数控铣床控制系统设计

控控 制制 系系 统统 课课 程程 项项 目目 设 计 说 明 书 项目名称 项目名称 数控铣床控制系统设计数控铣床控制系统设计 系系 别 别 机械电子工程系机械电子工程系 专专 业 业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 姓姓 名 名 city 学学 号 号 组组 员 员 学学 号 号 学学 号 号 指导教师 指导教师 陈少波 完成时间 完成时间 2012 年年 6 月月 8 日日 至至 2012 年年 6 月月 22 日日 课程项目设计报告 2 目录目录 1 概述 3 1 1 设计目的 3 1 2 使用设备 3 1 3 设计内容及要求 3 2 NUM1020 控制系统设计 4 2 1 功能概述 4 2 2 主要元器件选型 5 2 2 1 电机选型 5 2 2 2 伺服驱动器与变频器选型 7 2 3 电路原理设计 7 2 3 1 电源供电设计 7 2 3 2 驱动电路设计 9 2 3 3 电机编码器与伺服驱动器连接设计 9 2 3 4 手轮与轴卡连接设计 9 2 3 5 铣床控制电路设计 10 2 4 控制系统设计 11 2 4 1 控制系统功能设计 12 2 4 2 参数设置 12 2 4 3 程序设计 14 3 总结 17 课程项目设计报告 3 1 概述概述 1 1 设计目的设计目的 1 掌握简单数控铣床控制系统的设计过程 2 掌握常用数控系统 NUM1020 的操作过程 3 掌握交流伺服电机的工作方式及应用过程 4 了解数控系统内置式 PLC 的实现原理及编程方式 5 掌握数控系统自动控制功能程序的设计及开发过程 1 2使用设备使用设备 1 NUM1020 数控系统一套 2 安川交流伺服电机 3 套 3 计算机及梯形图编辑软件一套 1 3 设计内容及要求设计内容及要求 1 以实验室现有的设备 NUM1020 数控系统 作为控制器 参照实验室现 有的数控铣床的功能 完成一台具有 3 轴联动功能的数控铣床的电气系统设计 过程 2 移动轴 3 轴 采用实验室现有的交流伺服电机进行驱动 采用半闭环 位置控制模式 3 主轴采用实验室现有的变频调速器进行设计驱动 系统不要求具备自动 换刀功能 4 完成 PLC 输入输出点的分配 5 具有行程及其他基本的保护功能 6 设计相关功能的梯形图控制程序 要求具有 手动进给功能 手轮进给 功能 MDI 功能 自动控制功能及各种基本的逻辑保护功能 7 完成设计报告 课程项目设计报告 4 2 NUM1020 控制系统设计控制系统设计 2 1 功能概述功能概述 此三轴联动数控铣床由 X Y Z 轴三轴及主轴组成 X Y Z 轴采用伺服电 机传动 由伺服驱动器驱动 主轴采用普通三相异步电机 由变频器驱动 数 控系统采用 NUM1020 数控系统 由 NUM1020 数控系统作为控制核心 三台伺 服驱动器通过 NUM1020 系统的轴卡地址编码控制 主轴变频器由数控系统的 PLC 输出模拟量控制 同时变频器反馈速度模拟量输入到 PLC 系统框图如图 1 所示 图 1 功能概述图 课程项目设计报告 5 2 2 主要元器件选型主要元器件选型 2 2 1 电机选型电机选型 性能参数设计指标 性能参数设计指标 1 工作台质量 m 510kg 所受的重力 W 5000N 2 主轴部分工作部件质量 m 510kg 所受的重力 W 5000N 3 工作台的最大行程 Lp 600mm 4 工作台 X 轴和 Y 轴最大移动速度 Vmax 9000mm min 5 z 轴最大移动速度为 3000mm min 6 主轴最大转速 n 2000n min 7 最大切削力 F 1000N 8 铣刀最大直径 d 20mm 9 工作台采用贴塑导轨 导轨的动摩擦系数 0 15 10 位置控制精度 0 01mm 2 2 1 1 X 轴和轴和 Y 轴驱动电机选型 轴驱动电机选型 X Y 轴为平动 电机驱动力仅需要克服平动所受到的导轨的摩擦力 因此 电机所需功能较小 所需驱动功率 假设电机传动效率为 0 9 则电机最小功率为 P 1 P 0 13kW 2 2 1 2 Z 轴驱动电机选型 轴驱动电机选型 Z 轴电机驱动主轴部件移动时 需要克服工作部件的重力 所需要电机功能 较大 