数控专业毕业论文 ad系列普通车床改数控电气部分设计.doc

济南职业学院 AD系列普通车床改数控电气部分设计 系（院）名称： 济南职业学院 专 业： 机械设计与制造 学 号： 学 生 姓 名： 指导教师姓名： 2011-4-27 摘 要 近年来，随着国内各种类型机床改造需求的扩大，机床改造已经逐渐形成了一个产业，其中绝大部分是数控机床的改造，我们毕业设计组选择了AD系列数控车床设计作为我们毕业设计的课题。 设计的目的：提高机床的自动化程度，提高机床生产率及加工成品的一致性，降低操作者劳动5度，降低机床对操作者熟练程度的要求。以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平反映了一个国家的机械与电子工业水平。它的推广应用对提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况起着极为重要的作用。 改造后机床达到的效果：易于操作，加工效率高，废品率低，成品一致性好；能实现螺纹及形状复杂的轴套类零件的加工，能够进行切槽、钻、扩等加工，尤其适用于多品种，中小批量的轮番加工，工艺适应性5。 目 录 1 AD系列数控机床的整体设计………………………………………………5 2 电气原理图的设计……………………………………………………………5 2.1课题的概述和设计要求……………………………………………………………5 2.2电气控制线路图的设计……………………………………………………………6 3 数控系统选用………………………………………… ………………………7 3.1数控系统的类型……………………………… ………………… ………………7 3.2 FANUC 0i-A系统……………………………………………………………… …8 4 数控机床5电控制……………………………… ……………………………9 4.1变频器和变频电机…………………………………………………………………9 4.2控制设计……………………………………………………………………………11 5 数控机床的逻辑控制…………………………………………………………12 5.1主轴S功能和刀台控制……………………………………………………………12 5.2方式选择 MD1 MD2 MD3……………………………………………………………16 5.3数控机床用PC………………………………………………………………………16 5.4操作面板……………………………………………………………………………17 6 电器元件选择…………………………………………………………18 6.1功能要求和参数计算………………………………………………………………18 6.2接触器的选用和熔断器选择………………………………………………………19 6.3保护电动机断路器选用……………………………………………………………20 6.4电动机电子灭弧器选用……………………………………………………………20 6.5控制回路隔离变压器选择…………………………………………………………20 6.6导线的选择和总空气开关选择……………………………………………………20 结论……………………………………………………………………… …………………22 致谢………………………………………… ………………………………………………23 参考文献……………………………………………………………………………………24 引 言 随着科学技术和社会生产的不断发展，机械制造技术有了深刻的变化。由于社会对产品多样化的需求更加5烈，多品种、中小批量生产的比重明显增加，采用传统的普通加工设备已难于适应高效率、高质量、多样化的加工要求。这就要求加工设备具有很高的效率和加工精度。而传统的普通机床已远远不能满足现代生产的需要。 随着现代计算机技术和自动控制的飞速发展，信息处理功能不断提高，而价格不断降低。这使得计算机在机械制造行业得以广泛的应用。