数控加工中心主轴系统PLC控制说明书.doc

中北大学课程设计说明书目录1数控系统的组成11.1 CNC装置21.2伺服单元21.3驱动装置21.4可编程逻辑控制器（PLC）21.5机床本体32 数控加工中心主轴PLC控制系统的控制要求及分析33主轴伺服电动机的选择44 根据电机选择伺服驱动器54.1伺服主轴驱动系统工作原理54.2伺服驱动系统的性能55系统连接图的确定116 PLC控制程序设计126.2主轴定位167电器件清单177.1开关及保护元件的选择17开关保护元件的选择:177.2变压器的选择187.3热继电器的选择198课程设计总结209 参考文献211数控系统的组成数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的机床，它是数控技术的典型应用。数控系统是实现数字控制的装置，计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统。计算机数控系统的组成如图1-1所示：图1-1 计算机数控系统组成框图1.1 CNC装置 CNC装置是计算机数控系统的核心，它包括微机处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口及相应控制软件。CNC装置根据输入的加工程序进行运动轨迹处理和机床输入信号的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件，如伺服单元、驱动装置和PLC等，使其进行规定的、有序的动作。CNC装置输出的信号有各坐标轴的进给速度、进给方向和位移指令，还有主轴的变速、换向和启停信号，选择和交换刀具的指令，控制冷却液、润滑油启停，工件和机床部件松开、夹紧，分度工作台转位辅助指令信号等。这个过程是由CNC装置内的硬件和软件协调完成的。1.2伺服单元 伺服单元分为主轴伺服和进给伺服，分别用来控制主轴电动机和进给电动机。伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度、方向、位移。因此伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲单元和模拟单元之分。伺服单元就其系统而言又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分，其工作原理亦有差别。1.3驱动装置驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传动部件间的联系环节，它们有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。伺服单元和进给驱动装置合称为进给伺服驱动系统，它是数控机床的重要组成部分，它包含机械、电子、电动机等各种部件，涉及强电与弱电的控制。数控机床的运动速度、跟踪及定位精度、加工件表面质量、生产率及工作可靠性，往往主要决定于伺服系统的动态和静态性能，数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。提高伺服系统的技术水平和可靠性，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。1.4可编程逻辑控制器（PLC）可编程逻辑控制器（PLC）是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的控制器，用来执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。当PLC用于控制机床顺序动作时，称为PMC（Programmable Machine Controller）模块,它CNC装置中接收来自操作面板，机床上的各行程开关、传感器、按钮，强电柜中的继电器以及主轴控制，刀库控制的有关信号，经处理后输出有关信号，控制相应器件的运行。CNC装置和PLC协调配合共同完成数控机床的控制，其中CNC装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等；PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC装置的控制代码M指令（辅助功能）、S指令（主轴转速）、T指令（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开与关等一些辅助动作；它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC装置，用于加工过程的控制。