数控车床电气控制系统设计 自动化（数控技术）专业毕业设计 毕业论文.doc

南京工程学院 康尼学院 本科毕业设计（论文）题目： 数控车床电气控制系统设计 专 业： 自动化（数控技术） 班 级： K数控071 学 号： 240071227 学生姓名： 王 号 指导教师： 熊光华 教 授 起迄日期： 2011.22011.6 设计地点： 工程实训中心 _Graduation Design (Thesis)CNC Lathe Electrical Control System DesignByWANG HaoSupervised byProf. XIONG Guang HuaSchool of AutomationNanjing Institute of TechnologyJune, 2011南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文）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，本文主要介绍了对数控车床的电气系统设计的过程。CK6140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ABSTRACTThe numerical controls that the technique development fast today, the numerical controls technique at the modern manufacturing industry exertive more and more importance function, numerical control tool machine is number control a manufacturing industry of core, this text mainly introduced logarithms to control the processed that the electricity system of lather design.CK6140 NC lathe, as to its the electricity system design make is important, its contents includes a strong electrically design, weakness design, PLC importation output and Interface design, draw the electricity system principle diagram of a the whole tool machine etc.This principle diagram which designs to the whole tool machine draws process and the point parts of mold piece turn and compared to in detail introduce each function and use of part. Is divided into the 380 Vs strong electricity back track, control back track, the PLC importation outputs a control, the principal axis drives a mold piece and enters to servo drive a mold piece, and introduced related electronic knowledge.Through this design system can basically control numerical control the electricity principle of lather, and basic electronic common sense, make the reader regardless can understand numerical control the lather related series of electricity knowledge from wholly the top still each mold piece.Key Words：NC system; NC lathe; Main circuit; Control circuit; PLC control; Electric principle chartsV目 录第一章绪 论11.1 引言11.2 数控机床概述11.3 数控技术的发展趋势31.3.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势31.3.2 五轴联动加工和复合加工机床快速发展41.3.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势41.3.4 重视新技术标准、规范的建立51.4 CK6140数控车床主简介6第二章数控车床的基本组成和工作原理72.1 数控车床组成72.2 数控车床工作原理92.3 CK6140数控车床运动分析102.4 CK6140数控车床电气系统简述11第三章CK6140数控车床主轴驱动系统143.1主轴驱动系统概述143.1.1主轴电动机143.1.2主轴电动机选型的要求：143.1.3主轴电动机选型153.2变频器电动机主轴驱动装置153.2.1 FANUC 0i Mate主轴驱动装置153.2.2 设备的选型方法163.2.3 FANUC通用变频器183.2.4 变频器主轴伺服驱动电路19第四章CK6140数控车床进给伺服系统设计204.1 机床进给伺服系统概述204.2 CK6140数控车床对伺服驱动进给系统的要求204.3 进给伺服系统的选型与控制原理214.4 伺服电机的选型224.4.1负载力矩的计算234.4.2负载惯量的计算244.4.3加速力矩的计算254.4.4计算力矩的均方根值26第五章CK6140数控车床辅助系统设计285.1 CK6140数控车床辅助系统概述285.2 刀架传动系统设计285.2.1 CK6140数控车床电动刀架的选型285.2.2 电动刀架连接电路295.3冷却系统的设计315.4液压系统设计32第六章常用电器元件的选型346.1 低压电器选型的一般原则346.2 断路器的选型346.3 电动机保护用自动开关的选型356.4 熔断器选型356.5 接触器的选型356.6 热继电器的选型366.7 中间继电器36第七章CK6140数控车床控制面板设计377.1数控车床控制面板概述377.2软件操作界面387.3 MPG 手持单元41第八章控制系统设计428.1 CK6140数控车床数控系统选型428.2 FANUC 0i Mate 硬件连接简要说明438.3 FANUC 0i Mate电源装置458.4 FANUC 0i Mate数控系统的综合连接48第九章可编程控制器（PLC）的设计509.1可编程控制器概述509.11可编程控制器（PLC）的特点：509.1.2可编程控制器的组成及工作方式：519.2 PLC选型及I/O接线图529.3 PLC输入/输出与通信接口529.3.1 PLC输入/输出点529.3.2 基本功能面板设计549.3.3 通讯接口549.4 PLC程序设计56第十章结 论66致 谢67参 考 文 献68附录A：强电控制电路图69附录 B：电源电路图70附录 C：系统电路图71271第一章 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。3、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 数控技术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。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。1.3.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从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)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，伺服系统的MTBF值达到30000小时以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。1.3.2 五轴联动加工和复合加工机床快速发展采用五轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，一台五轴联动机床的效率可以等于二台三轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益。但过去因五轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比三轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了五轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床（含五面加工机床）的发展。1.3.