学习单元控制电路设计

学习单元控制电路设计第一页，共四十三页，2022年，8月28日在机床数控改造中，电路设计是改造工程中最重要的环节之一。一方面，电路设计方案是否正确直接关系到机床改造的成败，只有按照正确的设计电路施工，才能保证改造后的机床满足改造的技术指标和要求；另一方面，电路设计方案是否合理、是否具有较佳的性能价格比，也直接决定着改造投入的成本。在数控改造中，电路设计需要解决的工作主要有以下几个：（1）数控机床主电路的设计；（2）主轴驱动系统的电路设计；（3）进给驱动系统的电路设计；（4）交流控制电路的设计；（5）PLC控制电路的设计（I/O设计）；（6）刀具控制系统；（7）润滑、冷却、照明等辅助装置的设计。第二页，共四十三页，2022年，8月28日1.主电路设计 进行数控机床主电路的设计时，一定要考虑改造机床能完成的功能，以此确定主电路设计中应该包含的环节。一般而言，在主电路设计中要解决以下几个环节：1.数控系统的工作电源 目前国内外生产的数控系统其工作电源一般为DC24V，也有使用AC24V作为系统工作电源的。 目前较为常用的做法是利用开关电源（或者一体化电源）将交流220V转换为直流24V，提供给数控系统。考虑到数控系统是这个数控机床的核心和大脑，而且数控系统价格较为昂贵，因此一般采用一个变压器（系统变压器）为开关电源供电，将数控系统和电网之间的直接的电联系切断（电气隔离），以避免电网电压波动及线路故障对数控系统产生的干扰和影响。第三页，共四十三页，2022年，8月28日1.1数控系统的工作电源电路设计方案示例1.主电路设计第四页，共四十三页，2022年，8月28日1.2主轴驱动装置的电源供给机床主轴常用于给机床加工提供动力；对于最常见的车床和铣床，前者进行车削加工时利用机床主轴驱动被加工工件旋转；而后者进行铣削加工则是由机床主轴驱动切削工件旋转。就电气控制而言，数控机床主轴的控制其实质是主轴电机的控制。在大多数情况下，数控机床主轴不需要做位置检测和位置控制，只需要做速度检测和速度控制即可。因此，主轴控制系统一般设计为速度控制系统。按照控制装置的类型，数控机床主轴可以分为模拟主轴和数字主轴。数字主轴控制精度高、动态响应好，当机床主轴驱动单元使用了带速度反馈的驱动装置及标准主轴电机时，主轴可以根据需要工作在伺服状态，但是在主轴功率较大，对控制精度和动态响应要求不高的情况下，采用数字主轴则凸显成本偏高；在这种情况下可采用模拟主轴以提高性价比。目前，对于主轴不要求做控制的数控机床而言，采用变频器做主轴驱动装置的情况比较普遍。1.主电路设计第五页，共四十三页，2022年，8月28日对于主轴驱动装置而言，在主电路设计中要解决的其实就是如何给主轴驱动装置提供合适的电源。对于变频器而言，其工作电源一般为220V(单相变频器)或者380V（三相变频器），一般在变频器电源进线端采用一个空气开关做通电控制、短路及严重过载保护及检修用。如果需要控制变频器的上电时间，可以在电源进线端采用一个接触器来控制变频器的上电。1.主电路设计第六页，共四十三页，2022年，8月28日1.3进给驱动装置的电源供给数控机床所采用的伺服进给系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制以及混合控制四种。按伺服进给系统使用的伺服电动机类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分直流伺服驱动和交流伺服驱动两大类。在20世纪70年代至80年代的数控机床上，一般均采用直流伺服驱动；从80年代中、后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。1.主电路设计第七页，共四十三页，2022年，8月28日在开环控制中，由于执行元件一般采用步进电机，驱动装置一般采用步进驱动器。在主电路的设计中，主要考虑如何给步进驱动器供电。因此应根据所选用的步进驱动器的工作电源要求来进行设计。如西门子公司生产的五相步进驱动器STEPDRIVEC/C+，其工作电源为85v，因此在方案设计上可以采用一个380/85V的变压器为步进驱动器供电，同时采用空气开关做保护及检修用。

