三軸數(shù)控銑床設(shè)計(jì)報(bào)告.docx

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控 制 系 統(tǒng) 課 程 項(xiàng) 目 設(shè)計(jì)說明書 項(xiàng)目名稱： 數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別： 機(jī)械電子工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： citycars 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 陳少波 完成時(shí)間： 2012 年 6 月 8 日 至 2012 年 6 月 22 日 目錄 1 概述 3 1.1 設(shè)計(jì)目的 3 1.2使用設(shè)備 3 1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 3 2 NUM1020控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 2.1 功能概述 4 2.2 主要元器件選型 5 2.2.1電機(jī)選型 5 2.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器選型 7 2.3 電路原理設(shè)計(jì) 7 2.3.1 電源供電設(shè)計(jì) 7 2.3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 9 2.3.3 電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接設(shè)計(jì) 9 2.3.4 手輪與軸卡連接設(shè)計(jì) 9 2.3.5銑床控制電路設(shè)計(jì) 10 2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 2.4.1控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 12 2.4.2 參數(shù)設(shè)置 12 2.4.3 程序設(shè)計(jì) 14 3 總結(jié) 17 1 概述 1.1 設(shè)計(jì)目的 1）、掌握簡(jiǎn)單數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程 2）、掌握常用數(shù)控系統(tǒng)（NUM1020）的操作過程 3）、掌握交流伺服電機(jī)的工作方式及應(yīng)用過程 4）、了解數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置式 PLC 的實(shí)現(xiàn)原理及編程方式 5)、掌握數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)控制功能程序的設(shè)計(jì)及開發(fā)過程 1.2使用設(shè)備 1)、NUM1020數(shù)控系統(tǒng)一套 2)、安川交流伺服電機(jī)3套 3)、計(jì)算機(jī)及梯形圖編輯軟件一套 1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 1）、以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備（NUM1020數(shù)控系統(tǒng)）作為控制器，參照實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的數(shù)控銑床的功能，完成一臺(tái)具有3軸聯(lián)動(dòng)功能的數(shù)控銑床的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。 2）、移動(dòng)軸（3軸）采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用半閉環(huán)位置控制模式。 3）、主軸采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的變頻調(diào)速器進(jìn)行設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)不要求具備自動(dòng)換刀功能。 4）、完成PLC輸入輸出點(diǎn)的分配。 5）、具有行程及其他基本的保護(hù)功能。 6）、設(shè)計(jì)相關(guān)功能的梯形圖控制程序（要求具有：手動(dòng)進(jìn)給功能、手輪進(jìn)給功能、MDI功能、自動(dòng)控制功能及各種基本的邏輯保護(hù)功能） 7）、完成設(shè)計(jì)報(bào)告。 2 NUM1020控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 功能概述 此三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床由X、Y、Z軸三軸及主軸組成，X、Y、Z軸采用伺服電機(jī)傳動(dòng)，由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。主軸采用普通三相異步電機(jī)，由變頻器驅(qū)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)采用NUM1020數(shù)控系統(tǒng)。由NUM1020數(shù)控系統(tǒng)作為控制核心，三臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器通過NUM1020系統(tǒng)的軸卡地址編碼控制，主軸變頻器由數(shù)控系統(tǒng)的PLC輸出模擬量控制，同時(shí)變頻器反饋速度模擬量輸入到PLC。