伺服系统只能接收模拟信号，应用中位置的精确控制还需要相应的上位机软件实现，因此用途较为单一；数字伺服系统可实现对速度、力矩和位置的控制，实现一机多用。并可接收模拟信号指令和脉冲数字指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好，且具有较丰富的自诊断、报警功能；软件伺服系统是将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现，其基础在于微处理器的全数字伺服系统。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。软件伺服系统由于改变工作方式，更换电动机规格极其方便，也称为万能伺服，其配有数字接口，对伺服系统进行变换时候只需重设代码即可。目前数控机床进给伺服系统的主流仍然是交流伺服系统，并得到了不断的完善和发展。a.高频智能化电力电子器件不断发展促进了智能化系统功率驱动装置的普及与应用；b.基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；c.随着网络化制造模式和现场总线技术的发展，未来伺服系统将朝着网络化的方向发展。4)直线伺服系统北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 9 页直线伺服系统取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，采用了一种直接驱动方式，即省去了机床进给传动链，这种方式极大地提高了伺服系统的相应性能指标，如加速度可达 3g以上，为传统驱动装置的 1020 倍，进给速度是传统的 45 倍，是旋转驱动方式无法比拟的。从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度、高频响、小行程直线电动机与大推力、长行程、高精度直线电动机两类。直线伺服系统技术受到了机床厂家的高度重视，技术发展十分迅速，是高速高精数控机床的理想驱动模式。2001 年在欧洲举办的国际机床展览会上，来自全球几十家机床企业展出了直线电动机驱动的高速机床，特别是德国 DMG公司和日本 MAZAK公司的高速机床，其快移速度达100120mmin，加速度 152g。2000 年，DMG 公司研发超过 20种采用直线电动机驱动的高速机床机型，年生产能力达到 1500台，占据了全球直线电动机驱动高速机床市场 13 的份额。而 MAZAK公司即将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度 2720ms，主轴最高转速 80000rmin，快移速度500mmin，加速度 6g。直线电动机驱动高速机床的发展正逐步取代高速滚珠丝杠驱动的机床，并逐步占据市场主导地位，成为第二代高速机床。5)主轴伺服系统主轴伺服系统提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴的位置控制也提出了相应的要求，一般地，要求主轴伺服系统输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。主轴伺服系统的发展历程经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动的转变。近年来，微处理器技术和大功率晶体管技术也应用到主轴伺服系统中，使得交流主轴伺服系统得到了广泛的应用。6)交流异步伺服系统交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。交流异步伺服系统便于实现矢量北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 10 页化控制，这是因为正弦电流的幅值和频率都可以分解为相应给定的矢量和，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和。交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式交流异步伺服系统是目前机床主轴驱动采用的主要形式，其加速特性近似直线，时间短。且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便。然而交流异步伺服存在两个主要问题：a.转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；b.交流异步伺服系统要想获得较宽的恒功率调速范围，需要较大的逆变器容量，因而交流异步伺服系统的功率因素较低。7)交流同步伺服系统近年来，永磁体的性价比不断得到提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了条件。8)电主轴伺服系统随着数控技术发展高度集成化发展，电主轴伺服系统近年来得到了迅速发展。电主轴伺服系统取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，其将电动机与主轴融合在一起，将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，实现了主轴系统的一体化。其主要优点是：结构紧凑、质量轻、惯性小、动态特性、机床的动平衡显著改善、避免了振动和噪声，广泛应用于超高速切削机床上。从理论上讲，电主轴既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动通常内置一脉冲编码器来实现相位控制及与进给的准确配合，一般使用矢量控制的变频技术。由于电主轴的工作转速极高，实际应用中必须妥善解决其散热、动平衡、润滑等问题，北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 11 页才能确保电主轴高速运转和精密加工。无论伺服系统的动态特性或是静态特性都一直是影响加工性能的重要指标。以上简要介绍了近年来所发展和采用的多种伺服驱动技术。可以预见在不久的将来，超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术时代的到来，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机以及高速电主轴等将成为数控机床行业关注的重点和发展方向。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 12 页2 CK6146 数控车床的电气控制系统的硬件设计2.1 CK6146 数控车床概述数控车床主要用于轴类、盘类零件的加工，能够自动完成工件的外围柱面的粗细加工、内孔的粗细加工、圆弧面的粗细加工等，并且能够在工件端面或圆柱面上进行钻孔、铣槽、铰孔等工作，一个回转体毛坯件，在预先加工好其定位基面后，通过一次装夹可以实现其到成品件的全部工序。所以，数控车床可以极大的提高生产效率。CK6146数控车床为两轴车床，该车床的外型尺寸为 156010001520，最大工件长度是 750，最大工件的回转直径是 460，刀架上最大工件的加工直径是 253。主要由床身、床鞍、主轴变速箱、刀架、丝杠、卡盘和尾架等结构组成。CK6146 数控车床是以一个整体的铸件作为床身。通过床鞍将刀架安置在床身的导轨上。CK6146数控车床的主轴通过卡盘带动工件进行的旋转运动是该机床的主运动；进给运动时刀架的横向或者纵向的直线运动。对该机床进行电气控制设计，主要要解决以下几方面的问题：（1）采用交流电动机驱动 CK6146 数控车床的齿轮变速系统，使各种工件的加工工艺要求都被主轴所适应，在一定范围内进行调速。（2）由于采用齿轮变速，要求主轴在系统变速时作断续低速运动，这是为了避免顶齿现象的发生。（3）要求实现主轴的正反转功能。（4）电路应有必要的连锁及保护的措施。2.2 CK6146 数控车床的电气控制电路分析CK6146数控车床的主要技术参数有：技术参数名称 单位 技术参数数据床身上最大回转直径 mm 460刀架上最大工件回转直径 mm 253最大工件长度 mm 750/1000北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 13 页主轴通孔直径 mm 58主轴头型 D6/A6主轴锥孔 莫氏 6号主轴转速 Rpm 25-2000横向最小设定单位 mm 0.001纵向最小设定单位 mm 0.001尾座套筒最大行程 mm 150尾座套筒锥孔 莫氏 4号刀位数 Set 4/6主电机功率 kW 5.5机床重量 kg 2000/2200CKA6146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。 北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 14 页(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。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 15 页电网电压：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% （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