1.主电路设计第八页，共四十三页，2022年，8月28日在半闭环控制中，由于执行元件一般采用交流伺服电机，驱动装置一般采用交流伺服驱动器。在主电路的设计中，要考虑如何给交流伺服驱动器供电。同样应根据所选用的交流伺服驱动器的工作电源要求来进行设计。 （1）常用的做法是采用一个伺服变压器为伺服驱动器供电； （2）大多数的驱动器其工作电源有主电源和控制电源两种，这两种电源在驱动器上电启动过程中的时序是有要求的，一般要求先上控制电源，后上主电源；不能先上主电源后上控制电源。 （3）可以采用接触器来解决主电源和控制电源之间上电时序的要求，通过控制接触器的通断时间来达到控制两种电源上电的顺序。1.主电路设计第九页，共四十三页，2022年，8月28日1.4数控系统PLC的I/O电源 数控机床PLC的输入、输出回路需要24V的直流电源，可以采用一个开关电源来提供，但是这个开关电源一定要和为数控系统供电的开关电源共地；如果为数控系统供电的开关电源容量足够，也可以同时作为PLC的I/O电源。1.主电路设计第十页，共四十三页，2022年，8月28日1.5刀架电机电源供给 对于车床而言，T功能的实现是通过PLC控制刀架电机来实现的。刀架电机在换刀过程中设计旋转方向的改变，因此主电路中刀架电机的电源供给就涉及到刀架方向的控制。可以采用2个接触器换相来实现，通过改变电源相序来达到控制刀架电机旋转方向的目的。同时采用空气开关刀架电机做保护及检修用。1.主电路设计第十一页，共四十三页，2022年，8月28日单相电机做刀架电机时的刀架控制主电路图示例1.主电路设计第十二页，共四十三页，2022年，8月28日1.6冷却电机和润滑电机的电源供给 在金属切削过程中，对工件、刀具的冷却和导轨的润滑都是必不可少的环节。因此方案设计中务必考虑冷却控制和润滑控制。冷却控制和润滑控制的实质是对冷却电机和润滑电机的控制。在主电路的设计中，可以用接触器来控制冷却电机（需换相）和润滑电机的电源（勿须换相），同时采用空气开关对刀架电机做保护及检修用。1.主电路设计第十三页，共四十三页，2022年，8月28日1.7机床照明和电柜风扇的电源供给机床照明一般采用AC36V或AC24V,由于这两个电压都不是标准电压，因此需采用照明变压器为照明灯具供电。对于电柜风扇，在控制要求上应考虑在什么情况下启动风扇电机，以解决及时散热的问题。一般可以考虑在电柜内部大功率部件如变频器、交流伺服驱动器一上电的时刻就启动电柜风扇。

1.主电路设计第十四页，共四十三页，2022年，8月28日 以模拟主轴的设计为例，数控机床主轴驱动系统电气电气线路的设计应在主轴电机和变频器等硬件设备选配好的基础上进行。在设计时应处理好以下几方面的问题：主轴速度信号的处理主轴方向信号的处理主轴速度、方向检测的处理主轴驱动器故障监控处理主轴驱动器制动处理接地处理2.主轴驱动系统的设计第十五页，共四十三页，2022年，8月28日2.1主轴速度信号的处理NC（数控装置）在执行来自控制面板或者零件加工程序中的主轴运行指令（如M03S1000）时，先将主轴运行指令进行编译、运算和逻辑处理后从数控装置的主轴驱动接口输出主轴速度信号作为变频器的模拟给定；主轴速度信号大小一般为0——+10V或者4——20mA的模拟信号。在设计时一定要充分考虑并解决好数控装置主轴驱动接口和变频器模拟给定信号输入端之间信号匹配的问题；若在作硬件配置时出现失误导致数控系统和变频器二者之间的接口信号不匹配，则需单独设计并制作信号转换电路板以解决信号匹配的问题。另外，考虑到数控机床的工作环境存在较复杂的电磁现象和噪声干扰，主轴速度信号的传输应采取一定的抗干扰措施，如采用双绞线或屏蔽电缆进行传输，在变频器模拟给定信号输入端并接滤波电容等。

2.主轴驱动系统的设计第十六页，共四十三页，2022年，8月28日主轴驱动控制系统设计示例2.主轴驱动系统的设计第十七页，共四十三页，2022年，8月28日2.2主轴方向信号的处理按照数控装置发出的主轴驱动信号的特点，数控机床模拟主轴可以分为单极性模拟主轴和双极性模拟主轴。采用单极性模拟主轴时，数控装置主轴驱动接口输出的速度信号范围一般为0——10V，这个速度信号的大小直接决定着变频器输出的频率和主轴电机的速度，而主轴电机的旋转方向则由PLC控制；因此对于单极性主轴而言，在对PLC做I/O统计和地址分配时应考虑主轴正转和反转两个输出点。对于双极性模拟主轴，主轴驱动接口输出的速度信号范围一般为-10V——+10V，这个速度信号的大小同样决定着变频器输出的频率和主轴电机的速度，而主轴电机的旋转方向不由PLC控制，而是由速度信号的正、负极性决定。对于单极性和双极性主轴，除了有硬接线连接和控制方式上的区别外，还应注意在数控装置中正确配置相关的主轴极性参数。2.