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC（The Next Generation Work-Station/Machine Control）、欧盟的OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems）、日本的OSEC（Open System Environment for Controller），中国的ONC（Open Numerical Control System）等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。1.3.4 重视新技术标准、规范的建立a.关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧盟和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。b.关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划（1999.1.12001.12.31）。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。1.4 CK6140数控车床主简介不同制造厂商制造的CKA6140数控车床选用FANUC OTD，FANUC 0i-MATE 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CKA6140数控车床采用FANUC 0i-MATE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。 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FANUC 0i-MATE。 （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。 第二章 数控车床的基本组成和工作原理 2.1 数控车床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、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。电 气 回 路辅 助 装 置PLC主轴伺服单元操 作 面 板主轴驱动装置进给驱动装置测量反馈装置进给伺服单元输入/输出设 备计算机数 控装 置机 床 本 体、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。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。2.2 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。CK6140数控车床的技术参数：床身上最大工件回转直径:400mm。拖板上最大工件回转直径:200mm。最大工件长度:1000mm。 最大车削长度:850mm。主轴转速范围(变频): 401800r/min可实现无级调速及恒线速切削。 主轴通孔直径:52mm。 X向行程： 220mm，Z向行程：1000mm。 快速进给速度X/Z: 6000/8000mm/min 每转切削进给量 0.005-100mm/r 进给电机扭矩(功率): X向4Nm，Z向6Nm 定位精度(全程)：X向0.01mm，Z向0.01mm 重复定位精度:X向 0.007mm，Z向 0.01mm尾架套筒内孔锥度: 莫氏5号脉冲当量： 0.001mm最高加工精度：IT6表面粗糙度： Ra1.6四工位电动刀架刀杆截面尺寸：25mm25mm主轴电动机M1：7.5KW 1000r/min 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尾座套筒压紧力 90000N 尾座套筒直径85尾座套筒行程 1102.3 CK6140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。2、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CK6140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CK6140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CK6140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。2.4 CK6140数控车床电气系统简述CKA6140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。 图2-1 CK6140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% （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、按钮等构成该车床电气输入元件。5）保护接地 本车床接地系统如图2-2所示。 图2-2 CKA6150数控车床接地系统 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。 第三章 CK6140数控车床主轴驱动系统3.1主轴驱动系统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。3.1.1主轴电动机主轴驱动部分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。3.1.2主轴电动机选型的要求：一般要求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。3.1.3主轴电动机选型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P=。主传动链的功率效率=0.70.85， 数控车床多采用调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PC=KW-主切削力的切向分力，N；-切削速度N；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，则知道 PC=2500120/60000=5kwP=6.4kw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。CK6140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 。3.2变频器电动机主轴驱动装置3.2.1 FANUC 0i Mate主轴驱动装置 主轴系统主要由主轴驱动装置及主轴电动机组成。FANUC 0i Mate数控装置提供了模拟主轴和串行主轴接口供用户选择。当用户选择模拟主轴时，一般选用通用变频器作为主轴驱动装置；当用户选择串行主轴时，FANUC 0i Mate数控系统提供了SPM系列专用主轴驱动装置。 本机床采用通用变频器作为主轴驱动装置。（1）变频器的工作原理：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。（2）变频器的调速：基于调速方便、节能、运行可靠的优点，变频调速器已逐渐替代传统的变极调速、电磁调速和调压调速方式。在推出PWM磁通矢量控制的变频器数年后，1998年末又出现采用DTC控制技术的变频器。ABB公司的ACS600系列是第一代采用DTC技术的变频器，它能够用开环方式对转速和转矩进行准确控制，而且动态和静态指标已优于PWM闭环控制指标。直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。该模型每隔25s产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，以确定最佳开关位置。由此可以看出它是通过对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。3.2.2 设备的选型方法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。3.2.3 FANUC通用变频器本机床采用通用FANUC通用变频器作为主轴驱动装置。FANUC通用变频器各端子功能如图31所示。图3-1 FANUC通用变频器接线端子说明变频器控制端子说明： STF：正转启动。当STF信号ON时为正转，OFF时为停止指令。 STR：反转启动。当STR信号ON时为反转，OFF时为停止指令。 RH、RM、RL：多段数选择。可根据端子RH、RM、RL信号的短路组合，进行多段速度的选择。根据输入端子功能的选择（Pr.60Pr.63）可改变端子的功能。SD：接点（端子STF、STR、RH、RM、RL）输入的公共端子。10：频率设定用电源，DC5V，允许负荷电流为10mA。2：频率设定（电压信号）。输入DC05V（010V）时，输出成比例：输入5V（10V）时，输出为最高频率。5V/10V切换用Pr.73“05V，010V选择”进行。5：频率设定公共输入端。3.2.4 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