以数控技术为核心的现代制造技术，以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术有机地结合在一起，构成高度信息化、高柔性、高度自动化的制造系统。微机控制的数控机床以其高精度、高柔性及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞争的需要。计算机数控系统，简称CNC，可根据不同的指令进行不同方式的信息处理。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而使机床具有真正的柔性，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使机床控制系统的性能和可靠性大大提高。 以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平反映了一个国家的机械与电子水平。它的推广应用对于提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况起着极为重要的作用。 数控车床是数控加工中应用得最多的数控机床之一。AD系列普及型数控车床是在普通车床的基础上发展的一种大功率高效率普及型数控机床，可实现三坐标轴控制。能作直线和圆弧插补，在加工过程中可以自动变速。由于是数字控制且带有反馈装置，具有很高的加工精度。 设计要求：本机床采用FANUC0i数控系统，主传动采用变频分段无级调速。主电机功率11KW，配置液压尾座、自动润滑、冷却、照明等。 本篇主要论述了AD系列数控机床的电气设计部分，其中包括系统选用、机床的电气原理设计、机床逻辑控制设计、机床5电控制设计、机床电器元件选用等。 第一章AD系列数控机床的整体设计 本机床包括床身、主轴箱、床鞍、Z向进给、尾座等几大部分；底座为分体式结构，刚性足工艺性好；机床纵向和横向导轨滑动副采用TSF贴塑对淬硬磨削导轨配合，摩擦系数小，动、静摩擦系数之差不大，使之具有良好的耐磨性及可靠的伺服性；滑动面及滚珠丝杠副采用集中自动润滑系统，确保了各重要部件都能工作在良好的润滑状态之下；自动刀架为立式四工位，免抬起，换刀快速方便；卡盘为手动也可选用电动卡盘或液压卡盘；尾座为液压尾座；采用半防护装置，装卸工件方便，操作面板可根据需要很方便地调整位置。机床整体布置如图1所示。  EMBED AutoCAD.Drawing.16 
 图1机床的总体设计 第二章电气原理图的设计 2.1课题的概述和设计要求 AD系列数控机床是属于半闭环控制系统的全功能数控车床，适宜加工各种形状复杂的轴、套、盘类零件，如车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、切槽、倒角、车螺纹等的加工；AD系列数控机床是具有铣削功能的高速、高效车削中心。除具有车削功能外，还增加了钻、铣功能，能够实现X、Z、C三轴联动，可用于加工各种轴类、盘类零件。能够满足黑色金属及有色金属高速切削的速度需求，在机床设计中对主轴、床身、床鞍的刚度进行合理分配，大大提高了整机的刚性，确保了高速运转、重切时的稳定性，本机床的加工精度为IT5～IT6，表面粗糙度Rａ0.4μｍ（有色金属），Rａ0.8μｍ（黑色金属）。作为通用性极高的机床，特别适用于精密零件的加工。工艺适应性5，效率高，精度高，质量高。可广泛适用于汽、摩、火车轮彀、活塞、轴套等配件、航天、家电、液压气动、轴承、仪器仪表、五金阀门等制造业零件的批量加工，是理想的机械加工设备。 该机床的最大车削直径大，工件最大长度长，其主轴运动的正反转依靠两组机械式摩擦片离合器完成，主轴的制动采用液压制动器，进给运动的纵向左右运动、横向前后运动以及快速移动都集中有数控系统控制。对电气控制的要求是： 对于长度较长的工件，为了减少辅助工作时间，除了配备一台主轴运动电动机以外，还应配备一台刀架快速移动电动机。 对于机床在加工时容易产生高温，故需配备一台普通冷却泵电动机。 要有一套局部照明装置以及一定工作状态指示灯。 