CNC3136 數(shù)控車床電氣系統(tǒng)設計畢業(yè)論文

河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢 業(yè) 論 文論文題目： CNC3136數(shù)控車床電氣系統(tǒng)設計系 別 機電工程系 專業(yè)年級 09機械制造與自動化2班 學生姓名 學號 指導教師 職稱 日 期 2011年9 月 河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學生頂崗實習專項任務書（畢業(yè)論文任務書）專項任務名稱 CNC3136數(shù)控車床電氣系統(tǒng)設計 姓名 專業(yè) 09級機械制造與自動化 班級 學號 一、 任務情況描述：人類進入21世紀以后，信息化的社會使得各行各業(yè)都在突飛猛進地發(fā)展，尤其是計算機和網(wǎng)絡的發(fā)展使得傳統(tǒng)的機械制造業(yè)走向了更高的一個臺階。這就有了數(shù)控技術(shù)的誕生。舊形式的生產(chǎn)技術(shù)與新一代的自動化技術(shù)是不可比擬的，所以要想產(chǎn)生更多、更快、更安全的生產(chǎn)力，我們必須對數(shù)控技術(shù)的發(fā)展有所了解、有所研究。二、任務完成計劃：7月 1日7月10日 選取論文的題目。7月 11日8月20日 搜集與論文題目相關(guān)的資料。8月21日8月31日 對所搜集資料進行系統(tǒng)的整合，擬出論文的框架。9月1日9月20日 依據(jù)論文的框架，充分利已有資料，完成論文的初稿。9月20日9月22日 指導老師審閱并提出修改建議，與老師商定論文的定稿工作。9月22日30日 做好論文的修改及完善工作，定稿。三、 計劃答辯時間：2011年10月實習指導教師（簽字）： 系學生頂崗實習領(lǐng)導小組組長（簽字）： 年 月 日 年 月 日目 錄一、 引言1二、 數(shù)控車床主要控制電路設計1（一） 數(shù)控車床常用電氣元件1（二）、 380V強電控制回路4（三）、 電源回路7三、 PLC輸入輸出控制7（一） 可編程控制器概述7（二） PLC輸入/輸出與通信接口10四、 伺服驅(qū)動進給系統(tǒng)設計12（一）、伺服驅(qū)動進給裝置的接口設計12五、結(jié) 論15參考文獻16CNC3136數(shù)控車床電氣系統(tǒng)設計09機械制造與自動化專業(yè)2班姓名學號摘要：數(shù)控技術(shù)發(fā)展飛速的今天，數(shù)控技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)揮越來越重要的作用，數(shù)控機床是數(shù)控制造業(yè)的核心，本文主要介紹了對數(shù)控車床的電氣系統(tǒng)設計的過程。CNC6136A 是基于華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-21的基礎上設計制造的新一代的數(shù)控車床，對其電氣系統(tǒng)設計使尤為重要的，其內(nèi)容包括強電設計、弱點設計、PLC輸入輸出及接口設計，繪制出整個機床的電氣系統(tǒng)原理圖等。本設計給出了整個機床的原理圖繪制過程，重點部分模塊化，較詳細地介紹了各個部分的功能及用途。分為 380V強電回路，控制回路，PLC輸入輸出控制，主軸驅(qū)動模塊和進給伺服驅(qū)動模塊，并介紹了相關(guān)的電氣知識。通過本設計說明書可以基本上掌握數(shù)控車床的電氣原理，以及基本的電氣常識，使讀者無論是從整體上還是各個模塊中都能夠了解到數(shù)控車床相關(guān)的一系列電氣知識關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控車床；主電路；控制電路；PLC控制；電氣原理圖一、 引言機床是對金屬或其它材料的坯料或工件進行加工，使之獲得所要求的幾何精度和表面質(zhì)量的機器，機床是用以制造一切機械(包括能制造機床自身)的機器，機床是機械制造業(yè)的基本加工裝備。它的品種、性能、質(zhì)量和技術(shù)水平直接影響著其它機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生產(chǎn)技術(shù)水平和企業(yè)的經(jīng)濟效益。隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，以電子信息技術(shù)為主體，世界機床產(chǎn)業(yè)已進入機電一體化時代，其代表產(chǎn)品就是數(shù)控機床。CNC6136A數(shù)控車床就是典型的現(xiàn)代化設備，它的出現(xiàn)是機械加工設備的新突破。隨著科學技術(shù)和市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和新產(chǎn)品開發(fā)的周期提出了越來越高的要求，所以，新一代的數(shù)控車床便應運而生。CNC6136A 數(shù)控車床是基于華中數(shù)控“世紀星”HNC-21TD系統(tǒng)的數(shù)控車床，其中一個主要的環(huán)節(jié)就是電氣系統(tǒng)設計,其中包括強電設計，弱電設計，以及PLC接口設計等。電氣系統(tǒng)是整個車床的控制中心，所以設計工作尤為重要。二、 數(shù)控車床主要控制電路設計（一） 數(shù)控車床常用電氣元件1低壓斷路器低壓斷路器又稱為自動空氣開關(guān)，是將控制和保護的功能合為一體的電器。它常作為不頻繁接通和斷開的電路的總電源開關(guān)或部分電路的電源開關(guān)，當發(fā)生過載、短路或欠壓等故障時能自動切斷電路，有效地保護串接在他后面的電器設備，并且在分斷故障電流后一般不需要更換零部件。2接觸器接觸器是一種用來頻繁地接通或分斷電路帶有負載（如電動機）的自動控制電器。接觸器由電磁機構(gòu)、觸點系統(tǒng)、滅弧裝置及其他部件四部分組成。如圖所示，其工作原理是當線圈通電后，鐵芯產(chǎn)生電磁吸力將銜鐵吸合。銜鐵帶動觸點系統(tǒng)動作，使常閉觸點斷開，常開觸點閉合。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在反作用彈簧力的作用下釋放，觸點系統(tǒng)隨之復位。按其主觸點通過電流的種類不同，可分為直流、交流兩種。機床上應用最多的是交流接觸器。圖 交流接觸器電氣圖形及文字符號3繼電器繼電器是一種根據(jù)輸入信號的變化接通或斷開控制電路的電器。繼電器的輸入信號可以是電流、電壓、等電量，也可以是溫度、速度、等非電量，輸出為相應的觸點動作。繼電器的種類很多，按輸入信號的性質(zhì)分為：電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、溫度繼電器、速度繼電器等。按工作原理可分為：電磁式繼電器、感應式繼電器、電動式繼電器、熱繼電器等。4變壓器變壓器是一種將某一數(shù)值的交流電壓變換成頻率相同但數(shù)值不同的交流電壓的靜止電器。5直流穩(wěn)壓電源 如圖2所示直流穩(wěn)壓電源的功能是將非穩(wěn)定交流電源變成穩(wěn)定直流電源。在數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中，需要穩(wěn)壓電源給驅(qū)動器、控制單元、直流繼電器、信號指示燈等提供直流電源。圖2直流穩(wěn)壓電源電氣圖形及文字符號6熔斷器熔斷器是一種廣泛應用的最簡單的有效的保護電器。在使用時，熔斷器串接在所保護的電路中，當電路發(fā)生短路或嚴重過載時，它的熔斷體能自動迅速的熔斷，從而切斷電路，使導線和電氣設備不致?lián)p壞。熔斷器主要由熔斷體（俗稱保險絲）和熔座（俗稱保險座）兩部分組成。如圖2-11所示。圖 熔斷器電氣圖形及文字符號7開關(guān)電器（1）行程開關(guān) 如圖所示行程開關(guān)是根據(jù)運動部件位置而切換電路的自動控制電器，用來控制運動部件的運動方向、行程大小或位置保護。圖 行程開關(guān)電氣圖形及文字符號（2）接近開關(guān) 如圖所示接近開關(guān)是非接觸式的監(jiān)測裝置，當運動著的物體接近它到一定距離范圍內(nèi)，就能發(fā)出信號。從工作原理看，接近開關(guān)有高頻振蕩型、感應電橋型、霍爾效應型、光電型、永磁及磁敏元件型、電容型、超聲波型等多形式。