主轴驱动系统的设计第十八页，共四十三页，2022年，8月28日2.3主轴速度、方向检测的处理主轴控制系统一般设计为速度控制系统，目前主轴速度检测最常用的做法是采用脉冲编码器作为检测元件。主轴编码器一般情况下不用于位置反馈和速度反馈，而仅仅作为主轴速度测量元件使用，其作用有三：其一是用于主轴速度测量其二是用于主轴与伺服轴配合运行的场合（如车床螺纹切削加工、恒线速加工等）；其三是用于主轴准停。主轴编码器一般采用弹性联轴器与主轴同轴安装或采用1：1同步传动安装方式，使其能准确地向数控系统反映主轴的转速、方向等信号。因此，在做方案设计时一定要合理选配主轴脉冲编码器。2.主轴驱动系统的设计第十九页，共四十三页，2022年，8月28日在设计编码器连接线路时，主要考虑以下几个方面：一是主轴驱动接口与编码器输出端口的信号是否匹配；二是传输距离的大小，以此确定传输电缆的长度；三是传输电缆应选择屏蔽电缆，以提高抗干扰能力。示例：国产数控系统hnc-21TD做车床数控改造时主轴编码器的连接方案2.主轴驱动系统的设计第二十页，共四十三页，2022年，8月28日2.4主轴驱动器故障监控处理数控机床上使用的主轴驱动器主要有变频器和交、直流伺服驱动器，现在使用的变频器和交流伺服驱动器一般具有故障自诊断功能并提供有故障监控可编程I/O端口，其输出形式有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出等形式。I/O端口之间实质上是一种开关关系，开、关的状态分别对应驱动器正常与否；由于数控机床的M、S、T三大辅助功能都是由PLC来控制的，故可以将这一开关量作为数控系统PLC的一个输入点，以此监控驱动器是否正常或就绪。在设计时要充分利用这一功能，将主轴驱动器的运行状况准确、及时地传送给数控系统，数控系统将以此确定是否向主轴驱动器发控制信号（速度信号和方向信号），即是否终止主轴的运动。2.主轴驱动系统的设计第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日2.5主轴驱动器制动处理主轴驱动器一般都内置有制动组件，在机床主轴要求快速制动时，若内置的制动单元或电阻不足以消耗、吸收再生电能而导致直流部分过压时，应考虑外接制动组件，以加快消耗再生电能的速度；因此应正确的选配制动组件。制动组件的计算、选配可采用工程估算的方法，按照估算制动转矩、计算制动电阻阻值、选择制动单元、计算制动电阻标称功率这几个步骤进行。2.主轴驱动系统的设计第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日2.6接地处理数控机床工作环境中的电磁和噪声干扰是很严重的，作为精密加工设备的数控机床，其主轴驱动器必须采取有效的抗干扰措施。对变频器而言，其自身就是一个较强的干扰源同时也受其他电气设备的电磁干扰。接地是抑制电磁干扰，提高电气设备电磁兼容性的重要手段；因此对变频器采取正确的接地措施，不仅可以有效抑制外来干扰，同时能降低变频器本身对外界的干扰。变频器的接地处理主要做好两个方面，一是对变频器主回路PE端子正确接地，以提高变频器抑制噪声干扰的能力并减小变频器对外界电气设备的干扰；为保证接地的可靠性和效果，变频器主回路PE端子必须严格地接入PE线，若无公共PE线，可采用就近接地的方式，但是应保证接地体导电性能良好及与大地接触可靠。二是将变频器的控制信号线（采用双绞线或屏蔽线）屏蔽层接地，以减小外界对控制信号传输的干扰。2.主轴驱动系统的设计第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日2.主轴驱动系统的设计接地处理第二十四页，共四十三页，2022年，8月28日3.进给驱动系统设计

以交流伺服驱动系统（半闭环控制）的设计为例，数控机床主进给驱动系统电气线路的设计应在交流伺服电机和交流伺服驱动器等硬件设备选配好的基础上进行，在设计时应处理好以下几方面的问题：交流伺服驱动器的电源控制指令信号的处理编码器反馈信号的处理交流伺服驱动器故障监控处理交流伺服驱动器的制动处理接地处理第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日进给驱动系统设计以松下A4的通用伺服驱动器和西门子SimoDrive611为例讲述第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日松下A4的端口第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日SimoDrive611第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日3.