数控车床电气控制系统设计缩写稿.doc

数控车床电气控制系统设计专业班级：贾雨农 指导教师：陈婵娟（陕西科技大学职业技术学院 陕西 西安 710021）摘要：数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。关键词：数控机床，电气控制系统，控制软件总体结构设计，机电一体化，机电传动，电子技术，传感器技术，数控加工，CAD/CAM技术，电力电子技术，机械设计原理，电气控制系统，PLCCNC Lathe Electrical Control System DesignABSTRACT：Numerical control technology which Related to the level of national strategy position and the status of national comprehensive national strength level is the basis of Automation in mechanical Processing and the core of CNC machine tools technology. In recent years, PLC has increasingly wide application in industrial automatic control field, which appearing on the aspects of integrated advantage is incomparable to other industrial products In the control of its performance, group machine cycle and the cost of hardware. With the development of PLC Technology, It has a more and more application in position control, process control, data processing and other aspects. In order to improve the machining accuracy in the Machine tools of actual design and production process, the choice of positioning control device is particularly important. The control system which the hardware and software design for industrial and mining enterprises related to CNC machine tools design reference have performance advantages in Program design of clear thinking, hardware circuit simple and practical, high reliability, Strong anti interference capability and Suitable price performance ratio.KEY WORDS:CNC machine tools，The electrical control system, Control software and the overall structural design, Mechatronics, Electromechanical drive, Electronic technology, Sensor technology, CNC machining, CAD / CAM technology. Power Electronics, Mechanical design principle, Electrical control system, PLC1 绪论数控系统是数控机床或加工中心的核心，通用数控机床数控系统都是由专用生产厂家提供的，具有基本的运动者控制功能、主轴控制功能及辅助控制功能。针对不同的控制对象，选择合适的数控系统，并进行二次开发，构建完整的机床控制系统，是机床生产厂或生产企业技术改造非常重要的工作。本题目密切结合机电专业的主干专业知识（数控系统、机电传动控制、电气控制与PLC、精密机械等），通过本题目的设计使学生将所学的知识系统化，不仅使学生学会独立解决实际工程技术问题的初步技巧，培养学生的调研能力以及正确进行设计计算的能力，还使学生能够用图纸和说明书来表达设计思想和结果，同时对培养学生实际工作能力也有着重要作用，为今后走向工作岗位打下坚实的基础。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，采用伺服电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。本设计主要实现以下内容：(1)机床控制系统开发技术方案的制定技术。(2)数控系统选型。(3)外围电路的设计方法；数控机床主轴驱动方式；数控车床转塔控制方法。(4)可编程控制器在数控机床中的应用；实现数控机床典型逻辑动作的PLC编程技术；系统开发过程中PLC调试技术。(5)系统初始化参数设置技术；系统开发调试验收技术。2 西门子802C数控车床系统西门子802C数控车床系统由西门子802C数控系统、步进进给系统、主轴驱动系统、刀架等组成。SINUMERIK802数控系统是西门子公司开发的数控系统，用于数控车床、数控铣床、加工中心、数控磨床等。该系统分为802S、802C、802D三种类型，其中SINUMERl802S采用步进电动机驱动系统，同时具备一个10V模拟接口用于连接主轴驱动；SINUMERl802C采用模拟伺服驱动系统，采用标准的10V模拟接口，可直接带动模拟驱动；SINUMERl802C采用数字进给驱动电动机和数字主轴电动机，最多可控制4个数字进给轴和一个主轴。SIEMENS 802S配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板，显示器为7in或5.7in单色液晶显示。集成内置式PLC最大可以控制64点输入与64点输出，PLC的I/O模块与ECU间通过总线连接；系统体积小，结构紧凑，性能价格比高。