圖 接近開關(guān)電氣圖形及文字符號（二）、 380V強電控制回路圖 380V強電回路(a)圖為數(shù)控車床的主電路的一部分，也是機床的動力電路，斷路器QF1為機床電源的總開關(guān)，亦用來對整個動力線路進行過載及短路保護，交流接觸器KM2和KM3采用互鎖連接用來控制主軸電動機M1的正反轉(zhuǎn)，斷路器QF3作為主軸電動機的過載及短路保護；伺服變壓器TC1是將交流380V電壓轉(zhuǎn)換為交流220V電壓給伺服模塊供電，QF2作為伺服強電的過載及短路保護，KM3用作開關(guān)控制，滅弧器RC1、RC2用來保護交流接觸器的主觸點，防止當主觸點斷開時，在動、靜觸點間產(chǎn)生強烈電弧，燒壞主觸點。圖為數(shù)控車床的主電路的另一部分，斷路器QF4和QF5分別作為冷卻電機和刀架電機的過載及短路保護；交流接觸器KM6用來控制冷卻電動機M2的啟動和停止，KM4和KM5也是采用互鎖電路控制刀架電機的M3的正反轉(zhuǎn)，滅弧器RC3、RC4用來保護交流接觸器的主觸點，防止當主觸點斷開時，在動、靜觸點間產(chǎn)生強烈電弧，燒壞主觸點。圖 380V強電回路(b)典型電路控制分析：實際生產(chǎn)中考慮到經(jīng)濟、高效、準確等因素，此次設計中采用了互鎖電路控制實現(xiàn)主軸和刀架電動機的正反轉(zhuǎn)，有三相異步電動機的原理可知，只要將電動機接到三相電源中的任意兩根連線對調(diào)，即可使電動機反轉(zhuǎn)。圖 互鎖控制線路如圖所示，啟動按鈕SB2、SB3使用復合按鈕，復合按鈕的常閉觸點用來斷開轉(zhuǎn)向相反的接觸器線圈的通電回路，兩個接觸器的常閉觸點KM1、KM2起互鎖作用，即當一個接觸器通電時，其常閉觸點斷開，使另一個接觸器線圈不能通電。（三）、 電源回路圖 電源回路圖圖為機床的電源線路，圖中變壓器TC1 原邊接三相AC380V，副邊三組繞組分別提供AC220V、AC24V、AC110V電壓，AC220V給開關(guān)電源供電，AC24V給工作燈供電，AC110V給電柜風扇供電，熔斷器FU1-FU3用來對線路進行過載及短路保護。三、 PLC輸入輸出控制（一） 可編程控制器概述可編程控制器（以下簡稱PLC）是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型自動化控制裝置，目前已廣泛應用于各種工業(yè)設備?？删幊炭刂破魇怯嬎銠C技術(shù)與自動控制技術(shù)有機結(jié)合的一種通用工業(yè)控制器。在此之前，機床的順序控制是以機床當前運行狀態(tài)為依據(jù)，使機床按預先規(guī)定好的動作依次地工作，這種控制方式的實現(xiàn)，是由傳統(tǒng)的繼電器邏輯電路RLC完成的。RLC是將繼電器、接觸器、按鈕、開關(guān)等機電式控制器件用導線、端子等連接起來的電路，以實現(xiàn)規(guī)定的順序控制功能?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下運用而設計。它采用可編程序的存儲器，用于存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等特定功能的用戶指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌漭o助設備都應按易于構(gòu)成一個工業(yè)控制系統(tǒng)，且它們所具有的全部功能易于應用的原則設計。數(shù)控機床的控制由數(shù)控裝置和可編程控制器協(xié)調(diào)配合共同完成：數(shù)控裝置主要完成與數(shù)字運算和管理等有關(guān)的功能，如零件程序的編輯、插補運算、譯碼、位置伺服控制等； 可編程控制器（以下簡稱PLC）主要完成與邏輯運算有關(guān)的一些動作，沒有實現(xiàn)軌跡運動上的具體要求。1可編程控制器（PLC）具有如下特點：（1）PLC是一種專用于工業(yè)順序控制的微機系統(tǒng)。為了適應順序控制的要求，PLC省去了微機的一些數(shù)字運算功能，而強化了邏輯運算控制功能，是一種介于繼電器控制和微機控制之間的自動控制裝置；（2）PLC是專為在惡劣的工業(yè)環(huán)境下使用而設計的，所以具有很強的抗干擾能力。除輸入/輸出部分采用光電隔離的措施外，對電源、運算器、控制器、存儲器等也設置了多種保護和屏蔽。