课程项目设计报告 6 所需驱动功率 假设电机传动效率为 0 9 则电机最小功率为 P 2 P 0 28kW 2 2 1 3 主轴轴驱动电机选型 主轴轴驱动电机选型 依据性能参数设计指示 最大切削力 F 1000N 铣刀最大直径 d 20mm 所需电机最大转矩 T 由公式 得 所需驱动功率 查电机型号选型手册 低功率交流电机的转速较大 没有 2840 n min 及以 下的 因此 此处电机扭矩计算按电机转速 3000 n min 计算 假设电机传动效率为 0 9 则电机最小功率为 P 2 P 3 5Kw 根据以上计算 X Y Z 轴的伺服电机选用日本安川品牌的交流伺服电机 主轴选用西门子品牌的三相异步电机 电机型号如下表所示 轴型号转速功率扭矩编码器 XSGMGH054AAA2S1500r min0 45KW490Nm 17 比特 增量式 YSGMGH054AAA2S1500r min0 45KW490Nm 17 比特 增量式 ZSGMGH20ACB2S1000r min2 0KW1176Nm 17 比特 增量式 主轴Y112M 22890r min4 0KW13 2 Nm 课程项目设计报告 7 2 2 1 4 控制控制精度验算精度验算 设齿轮传动比 丝杆导程为 t 6mm 则控制精度为 符合设计精度指示要求 2 2 2 伺服驱动器与变频器选型伺服驱动器与变频器选型 因驱动电机选取的是安川品牌的伺服电机 为了使系统性能更优 方便维 护 选取安川品牌的伺服驱动器 型号与伺服电机对应 变频器选型台达品牌 的通用型号 如下表所示 伺服器与变频器型号 轴品牌型号功率 X安川SGDM 05AD0 45KW Y安川SGDM 05AD0 45KW Z安川SGDM 20ADA2KW 变频器台达VFD750B43A5KW 2 3 电路原理设计电路原理设计 2 3 1 电源供电设计电源供电设计 图 2 所示是铣床数控系统输入电源电路部分 其中 L1 L2 L3 为火线 构 成三相交流 380V 供电线 N 为零线 PE 为地线 一台伺服电机额定电流 8A 整个系统估计 30A 初定 40A 选用 14 平方铜线 电源总开关采用断路器 对电 路过载及过流保护 通过三相隔离变压器 将三相交流 380V 电压转换成三相交 流 220V 电压对伺服电机的供电 三台伺服电机的总功率是 2 9KW 变压器功率 选 4 5KW 加入 220VAC 24VDC 电源模块 将两相 220V 交流电压转换成 24V 直 流电压 对 NUM 系统及其 PLC 输入输出部分供电 课程项目设计报告 8 图 2 电源供电设计 图 3 驱动电路设计 课程项目设计报告 9 2 3 2 驱动电路设计驱动电路设计 如图 3 所示 X Y Z 轴伺服电机连接伺服驱动器 主轴电机连接变频器 变频器的电路接通及正反转控制由 NUM 系统的 PLC 输出电路控制 主轴电机 由接入变频器 由 AC380V 供电 冷却液泵采用三相 AC380V 的电机驱动 功率 为 40W 电路中采用断路器对电路进行过载及短路保护 2 3 3 电机编码器与伺服驱动器连接设计电机编码器与伺服驱动器连接设计 如图 4 所示 为电机编码器与伺服驱动器连接 采用速度控制模式 X Y Z 轴的接线方式相同 图 4 电机编码器与伺服驱动器连接电路 2 3 4 手轮与轴卡连接设计手轮与轴卡连接设计 课程项目设计报告 10 图 5 手轮与轴卡连接电路 2 3 5 铣床控制电路设计铣床控制电路设计 图 6 铣床控制电路 课程项目设计报告 11 如图 6 所示 继电器部分 KA1 KA10 为直流 24V 中间继电器 由输出开关量 控制 主要控制主轴正反转 冷却电动机及伺服控制等 图中 S1 S3 分别为 X 轴的正 反超程限位开关的常闭触点 S3 S4 分别为 Y 轴的正 反超程限位开 关的常闭触点 S5 S6 分别为 Z 轴的正 反超程限位开关的常闭触点 它们结 合伺服系统的运行标志位来控制系统的运行允许继电器 伺服 ON 是来自伺服 电源模块与伺服驱动模块的故障连锁 2 4 控制系统设计控制系统设计 图 7 PLC 接口 课程项目设计报告 12 如图 7 所示 根据系统控制对 PLC 的输入输出端口进行分配 输入开关量 主要有进给装置 主轴装置 冷却液等的状态信息 