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 圖1 功能概述圖 2.2 主要元器件選型 2.2.1電機(jī)選型 性能參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)： （1） 工作臺(tái)質(zhì)量m=510kg（所受的重力W=5000N）； （2） 主軸部分工作部件質(zhì)量m=510kg（所受的重力W=5000N）； （3）工作臺(tái)的最大行程Lp=600mm； （4）工作臺(tái)X軸和Y軸最大移動(dòng)速度Vmax=9000mm/min； （5）z軸最大移動(dòng)速度為3000mm/min； （6）主軸最大轉(zhuǎn)速n=2000n/min； （7）最大切削力F=1000N； （8）銑刀最大直徑d=20mm； （9）工作臺(tái)采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.15。 （10）位置控制精度0.01mm。 2.2.1.1 X軸和Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型： X、Y軸為平動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力僅需要克服平動(dòng)所受到的導(dǎo)軌的摩擦力，因此電機(jī)所需功能較小。 所需驅(qū)動(dòng)功率P=FV=WμV=50000.156000/(6010001000)KW=0.12KW 假設(shè)電機(jī)傳動(dòng)效率為 η=0.9，則電機(jī)最小功率為P_1=P/η=0.13kW 2.2.1.2 Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型： Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸部件移動(dòng)時(shí)，需要克服工作部件的重力，所需要電機(jī)功能較大。 所需驅(qū)動(dòng)功率 假設(shè)電機(jī)傳動(dòng)效率為 η=0.9，則電機(jī)最小功率為P_2=P/η=0.28kW 2.2.1.3 主軸軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型： 依據(jù)性能參數(shù)設(shè)計(jì)指示，最大切削力F=1000N，銑刀最大直徑d=20mm 所需電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T 由公式 得 所需驅(qū)動(dòng)功率 查電機(jī)型號(hào)選型手冊(cè)，低功率交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速較大，沒有2840 n/min及以下的，因此，此處電機(jī)扭矩計(jì)算按電機(jī)轉(zhuǎn)速3000 n/min計(jì)算： 假設(shè)電機(jī)傳動(dòng)效率為 η=0.9，則電機(jī)最小功率為P_2=P/η=3.5Kw 根據(jù)以上計(jì)算，X、Y、Z軸的伺服電機(jī)選用日本安川品牌的交流伺服電機(jī)，主軸選用西門子品牌的三相異步電機(jī)。電機(jī)型號(hào)如下表所示： 軸 型號(hào) 轉(zhuǎn)速 功率 扭矩 編碼器 X SGMGH054AAA2S 1500r/min 0.45KW 490Nm 17比特 增量式 Y SGMGH054AAA2S 1500r/min 0.45KW 490Nm 17比特 增量式 Z SGMGH20ACB2S 1000r/min 2.0KW 1176Nm 17比特 增量式 主軸 Y112M-2 2890r/min 4.0KW 13.2 Nm 2.2.1.4 控制精度驗(yàn)算： 設(shè)齒輪傳動(dòng)比，絲桿導(dǎo)程為t=6mm，則控制精度為 符合設(shè)計(jì)精度指示要求。 2.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器選型 因驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取的是安川品牌的伺服電機(jī)，為了使系統(tǒng)性能更優(yōu)，方便維護(hù)，選取安川品牌的伺服驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)與伺服電機(jī)對(duì)應(yīng)。變頻器選型臺(tái)達(dá)品牌的通用型號(hào)。如下表所示： 伺服器與變頻器型號(hào) 軸 品牌 型號(hào) 功率 X 安川 SGDM 05AD 0.45KW Y 安川 SGDM 05AD 0.45KW Z 安川 SGDM 20ADA 2KW 變頻器 臺(tái)達(dá) VFD750B43A 5KW 2.3 電路原理設(shè)計(jì) 2.3.1 電源供電設(shè)計(jì) 圖2所示是銑床數(shù)控系統(tǒng)輸入電源電路部分。其中L1、L2、L3為火線，構(gòu)成三相交流380V供電線；N為零線；PE為地線。一臺(tái)伺服電機(jī)額定電流8A，整個(gè)系統(tǒng)估計(jì)30A，初定40A,選用14平方銅線。電源總開關(guān)采用斷路器，對(duì)電路過載及過流保護(hù)。通過三相隔離變壓器，將三相交流380V電壓轉(zhuǎn)換成三相交流220V電壓對(duì)伺服電機(jī)的供電，三臺(tái)伺服電機(jī)的總功率是2.9KW，變壓器功率選4.5KW。加入220VAC-24VDC電源模塊，將兩相220V交流電壓轉(zhuǎn)換成24V直流電壓，對(duì)NUM系統(tǒng)及其PLC輸入輸出部分供電。 