PLC沒有繼電器那種機械觸點，因此，不存在觸點的接觸不良、熔焊、磨損和線圈損壞等故障；（3）相對于RLC，PLC采用軟件實現(xiàn)用戶控制邏輯，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，很容易裝入機床內(nèi)部或電氣箱內(nèi)，便于實現(xiàn)動作復雜的控制邏輯和數(shù)控機床的機電一體化；（4）目前大多數(shù)的PLC，均采用梯形圖編程方式。梯形圖與繼電器邏輯控制電路圖十分相似，圖形符號形象直觀、工作原理易于理解和掌握、編程簡單、操作方便、改變程序靈活；（5）PLC可與編程器、個人計算機等聯(lián)接，可以很方便地實現(xiàn)程序的顯示、編輯、診斷、存儲和傳送等操作。2可編程控制器的分類：從數(shù)控機床應用的角度可編程控制器可分為兩類：一類是CNC的生產(chǎn)廠家專為數(shù)控機床順序控制而將數(shù)控裝置（CNC）和PLC綜合起來而設計制造的“內(nèi)裝型”PLC。另一類是專業(yè)的PLC生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，它們的輸入/輸出信號接口技術(shù)規(guī)范，輸入/輸出點數(shù)、程序存儲容量以及運算和控制功能均能滿足數(shù)控機床的控制要求，稱為“獨立型”PLC。3可編程控制器的組成及工作方式：PLC實質(zhì)是一種專用計算機，它的組成形式基本上與微機相同，主要包括：微處理器（CPU）、存儲器、用戶輸入/輸出部分、輸入/輸出擴展接口、外圍設備以及電源等。對于內(nèi)裝型PLC，CPU、存儲器、外圍設備、電源等部分一般與CNC裝置共用。PLC的基本工作方式是順序執(zhí)行用戶程序，每一時刻執(zhí)行一條指令，由于相對于外部電氣信號有足夠的執(zhí)行速度，從宏觀上看是實時響應的。對用戶程序的執(zhí)行一般有循環(huán)掃描和定時掃描兩種，掃描過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，圖10為數(shù)控車床中的PLC系統(tǒng)。圖10 數(shù)控車床中的PLC（二） PLC輸入/輸出與通信接口1PLC輸入開關(guān)量定義：X10（ 輸入接口I0-I19）表1 輸入開關(guān)量定義引腳號信號名標號信號定義13I00X0.0X 軸正超程限位開關(guān)，常開點，閉合有效。25I01X0.1X 軸負超程限位開關(guān)，常開點，閉合有效。12I02X0.2Z 軸正超程限位開關(guān)，常開點，閉合有效。24I03X0.3Z 軸負超程限位開關(guān)，常開點，閉合有效。11I04X0.423I05X0.510I06X0.622I07X0.79I08X1.021I09X1.1主軸電機報警，常閉點，斷開有效。8I10X1.2X 軸回參考點開關(guān)，常開點，閉合有效。20I11X1.3Z 軸回參考點開關(guān)，常開點，閉合有效。7I12X1.4刀架電機過熱報警，常閉點，斷開有效。19I13X1.5冷卻系統(tǒng)報警，常閉點，斷開有效。6I14X1.618I15X1.75I16X2.01號刀到位，常開點，閉合有效。17I17X2.12號刀到位，常開點，閉合有效。4I18X2.23號刀到位，常開點，閉合有效。16I19X2.34號刀到位，常開點，閉合有效。3空1，2，14，1524V地外部直流24V 電源接地2PLC輸出開關(guān)量定義：X20（輸出接口00-015）表2 輸出開關(guān)量定義引腳號信號名標號信號定義13000Y0.0運行允許， 低電平有效。25001Y0.1系統(tǒng)復位， 低電平有效。12002Y0.2伺服允許 ，低電平有效。24003Y0.311004Y0.423005Y0.5冷卻開，低電平有效。10006Y0.6刀庫正轉(zhuǎn)，低電平有效。22007Y0.7刀庫反轉(zhuǎn)，低電平有效。9008Y1.0主軸正轉(zhuǎn)，（主軸使能）， 低電平有效。21009Y1.1主軸反轉(zhuǎn)，（主軸使能）， 低電平有效。8010Y1.220011Y1.37012Y1.419013Y1.56014Y1.618015Y1.75空17ESTOP3急?；芈夫?qū)動KA ，繼電器控制動力電源的輸出端子4ESTOP1急?