1.5机床本体机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件，进给运动执行部件（工件台、拖板及其传动部件）和支承部件（床身立柱等），还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，只是由于数控机床的高速度、高精度、大切屑用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。因此，近年来设计数控机床是采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。2 数控加工中心主轴PLC控制系统的控制要求及分析数控加工中心的主轴控制系统，它是利用数字化的信息对机床运动及工作过程进行控制的一种方法。主轴驱动系统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码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。数控加工中心对主轴有较高的控制要求，首先要求在大力矩、强过载能力的基础上实现宽范围无级变速，其次要求在自动换刀动作中实现定角度停止（即准停），这使加工中心主轴驱动系统比一般的变频调速系统或小功率交流伺服系统在电路设计和运行参数整定上具有更大的难度。主轴的驱动可以使用交流变频或交流伺服2种控制方式，交流变频主轴能够无级变速但不能准停，需要另外装设主轴位置传感器，配合CNC系统PMC（指数控系统内置PLC）的逻辑程序来完成准停速度控制和定位停止;交流伺服主轴本身即具有准停功能，其自身的轴控PLC信号可直接连接至CNC系统的PMC，配合简捷的PMC逻辑程序即可完成准停定位控制，且后者的控制精度远远高于前者3主轴伺服电动机的选择根据任务书要求：电机参数如下：功率：6.5KW； 最高转速：8000r/min 现选择伺服电动机型号为松下伺服MSME型电机，如表2-1所示。表3-1 电动机型号及参数松下伺服电机MINAS型产品特点如下：1、实现行业最快的速度响应频率2.0KHz；2、配备了行业最快、安装十分简便的高性能实时自动增益调整功能；3松下伺服电机A4系列拥有行业最多的4个陷波滤波器，设定频率为50 5000Hz，全部可进行浓度调整；4、松下伺服马达MSME型电机（6.5KW）的最高转速达6000r/min。并能与A4系列松下伺服电机互换使用；4 根据电机选择伺服驱动器4.1伺服主轴驱动系统工作原理图1交流伺服主轴驱动单元的原理框图4.2伺服驱动系统的性能对数控机床伺服驱动系统的主要性能要求有下列几点：(1) 进给速度范围要大。不仅要满足低速切削进给的要求，如 ，还要能满足高速进给的要求，如 。(2) 位移精度要高。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，伺服系统的位移精度愈高。目前，高精度的数控机床伺服系统位移精度可达到在全程范围内 。通常，插补器或计算机的插补软件每发出一个进给脉冲指令，伺服系统将其转化为一个相应的机床工作台位移量，我们称此位移量为机床的脉冲当量。一般机床的脉冲当量为 脉冲，高精度的CNC机床其脉冲当量可达0.001 mm脉冲。脉冲当量越小，机床的位移精度越高。(3) 跟随误差要小。即伺服系统的速度响应要快。(4) 伺服系统的工作稳定性要好。要具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳，从而使得能够加工出粗糙度低的零件。(5)根据任务书，选择数控系统的脉冲当量为0.01mm/脉冲松下伺服电机MINAS电机能与之相配型的伺服驱动器如表3-1所示，根据要求选择MBDDT2110B型，如图3-1所示。表4-1 伺服电动机与适配驱动器根据所选MBDDT2210B型伺服伺服驱动器，从网上下载到其技术资料，现介绍如下：图4-1 MBDDT2210B型伺服伺服驱动器在表3-2所示运行条件下，伺服驱动器可以使用的时间为28，000h。表4-2 MBDDT2210B型伺服伺服驱动器使用寿命伺服驱动器的使用时间与其工况密切相关。其位置控制信号及速度控制信号原理图分别如图3-2和图3-3所示。图4-2 位置控制信号连接图图4-3 速度控制信号连接图控制信号接线详解驱动器通用的输入信号及其功能详解如表4-3所示.5系统连接图的确定 加入PLC模块，即得伺服驱动器控制伺服电机系统。系统连接图如图5-1所示。图5-1 plc控制系统连接图6 PLC控制程序设计PLC程序是加工中心的运转的软件核心 ,是连接计算机与机械部分的桥梁 ,加工中心的 PLC资源主要包括输入( I) 、输出(O) 、 标志(M) 、 寄存器(R) 、 定时器( T) 、 计数器(C)等模块 ,它们的作用主要是通过在两个系统之间交换信息 ,控制逻辑 CNC的输入、 输出 ,其作用是把 MST 辅助功能从 CNC传到 PLC ,显示用户预先定义的屏幕及 CNC产生的信息和错误 ,从 PLC读取和修改内部 CNC变量 ,零件程序访问所有PLC变量 ,在 CNC的屏幕监视 PLC变量 ,通过 DNC从计算机访问所有的 PLC变量等。