2.2 电气控制线路图的设计 2.2.1主电路设计 （1）主电动机M1的功率较大，超过10KW，但是由于机床加工是在机器启动后才进行，并且要求主轴的正反转，在设计时还应考虑到过载保护，并采用电流表PA监视车销量，就可以得到控制M1的主电路图如附图所示。 （2）对于在加工过程中产生的摩擦问题我在设计时设计了一套液压润滑系统，该系统需要两个电动机M2和M6，电路图如附图所示。 （3）冷却泵电动机M3和刀台快速移动电动机M4的功率都较小，额定电流分别为0.43A和2.7A，为了节省成本和缩小体积，可以分别用交流中间继电器KA3和KA4替代接触器进行控制。由于刀台快速移动电动机M3短时间的运行，故不设过载保护，这样可以得到控制M3和M4的主电路图。电路图如附图所示。 2.2.2控制电源的设计 考虑到安全可靠和满足照明及指示灯的要求，采用控制变压器TC供电，其一次侧为交流380V，二次侧为交流220V、110V和24V，其中220V提供给接触器KM和中间继电器KA的线圈，24V交流安全电压提供给局部照明电路和提供给指示灯电路，具体接线如附图所示。 2.2.3.局部照明与信号指示灯电路的设计 在操作面板上设有交流电流表PA,它被串联在主轴电动机的主回路中，用以指示机床的工作电流。这样可根据电动机工作情况调整切削用量使主电动机尽量满载运行，以提高生产效率，并能提高电动机的功率因数。照明灯EL、灯开关SA和照明回路熔断器FU，具体电路见图。 第三章 数控系统选用 3.1数控系统的类型 市场上系统厂家很多，性能大同小异。按控制环路分有开环、闭环和半闭环系统。按功能分有高中低三类。主要生产厂商有：日本FANUC公司、西门子公司、广州数控、华中数控等。 3.1.1开环步进伺服系统 此类数控系统以其价格低廉、维修相对简单的优点在市场上得到广泛的应用。由于其存在驱动力矩小、无位置反馈、精度低等原因而退出数控系统的主流地位。在我国，经济型数控机床一般采用此类系统。系统分辨率0.01。系统结构如下：  EMBED 
 图2开环数控系统工作原理 3.1.2闭环数控系统 此类数控系统以其价格低廉、维修相对简单的优点在市场上得到广泛的应用。由于其存在驱动力矩小、无位置反馈、精度低等原因而退出数控系统的主流地位。在我国，经济型数控机床一般采用此类系统。系统分辨率0.01。系统结构如下：  EMBED 
 图3闭环数控系统工作原理 3.1.3半闭环数控系统 半闭环控制方式其闭环环路短，位置反馈元件安装在伺服电机轴端或丝杠端部，用于精确控制电机的角度和速度，然后通过精密滚珠丝杠等机械传动结构实现直线位移。因此可获得稳定的控制特性，达到较高的位置增益而不产生振荡。传动链上有规律的误差可以达到补偿，如螺距及间隙误差等。因此半闭环控制得到广泛的应用。系ss统分辨率0.001。控制结构示意图如下：  EMBED 
 图3半闭环数控系统的工作原理 市场上数控系统的类型较多，主要有FANUC 0i系列、西门子802系列、三菱50L系列等。根据价格合理、技术先进、可靠性高的原则来选择数控系统。经综合考虑选用高品质、高可靠、高性能价格比的FANUC 0i数控系统。系统分辨率0.001，控制轴数2轴，可控制两台伺服电机（α6、α12）实现XZ向插补运动，可车削端面、外园、锥度、圆弧面；主轴接口2轴，可控制变频器实现主轴调速；内置PLC简化了外部接线，提高整机的可靠性；图形功能，实现加工时刀具轨迹预览和模拟，显示运行时的故障、伺服波形使维修更方便；通过RS232与PC机相连，实现加工程序的上传与下载；配置主轴编码器能加工多种型式螺纹工件。 3.2 FANUC 0i-A系统 3.2.1伺服电源容量 1.CNC控制单元的电源 控制单元 24VDC±10% 3.5A CRT/MDI单元 0.8A 2.伺服单元的电源 额定电压 三相AC220V －15%～＋10% ±2Hz X向伺服电机选择为 α6/2000 1.0KW 电源容量 1.5KVA Z向伺服电机选择为 α12/2000 2.1KW 电源容量 3.3KVA 3.伺服用电源变压器 在一般动作条件下系数取0.6，变压器容量为：（1.5＋3.3）×0.6＝2.88 KVA 3.2.2外围设备 1.