圖2 電源供電設(shè)計(jì) 圖3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 2.3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 如圖3所示，X、Y、Z軸伺服電機(jī)連接伺服驅(qū)動(dòng)器，主軸電機(jī)連接變頻器，變頻器的電路接通及正反轉(zhuǎn)控制由NUM系統(tǒng)的PLC輸出電路控制。主軸電機(jī)由接入變頻器，由AC380V供電。冷卻液泵采用三相AC380V的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率為40W。電路中采用斷路器對(duì)電路進(jìn)行過載及短路保護(hù)。 2.3.3 電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接設(shè)計(jì) 如圖4所示，為電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，采用速度控制模式。X、Y、Z軸的接線方式相同。 圖4電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接電路 2.3.4 手輪與軸卡連接設(shè)計(jì) 圖5 手輪與軸卡連接電路 2.3.5銑床控制電路設(shè)計(jì) 圖6 銑床控制電路 如圖6所示，繼電器部分KA1~KA10為直流24V中間繼電器，由輸出開關(guān)量控制，主要控制主軸正反轉(zhuǎn)、冷卻電動(dòng)機(jī)及伺服控制等。圖中S1、S3分別為X軸的正、反超程限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)；S3、S4分別為Y軸的正、反超程限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)；S5、S6分別為Z軸的正、反超程限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，它們結(jié)合伺服系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)志位來控制系統(tǒng)的運(yùn)行允許繼電器。伺服ON是來自伺服電源模塊與伺服驅(qū)動(dòng)模塊的故障連鎖。 2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖7 PLC接口 如圖7所示，根據(jù)系統(tǒng)控制對(duì)PLC的輸入輸出端口進(jìn)行分配，輸入開關(guān)量主要有進(jìn)給裝置、主軸裝置、冷卻液等的狀態(tài)信息，輸出開關(guān)量控制是相應(yīng)的繼電器工作。 2.4.1控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 字段值 定義 %M 存儲(chǔ)型公共變量 %V 非存儲(chǔ)型公共變量 %I 輸入/輸出（I/O）接口讀變量 %Q 輸入/輸出（I/O）接口寫變量 %R CNC輸入/輸出（I/O）接口讀變量 %W CNC輸入/輸出（I/O）接口寫變量 %S 公共字變量 %Y 局部變量 2.4.2 參數(shù)設(shè)置 數(shù)控機(jī)床存在很多的參數(shù)，不同的參數(shù)起到不同的控制作用，系統(tǒng)龐大，故在此只設(shè)置一些參數(shù)起到我們想要的參數(shù)，下面是NUM1020典型參數(shù)設(shè)置表: 參數(shù)序號(hào) 系統(tǒng)設(shè)置值 觀察到的結(jié)果 更改值 更改后的對(duì)系統(tǒng)的影響 備注 P2 07 三軸都有測(cè)量誤差 05 Y軸不再顯示測(cè)量誤差 Y軸被關(guān)閉 P0 07 三軸都有顯示值 03 Z軸不再有顯示值 Z軸被關(guān)閉顯示 P10 04 X與Z軸同向 Y軸與X、Y軸反向 01 Z與y軸同向 X軸與Y、Z軸反向 方向是相對(duì)機(jī)床的安裝來定的 P12 01 顯示為負(fù)數(shù) 00 顯示為正數(shù) 用的是手輪方向變換 P23 N0 12000 N1 80000 N2 80000 最大跟隨： X -13165 Y-87916 Z+87925 N0 12000 N1 80000 N2 80000 N3 8000 最大跟隨： X 13110 Y 87927 Z-8772（+8798） 不改變的參數(shù)其顯示結(jié)果值保持不變，改變參數(shù)其顯示值相應(yīng)減少。 詳細(xì)說明： （1） P2的意思是測(cè)量軸X、Y、Z軸，三個(gè)軸分別占有從低位到高位的三個(gè)位置。系統(tǒng)設(shè)置為07時(shí)，在X、Y、Z所占的位子上顯示的數(shù)都為1，所以三軸都測(cè)量。當(dāng)改成05時(shí)在Z的位置上顯示的為0，所以只有X、Y軸測(cè)量 （2） P0是指在顯示屏中顯示的軸。同理當(dāng)三軸都顯示的時(shí)候系統(tǒng)設(shè)置為07。當(dāng)改為03時(shí)，Z軸不顯示。 （3） P10是指軸的測(cè)量方向，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為04時(shí)，Z軸是1、X、Y軸是0。應(yīng)該X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。但由于決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的還有電機(jī)的三根線的接線方式。所以會(huì)導(dǎo)致在觀察的時(shí)候X、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。 （4） P11軸的測(cè)量單位轉(zhuǎn)換系數(shù)、俗稱電子齒輪。通過改變其的設(shè)置值可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （5） P12是手輪的測(cè)量方向，在系統(tǒng)中給首輪分配了兩個(gè)位。