进给驱动系统设计3.1交流伺服驱动器的电源控制 交流伺服驱动器的电源控制主要解决以下2个问题：一是如何给交流伺服驱动器提供合适的工作电源电压。在设计时应考虑交流伺服驱动器的工作电源电压等级，一般可以采用伺服变压器给交流伺服驱动器提供合适的工作电压。二是工作电源的上电时序问题。交流伺服驱动器的工作电源一般有两个：控制电源和主电源。一般先给伺服驱动器上控制电源，伺服驱动器进行自检，若内部完全正常，再给伺服驱动器上主电源。在伺服驱动器上一般都提供有晶体管输出或继电器输出形式的一些信号接口，可以利用其上的伺服就绪或者伺服报警信号接口来解决交流伺服驱动器工作电源的上电时序问题。第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日3.2指令信号的处理NC（数控装置）在执行来自控制面板或者零件加工程序中的进给指令（如G01X100Z-20F200）时，先将进给指令进行编译、运算和逻辑处理后从数控装置的进给驱动接口输出指令信号给驱动器；指令信号可以是指令脉冲信号，也可以是大小为0——+10V或者4——20mA的模拟信号。所以在设计时一定要充分考虑并解决好数控装置进给驱动接口和交流伺服驱动器指令信号端口之间信号匹配的问题另外，考虑到数控机床的工作环境存在较复杂的电磁现象和噪声干扰，指令信号的传输应采取一定的抗干扰措施，如采用双绞线或屏蔽电缆进行传输。3.进给驱动系统设计第三十页，共四十三页，2022年，8月28日3.3编码器反馈信号的处理合理选配编码器的类型 在半闭环控制系统中使用的位置检测装置一般采用编码器。应注意所选配的编码器输出信号应与数控系统上的编码器反馈接口匹配。给编码器合理提供工作电源 编码器的工作电源一般为5V，其工作电源一般由数控系统的编码器反馈接口提供。确定编码器输出信号的反馈方式 编码器输出信号的反馈方式主要有2种：可以将编码器输出信号直接送入数控系统的编码器反馈接口；也可以将将编码器的输出信号先送至交流伺服驱动器，再由交流伺服驱动器反馈至数控系统的编码器反馈接口。3.进给驱动系统设计第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日3.4交流伺服驱动器故障监控处理在交流伺服驱动器上一般都提供有晶体管输出或者继电器输出形式的能反映驱动器工作状态的端口，在设计时可以充分利用这些端口来监控驱动器的运行情况和状态。如在车床数控改造中，可以将X、Z两轴的驱动器报警输出端口串联起来作为PLC的一个输入信号，以便数控系统在工作过程中能及时的监控驱动器的运行状况并以此为依据确定是否继续向驱动器发指令控制信号。3.进给驱动系统设计第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日松下A4外围原理图第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日SimoDrive611接口第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日3.5交流伺服驱动器的制动处理交流伺服驱动器一般都内置有制动组件，在机床主轴要求快速制动时，若内置的制动单元或电阻不足以消耗、吸收再生电能而导致直流部分过压时，应考虑外接制动组件，以加快消耗再生电能的速度；因此应正确的选配制动组件。制动组件的计算、选配可采用工程估算的方法，按照估算制动转矩、计算制动电阻阻值、选择制动单元、计算制动电阻标称功率这几个步骤进行。3.进给驱动系统设计第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日3.6接地处理数控机床工作环境中的电磁和噪声干扰是很严重的，作为精密加工设备的数控机床，交流伺服驱动器必须采取有效的抗干扰措施。交流伺服驱动器的接地处理主要做好两个方面，一是对交流伺服驱动器主回路PE端子正确接地，以提高交流伺服驱动器抑制噪声干扰的能力并减小交流伺服驱动器对外界电气设备的干扰；为保证接地的可靠性和效果，交流伺服驱动器主回路PE端子必须严格地接入PE线，若无公共PE线，可采用就近接地的