；芈放c超程回路的串聯(lián)的接入端子16OTBS2超程限位開關(guān)的接入端子3OTBS1超程限位開關(guān)的接入端子1，2，14，1524V地外部直流24V 電源接地3通訊接口數(shù)控機床PLC主要包括兩類接口信息：（1）硬件電氣接口信息：PLC與數(shù)控裝置、機床及機床電氣設備之間的電氣連接部分；（2）軟件寄存器接口信息：PLC為了運算和實現(xiàn)某些特殊功能的需要，以及內(nèi)裝式PLC與NC間，數(shù)據(jù)交換的需要設置的寄存器變量或功能函數(shù)。PLC常用的電氣接口一般有開關(guān)量輸入接口、開關(guān)量輸出接口和模擬量輸出接口等三種。主軸控制接口：XS9如圖11所示。圖11主軸控制接口模擬接口式、脈沖接口式伺服驅(qū)動器控制接口：XS30-XS33如圖12所示。 圖12 伺服驅(qū)動器控制接口四、 伺服驅(qū)動進給系統(tǒng)設計（一）、伺服驅(qū)動進給裝置的接口設計在數(shù)控機床上進給驅(qū)動裝置根據(jù)來自CNC的指令，控制電動機的運行，以滿足數(shù)控機床工作的要求。因此進給驅(qū)動裝置至少要求具備工作電源接口、接收CNC或其他設備指令以及控制電動機運行的接口，這些都是最基本的接口，如圖13所示，標出最簡單地進給驅(qū)動器接線圖。此外，為了伺服系統(tǒng)的安全，進給驅(qū)動裝置一般提供了工作狀態(tài)信息和報警接口；為了方便，有些進給驅(qū)動裝置還提供了通信接口等，根據(jù)不同的伺服類型和功能的強弱，除了基本接口外，進給驅(qū)動裝置的接口會相差很多，例如，交流伺服驅(qū)動裝置一般比步進電動機驅(qū)動裝置具有更豐富的接口。圖13 進給驅(qū)動裝置的基本接口進給驅(qū)動裝置的接口，按照功能不同可分為： 1、電源接口 2、指令接口 3、控制接口 4、狀態(tài)與安全報警接口 5、通信接口 6、反饋接口 7、電動機電源接口如圖14是X軸伺服模塊的連接圖圖14 X軸伺服模塊圖中體現(xiàn)了X 軸伺服模塊的強電回路即反饋回路接線圖，電源接口R1,T1進給驅(qū)動裝置的電源一般分為動力電源和邏輯電源電路，對于交流伺服進給驅(qū)動裝置，還需要控制電源。進給驅(qū)動裝置提供了一系列的接口裝置。指令接口一般采用脈沖接口或模擬量接口，有些還提供通信和總線的方式作為接口?？刂平涌趯M給驅(qū)動伺服裝置而言是輸入信號接口，用于接受CNC、PLC以及其他設備的控制指令，以便調(diào)整驅(qū)動裝置的工作狀態(tài)、工作特性或?qū)︱?qū)動裝置和電動機驅(qū)動的機床設備進行保護。狀態(tài)與安全報警接口對進給驅(qū)動裝置而言是輸出信號接口，用于通知CNC、PLC以及其他設備驅(qū)動裝置目前的工作狀態(tài)。反饋接口一般分為來自位置、速度檢測元件、和輸出到CNC的位置反饋接口。電動機電源接口一般采用端子的形式，小功率的電動機也會采用插接件的形式。伺服系統(tǒng)接線分為三個模塊，即，電源模塊標準接線，位置控制方式標準接線，速度控制方式標準接線。五、結(jié) 論在這次畢業(yè)設計中，我在對數(shù)控車床的工作原理以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析研究的基礎上，進行了CNC6136A數(shù)控車床的電氣系統(tǒng)設計，此車床是基于華中數(shù)控HNC-21系統(tǒng)的基礎上的新一代數(shù)控車床，它具有高速、精密、可靠、經(jīng)濟等特點。車床的電氣系統(tǒng)設計是整個車床的核心部分，主要分為強電回路設計、控制回路設計、PLC輸入輸出設計、伺服驅(qū)動進給設計和主軸驅(qū)動設計五個方面，要求繪制出整個車床的電器原理圖。通過此次設計，也使我受益非淺，不僅是我了解了一臺數(shù)控車床的電氣系統(tǒng)工作原理，更是我學會了很多電氣設計方面的知識，不僅豐富了我自己，而且也彌補了以前學習過程中的漏洞，雖然時間不長，但是收獲頗豐，但是由于時間的關(guān)系，以及本人的能力有限，此次設計中也存在著需要改進的地方和不足之處，希望各位老師給與點撥和指教。參考文獻1 陳吉紅，楊克沖 .數(shù)控機床實驗指南 .武漢：華中科技大學出版社，2003.52 畢承恩，丁乃建.現(xiàn)代數(shù)控機床.北京：機械工業(yè)出版社，1991.3 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