當(dāng)設(shè)置值為00時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)顯示軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的值為正值。當(dāng)設(shè)置值為01時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)顯示軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的值為負(fù)值。 （6）P23是參數(shù)的設(shè)置可改變最大跟隨誤差，當(dāng)超過跟隨誤差時(shí)，屏幕出現(xiàn)報(bào)警。 2.4.3 程序設(shè)計(jì) 程序初始化： %w5.7為屏幕保護(hù)功能選擇，設(shè)定其為0即禁止屏幕保護(hù)。%w4.0當(dāng)其為1時(shí)允許所有軸進(jìn)給，不為1時(shí)所有軸都不能進(jìn)給。%w100.0為控制軸組1（X、Y、Z）的進(jìn)給，%w100.1復(fù)位時(shí)，處于MDI模式或自動(dòng)模型，其運(yùn)行后其他指令不再運(yùn)行，直接回到原來程序繼續(xù)運(yùn)行。其中%w4.0、%w4.3、%w100.5、%100.2、%100.1等均為無條件執(zhí)行，梯形圖： MDI手輪和手動(dòng)選擇程序 采用%M10.w作為分支條件，根據(jù)其等于1或者2轉(zhuǎn)到相關(guān)的子程序執(zhí)行。圖中%16.B代表手動(dòng)方式和回零方式。%15.B代表手動(dòng)增量類型和手輪進(jìn)給。 手輪控制 %I100.0手動(dòng)進(jìn)給軸選擇x，%I101.0代表手動(dòng)正向進(jìn)給，%I501.0代表正向行程開關(guān)限制，%w9.0代表手動(dòng)正向進(jìn)給（電機(jī)正轉(zhuǎn)）；%I101.0代表手動(dòng)負(fù)向進(jìn)給，%I501.1代表負(fù)向行程開關(guān)限制，%w9d.0代表手動(dòng)負(fù)向進(jìn)給（電機(jī)反轉(zhuǎn)）。Y、Z軸的方向控制同X軸。此外，為了解決正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，用了互鎖原理，當(dāng)%101.0作用時(shí)，只有正轉(zhuǎn)；當(dāng)%101.1作用時(shí)，只有反轉(zhuǎn)，當(dāng)兩個(gè)同時(shí)按下時(shí)兩個(gè)都不轉(zhuǎn)，控制X、Y、Z方向梯形圖如下： 主軸控制 ①%R122.0、%R122.1、%R122.2分別代表主軸的順時(shí)、逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)和主軸停；%Q501.0代表主軸順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的燈亮，%Q501.1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的燈亮；%I503.6代表出故障，%w100.5代表系統(tǒng)至于等待狀態(tài)，不處理正在執(zhí)行的程序段中的下一個(gè)功能。 自動(dòng)加工循環(huán)程序 %I103.1循環(huán)啟動(dòng)按鈕輸入，當(dāng)輸入為1時(shí)，循環(huán)啟動(dòng)模型開啟；%W3.2動(dòng)作向NC系統(tǒng)提出循環(huán)加工請(qǐng)求；%R3.2為PLC檢測(cè)到NC系統(tǒng)響應(yīng)了循環(huán)加工請(qǐng)求后就動(dòng)作，梯形圖： 電機(jī)報(bào)警 要%R5.0顯示息，%Q500.3才有效。 且%500.2、%500.3 %500.4都不工作，%M700.1運(yùn)行。 3 總結(jié) 這個(gè)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目綜合了《數(shù)控技術(shù)》和《機(jī)電傳動(dòng)控制》兩門課和內(nèi)容，是一個(gè)綜合的應(yīng)用。通過本次課程設(shè)計(jì)，使我了解熟悉了簡(jiǎn)單的數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程和常用數(shù)控系統(tǒng)（NUM1020）的設(shè)計(jì)過程。 由于臨近期末考試，時(shí)間緊迫，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作內(nèi)容量較大，因此這個(gè)課程 設(shè)計(jì)由我和另兩位同學(xué)組隊(duì)完成。項(xiàng)目中，我負(fù)責(zé)電機(jī)的選型及電氣原理圖設(shè)計(jì)。 這次課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，極大的提高了我能力。因?yàn)闀r(shí)間問題，這個(gè)項(xiàng)目在兩天時(shí)間內(nèi)基本完成了，組員分工明確，及時(shí)交流查找到的信息，互相幫助解決各自遇到的問題，有效的提高了項(xiàng)目進(jìn)程。 項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，核心部件選用的是外國(guó)的產(chǎn)品，因國(guó)產(chǎn)的伺服電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，可靠性遠(yuǎn)比不上外國(guó)的產(chǎn)品，數(shù)控系統(tǒng)可靠性較差等等這些原因使我們放棄選用國(guó)產(chǎn)的產(chǎn)品。我們都知道，核心零部件的價(jià)值是最高的，這對(duì)于我國(guó)的工業(yè)化生產(chǎn)帶來極大的損失。