PLC的工作过程如下图。在 PLC信息交换过程中 ,输入用来为 PLC 提供外界的信息 ,PLC与外界通信可以控制 256 路输入 ,输入的编号由逻辑地址(设备选择代码)决定 ,输入的第一组对应最低设备选择代码 ,最后一组对应最高设备选择代码;输出允许 PLC激活或关闭电器柜中的不同设备或驱动 ,信息交换过程与输入形式相同;标志用来监视用户定义的信息;寄存器是存储用户的数字、 数值;定时器是在预先设置的时间内(时间常数)将输出保持确定的逻辑电平。由数控机床的进给系统中，传动件要快速移动到加工位置、以加工速度进行加工、快速退回原来位置等要求，那么对应的传动轴传动伺服电机则要求快速正转，以加工速度正转、以加工速度反转、快速反转等。一次，PLC指要控制伺服电机以一定的速度精确地正、反转一定圈数来控制传动件的位置和移动速度。6.1输入输出信号分析与PLC I/O分配图 由机床进给系统动作的分析得：输入信号：A相脉冲、B相脉冲(数控系统的脉冲当量为0.01mm/脉冲)、正转按钮SB1、反转按钮 SB2、增速按钮 SB3、减速按钮SB4、启动按钮SB5、停止按钮SB6.输出信号： 正转 Y30反转Y31指令1、2 ；增速Y32指令3，减速按钮Y33指令4。 表6-1 I/O地址分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号A相脉冲A正转FWDY6B相脉冲B反转REVY7正转按钮SB1指令1Y30反转按钮SB2指令2Y31加速按钮SB3指令3 Y32减速按钮SB4指令4Y33 PLC是20世纪70年代发展起来的以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的新型自动控制技术。根据数控技术课程设计第3章.3.4.2 PLC选型，在统计处的I/O点数基础上增加15%20%的备用量，以便以后调整和扩展。PLC模块原理图如图6-1所示。图6-1 PLC模块原理图程序：LD X0OUT Y6LD X1OUT Y7LD X2INC D10LD X3DEC D10梯形图如图6-2所示。图6-2 梯形图6.2主轴定位在数控钻床、数控铣床以及镗铣为主的加工中心上，由于特殊加工或自动换刀，要求主轴每次停在一个固定的准确的位置上。所以在主轴上必须没有准停装置。数控系统主轴准停的原理如图所示。控制器包含CNC和PLC，采用“内装型”PLC。数控系统主轴准停原理图如图1所示。 当数控系统执行M19(主轴准停)时，首先将M19送至可编程控制器，可编程控制器经译码送出控制信号，使主轴驱动进入伺服状态，同时数控系统控制主轴电动机降速并寻找零位脉冲C,然后进入控制状态。执行M19指令，则主轴定位于相对零位脉冲C的默认位置；执行M19 SB6 指令，则主轴定位于相对零位脉冲的角度位置1。变频器定位变频器提供主轴定位功能2。变频器参数设定如下表所示：02-01多功能输入指令一3010-14位置控制I积分时间0.02502-12多功能输出23110-15位置控制D微分时间005-21ASR P增益125.010-16定位第一段速度5.0005-22ASR I积分时间10.2510-17第二段速度起始位置5005-23ASR P增益225.010-18定位第二段速度1.0005-24ASR I积分时间20.2510-19定位位置模式起始位置1010-09PG位置控制点数010-27位置控制P增益250.010-13位置控制P增益150.010-28位置控制I积分时间0.05变频器参数设定表梯形图如下图7电器件清单7.1开关及保护元件的选择正转启动按钮：SB1；反转启动按钮：SB2；增速按钮SB3：减速按钮SB4；熔断器（保险丝）：FU；热继电器：FR；电磁式继电器：KM。开关保护元件的选择:在电路中涉及各种开关，主电路上选用一个低压断路器以保护电路，控制三相交流电动机的开关我选择一般三极电源转换开关，其他部位用主令按钮开关控制，由于开关形状和具体参数均不复杂，在此不做具体介绍，其图形符号和文字符号如下。 接触器 熔断器 热继电器 图7-1 开关和按钮7.2变压器的选择作用：将三相交流380V电压转变为三相交流220V电压变压器示意图：图7-2 变压器示意图控制变压器（380V/36V/220V） 型号:BK-150，如下图所示BK-150控制变压器7.3热继电器的选择热继电器起电动机的过载保护的作用，由发热元件、双金属片和触头及动作机构等部分组成 。其整定值的大小一般根据负载的计算电流进行整定，一般为额定电流的1.051.1倍。，。根据通过电流的要求选择JR29-16型热继电器，如右图所示。 图6 热继电器图形符号和文字符号 （1）用途及使用范围:适用于交流50HZ/60HZ，主电路额定工作电压至660V，电流额定0.1-500A的电力系统中，供三相感应电动机的过载和断相保护之用。 （2）产品型号及意义:8课程设计总结 在设计过程当中，我