输出开关量控制是相应的 继电器工作 2 4 1 控制系统功能设计控制系统功能设计 字段值定义 M 存储型公共变量 V 非存储型公共变量 I 输入 输出 I O 接口读变量 Q 输入 输出 I O 接口写变量 R CNC 输入 输出 I O 接口读变量 W CNC 输入 输出 I O 接口写变量 S 公共字变量 Y 局部变量 2 4 2 参数设置参数设置 数控机床存在很多的参数 不同的参数起到不同的控制作用 系统庞大 故在此只设置一些参数起到我们想要的参数 下面是 NUM1020 典型参数设置 表 参数序 号 系统设置 值 观察到的 结果 更改值 更改后的对系 统的影响 备注 P207 三轴都有 测量误差 05 Y 轴不再显示 测量误差 Y 轴被关闭 P007三轴都有03Z 轴不再有显Z 轴被关闭 课程项目设计报告 13 显示值示值显示 P1004 X 与 Z 轴 同向 Y 轴与 X Y 轴反 向 01 Z 与 y 轴同向 X 轴与 Y Z 轴 反向 方向是相对 机床的安装 来定的 P1201 显示为负 数 00显示为正数 用的是手轮 方向变换 P23 N0 12000 N1 80000 N2 80000 最大跟随 X 13165 Y 87916 Z 87925 N0 12000 N1 80000 N2 80000 N3 8000 最大跟随 X 13110 Y 87927 Z 8772 8798 不改变的参 数其显示结 果值保持不 变 改变参 数其显示值 相应减少 详细说明 详细说明 1 P2 的意思是测量轴 X Y Z 轴 三个轴分别占有从低位到高位的三 个位置 系统设置为 07 时 在 X Y Z 所占的位子上显示的数都为 1 所以三轴都测量 当改成 05 时在 Z 的位置上显示的为 0 所以只有 X Y 轴测量 2 P0 是指在显示屏中显示的轴 同理当三轴都显示的时候系统设置为 07 当改为 03 时 Z 轴不显示 3 P10 是指轴的测量方向 当系统设置为 04 时 Z 轴是 1 X Y 轴是 0 应该 X Y 轴的转动方向一致 但由于决定电机转动方向的还有电 机的三根线的接线方式 所以会导致在观察的时候 X Z 轴的转动方向 一致 课程项目设计报告 14 4 P11 轴的测量单位转换系数 俗称电子齿轮 通过改变其的设置值可 以改变电机的转速 5 P12 是手轮的测量方向 在系统中给首轮分配了两个位 当设置值为 00 时 顺时针转动手轮时显示轴转动方向的值为正值 当设置值为 01 时 顺时针转动手轮时显示轴转动方向的值为负值 6 P23 是参数的设置可改变最大跟随误差 当超过跟随误差时 屏幕出 现报警 2 4 3 程序设计程序设计 程序初始化 程序初始化 w5 7 为屏幕保护功能选择 设定其为 0 即禁止屏幕保护 w4 0 当其为 1 时允 许所有轴进给 不为 1 时所有轴都不能进给 w100 0 为控制轴组 1 X Y Z 的进给 w100 1 复位时 处于 MDI 模式或自动模型 其运行后 其他指令不再运行 直接回到原来程序继续运行 其中 w4 0 w4 3 w100 5 100 2 100 1 等均为无条件执行 梯形图 MDIMDI 手轮和手动选择程序手轮和手动选择程序 课程项目设计报告 15 采用 M10 w 作为分支条件 根据其等于 1 或者 2 转到相关的子程序执行 图中 16 B 代表手动方式和回零方式 15 B 代表手动增量类型和手轮进给 手轮控制手轮控制 I100 0 手动进给轴选择 x I101 0 代表手动正向进给 I501 0 代表正向行 程开关限制 w9 0 代表手动正向进给 电机正转 I101 0 代表手动负向进 给 I501 1 代表负向行程开关限制 w9d 0 代表手动负向进给 电机反转 Y Z 轴的方向控制同 X 轴 此外 为了解决正转和反转同时转动的问题 用了 互锁原理 当 101 0 作用时 只有正转 当 101 1 作用时 只有反转 当两个 同时按下时两个都不转 控制 X Y Z 方向梯形图如下 主轴控制主轴控制 课程项目设计报告 16 R122 0 R122 1 R122 2 分别代表主轴的顺时 逆时转动和主轴停 Q501 0 代表主轴顺时转动的灯亮 Q501 1 逆时针转动的灯亮 I503 6 代表 出故障 w100 5