3 进给伺服驱动电气控制系统设计伺服系统亦称随动系统,是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作,从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。数控机床的进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量,接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令,经过一定的信号转变及电压、功率放大、检测反馈,最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。数控机床的进给伺服系统是数控装置和机床运动部件的联系环节,其性能很大程度上决定了数控机床的性能,研究与开发性能优良的进给伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。伺服系统是CNC装置和机床的联系环节。CNC装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，它是以机械为运动的驱动设备,电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。它属于特殊电动机，也叫执行电机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服驱动系统的性能对数控机床的性能在很大程度上有决定性的作用，所以对伺服驱动系统的要求也比较高，主要有：（1）进给调速范围要宽。在各种数控机床中，用于加工用刀量、被加工材料及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳的切削条件，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围；（2）位置精度高。数控机床在加工时免除了操作者的人为误差，它是按预定的程序自动进行加工的，不可能应付事先没有预料到的情况；（3）速度响应要快。即要求跟踪指令信号的响应要快，过度时间要快；（4）低速大转距。根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转距输出。进给伺服系统的高性能在很大程度上决定了数控机床的高效率、高精度。因此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求。（1）精度要高。为了满足数控加工精度的要求,关键是保证数控机床的定位精度和位移精度。（2）稳定性好。进给系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后,系统能够恢复到原来的稳定状态下运行,或者系统在输入的指令信号作用下,系统能够达到新的稳定状态的能力。（3）快速响应无超调。快速响应性是衡量伺服系统动态性能的一项重要性能指标,它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削精度和低的加工表面粗糙度,要求有良好的快速响应特性。（4）调速范围宽。调速范围是指机械装置要求电动机等提供的最高转速和最低转速之比。数控加工过程中,为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围和优异的调速特性。4 主轴电气控制系统设计主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。主轴是车床构成中一个重要的部分，其功率消耗约占机床总功率7080，其性能直接影响到机床的加工效率、加工材料范围、加工质量等。数控系统需要控制主轴的转速、位置，通常系统的标准配置为数字主轴，具有控制精度高，动态响应好的特点。但在主轴功率不大，对控制精度和动态响应要求不是很高的情况下，数字主轴就显得成本太高。这时可以采用数控系统的模拟主轴功能。模拟主轴就是数控系统输出模拟电压信号，采用普通的交流变频器和交流变频电机来实现主轴控制，由于性价比高，在经济型数控机床中广泛应用。它与传统的齿轮变速箱相比，优点是传动链较短、回转精度及机械效率高、工作平稳噪音低、速度连续可调、制造成本低等。缺点是低速挡位扭距受到一定的限制，感觉动力不足。5 刀架电气控制系统设计电动刀架是数控车床重要的传统结构，由于该类刀架采用全电控制，无需另加液压或气动等其它动力源，故对简化机床控制的复杂程度带来好处。合理的选配电动刀架，可以缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与位置精度的一致性。另外，加工工艺适应性和连续工作的工作能力也明显提高；尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制算法，对执行机构发出相应的控制指令外，很重要的一点是数控机床须配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需各种刀具，灵活，方便地完成各种几何形状的加工。6 参数设置当系统各部件连接完毕后，系统首次上电将出现的700000报警画面。此时必须调试PLC应用程序中的相关动作，如急停、硬限位等。SINUMERIK802S base line在出厂时已经预装了“SAMPLEPTP”集成PLC实例应用程序。通过设定PLC机床参数，可以对PLC实例应用程序的功能进行配置，以实现所需的控制功能。7 PLC控制功能的设计数控机床作为自动控制设备，是在自动控制下进行工作的，数控机床所受控制可分为两类：一类是最终实现对各坐标轴运动进行的“数字控制”。即控制机床各坐标轴的移动距离、各轴运行的插补、补偿等。另一类是“顺序控制”。即在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等的开关量信号状态为条件，并按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。CNC单元直接给伺服装置发控制指令实现对机床的“数字控制”，而机床的“顺序控制”必须通过PLC装置才能完成。8 结论此设计用西门子802C数控系统和S7-200可编程控制器设计了一个经济型简易数控车床电气控制系统，完成了如下工作：(1)数控车床主轴控制电路设计；(2)数控进给控制系统设计；(3)刀架控制系统设计；(4)通过对控制线路的分析，选定PLC型号，并利用PLC对电动刀架进