显示器 功能：用来显示程序、参数、图形、诊断并支持机床的操作 控制单元通过视频电缆、电源电缆与其相连 2. MDI单元 功能：用来输入加工程序、设置参数等数据输入 控制单元通过MDI电缆与其相连 手摇脉冲发生器（MPG）： 它广泛应用于机床的手动轴操作。MPG每转输出100个脉冲电信号，信号分A、B两路，均为方波信号，其相位差为90度。MPG与CNC通过四根信号线(+5V 0V A B)相联。CNC通过判断其A、B信号相位超前或滞后关系来判断MPG正反转，通过检测MPG所发脉冲个数来控制坐标轴移动的距离。 4.模拟量输出接口（主轴控制接口、进给轴控制接口） 数控系统可输出0--±10V的高分辨率模拟量电压信号，用于控制主轴的转速。控制单元与变频器间模拟量的传输使用双绞屏蔽电缆，且屏蔽层接地。 5。主轴编码器 主轴编码器与主轴同步转动以获得与主轴同步的位置信号。其主要用于螺纹切削、主轴转速监控及主轴准停等。 第四章 数控机床5电控制 4.1变频器、变频电机 技术要求：主传动采用变频分段无级调速，变频调速范围 1：3。 根据技术要求，主电机可采用变频器或主轴伺服单元进行调速控制。 主轴伺服控制：调速范围广全速段机械特性好，具有速度反馈功能速度稳定，能实现主轴准停、分度。  EMBED 
 图表  SEQ 图表 \* ARABIC 1 伺服主轴电机特性 变频调速控制：变频器调频范围一般在1---400Hz，低速段机械特性较差，在低频5Hz以下电机输出扭矩较小。由于无速度反馈功能速度脉动较高。在低速切削时易产生主轴输出扭矩不够和主轴速度下降。从图表2变频电机特性曲线可以看出，变频电机在150转（5Hz）以下运行时特性较软，在150-1500转范围内运行扭矩输出平稳。合理选择电机的运行区间完全可以满足技术要求。根据要求调速范围为1：3，我们选择电机的范围为500—3500转，其运行区间被恒扭矩区完全覆盖，可以满足设计要求. 变频器具有多种保护功能和故障显示功能，如过电压、欠电压、过电流、过热等保护。能方便与CNC系统连接，实现电动机的变速控制。  EMBED 
 图表  SEQ 图表 \* ARABIC 2变频电机特性曲线 由以上分析和实践经验可知：变频电机选择为DP160M－4，变频器选择为FRN 11 G11S-4，它们的主要技术参数如下： DP160M－4电机主要数据: 额定电压三相380V 额定频率50Hz 功率 11KW 额定转矩 71.90NM 额定电流 22.60A 恒转矩调频范围5—50Hz 恒功率调频范围 50---200 Hz FRN 11 G11S-4变频器主要数据： 额定容量 11KVA 额定输出电流 24A 额定输出频率50Hz 额定电压三相 380V 电源容量 15KVA 参数设定参看变频器说明手册 过电流、过载保护开关QF1选择 变频器额定输出电流 24A 4.2控制设计 4.2.1变频器信号连接 富士变频器为交流变频调速装置，其控制参数可通过键盘、液晶显示屏进行设定。其外部接线图如下：  EMBED 
 图4变频器的接线图 R S T 三相380-480V 50Hz交流电源 11 12 频率设定模拟量输入 FEW REV CM 正反转控制 X1－X9 可选择功能输入信号 U V W 变频器输出端子接电机 30A 30B 30C 总报警输出 P（+） P(－) THR CM 外接制动单元，制动电阻 Y1－Y4 选择功能输出信号 4.2.2变频器控制 变频器的电源为三相交流380V 50Hz，其输入经断路器QF2接触器KM1接入变频器RST电源输入端子，经变频器U V W端子输出到变频电机。QF2对变频器进行短路过载保护，KM1在机床出现紧急停止时对变频器进行断电处理。QF2、KM1的辅助触点引入PLC对其进行监控。 从数控系统的接口输出0-10V频率设定模拟量，经变频器11 12端子引入，对变频器输出频率进行控制，进而对电机的转动速度进行控制。FEW REV端子对电机进行正反转控制，PLC输出的正反转控制信号经中间继电器接入。FEW 接通电机正转，REV接通电机反转，同时断电机停。X1－X9 Y1－Y4端子可选择功能输入出信号。 第五章 数控机床的逻辑控制 5.1主轴S功能和刀台控制 5.1.1主轴S功能 本机床采用四档无级变速，利用M接口实现主轴机械分段换档，利用S接口实现速度控制。根据ISO M功能代码的表述，则其控制流程如下：  EMBED 
 图6主轴的S功能控制流程 1主轴变速过程如下： 主轴在变频电机的带动下低速正反摆动,此时对应的换档油缸得电推动变速齿轮进行换档。当变速油缸上方的接近开关给出齿轮到位信号后，换档结束。输入M03、S100主轴即以100r/min的速度正转，输入M04、S150主轴即以150r/min的速度反转，输入M05主轴停。 2主轴速度控制S功能 通过数控系统的模拟量接口来完成。其输出与主轴速度相对应的＋10V 到－10V或＋10V连续可调模拟量，与变频器结合实现主轴速度的控制。 3主轴正转、反转、停止功能 使用M功能的M03、M04、M05代码来实现。执行M03、M04、M05指令时，CNC通知PLC来完成M代码的译码工作，相应的输出口动作通知变频器控制电机实现正转、反转、停止。 M03指令 PLC译码 正转继电器吸合 变频器正转功能接通 返回M03指令结束信号。 5.1.2刀台控制  EMBED 
 图7刀台的控制流程 本机床采用电动四工位刀架 控制流程如下:首先系统给出换刀指令如T10、T20、T30、T40，X11.2由于不在刀位其信号状态为高电平，梯形图显示为导通状态，NC输出F26.0、F26.1、F26.2.经译码后，Y1002.3导通,外部继电器KA3吸合KM4动作刀架电机通电正转，刀架松开并开始转位，1工位霍尔开关信号由低电平“0”变为高电平“1”。到达2工位霍尔开关信号由高电平“1”变为低电平“0”。刀架继续转动，2工位霍尔开关信号由低电平“0”变为高电平“1”。到达3工位霍尔开关信号X11.2由高电平“1”变为低电平“0”。电机反转，刀架开始锁紧，电机反转1.8秒后电机停转。  EMBED 
 图8霍尔元件接线图：  EMBED 
 图9刀台控制梯形图 F7.3刀具T代码选通信号；F1.1系统复位信号；F26.0、F26.1、F26.2 NC刀具指令T代码输出;X1008.4急停信号;X11.0、X11.1、X11.2、X11.3刀具四个工位到达信号；Y1002.3刀架正转；Y1002.2刀架反转；R中间继电器;SUB3时间继电器. 2方式选择 MD1 MD2 MD3 方式 信号状态 MD4 MD2 MD1 1 编辑 EDIT 0 1 1 2 存储器运行 MEM 0 0 1 3 手动数据输入 MDI 0 0 0 4 手轮 1 0 0 5 手动连续 1 0 1 6 手动回原点 1 0 1 方式选择信号为格雷码，在进行机床操作时应首先选择机床的工作方式。数控系统检测输入信号来通知当前所选定的操作方式 5.3数控机床用PC FANUC 0i-TA作为基本的功能提供给用户.其软件和硬件被作为CNC系统的基本功能而与CNC其它功能一起设计制造.因此具有较5的针对性. 5.3.1 PC输入\输出信号 PC的输入\输出信号有两类，一类直流输入\输出信号,一类交流输入\输出信号。 直流输入信号是指机床侧的开关、按钮、继电器触点、传感器等采集到的通断信号。 如:限位开关、操作面板上的按钮开关、PC的输入输出接点。  EMBED 
 图10直流输入信号原理 直流输出信号来自PC,经驱动电路送至机床侧，驱动继电器线圈、指示灯信号。  EMBED 
 图11直流输出信号原理 5.3.2信号要求 DI触点容量:30V DC16mA DO最大负载电流 ：200mA 耐压 24V＋20% 当输出控制对象是电磁阀、电磁离合器等负载时，其工作电压或电流超过最大允许值必须使用中间继电器。中间继电器线圈两端要并联续流二极管。 5.3.3 PC指令 在设计控制程序时,基本指令用的较多,由于实现数控机床的逻辑较为复杂,因此必须借助功能指令来简化编程,如二进制运算、回转工作台控制、一致比较等.就FANUC的PMC-L来说,基本指令有12种，功能指令有35种. PMC-L的输入输出信号 F**.* 为CN