數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文（設計）

1、遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)論文（設計）題目：數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計學中心：內(nèi)蒙古學中心學 號：090f31143059姓 名：馬鵬飛專 業(yè)：電氣工程及其自動化指導教師：盧彥林2016 年 9 刀 20 h中國地質(zhì)大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院本科畢業(yè)論文（設計）指導教師指導意見表學生姓名：馬鵬飛學號：090f31143059 專業(yè)：電氣工程及其自動化 畢業(yè)設計（論文）題目：數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計指導教師意見：（請對論文的7:術水y做出簡耍評述。包括選題意義；文獻資料的掌fth所w資料、實驗 結果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之

2、處。）指導教師結論：（合格、不合格）指導時間所在單位中國地質(zhì)大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院本科畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱意見表學生姓名：馬鵬飛學號：090f31143059 專業(yè)：電氣工程及其自動化 畢業(yè)設計（論文）題目：數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計評閱意見：（請對論文的學術水平做出簡耍評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結果和計 算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引川的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。）修改意見：（針對上面提出的問題和不足之處提出具體修改意見。評閱成績合格，并可不用修改h接參加答辯 的不必填此意見。）畢業(yè)設計（論文）評閱成績（百分制）：評閱結

3、論：（同意答辯、不同意答辯、修改后答辯）評閱人姓名所在單位評閱時間論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本人所呈交的本科畢業(yè)論文數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計，是本人在導師的指導下獨立進行研宄工作所取得的成果。論文中引用他人的文獻、資料均己明確注出，論文中的結論和結果為本人獨立完成，不包含他人成果及使用過的材料。對論文的完成提供過幫助的有關人員己在文中說明并致以謝意。本人所呈交的本科畢業(yè)論文沒有違反學術道德和學術規(guī)范，沒有侵權行為，并愿意承擔由此而產(chǎn)生的法律責任和法律后果。論文作者（簽字）：馬鵬飛日期：2016年9月25日數(shù)控技術在現(xiàn)代制造業(yè)具冇重要的作用，數(shù)控機床是數(shù)控制造業(yè)的核心，數(shù)控機床 作為機電一體化

4、的數(shù)字控制自動化機床，早期是依靠繼電器邏輯來實現(xiàn)相應的功能，由 于繼電器邏輯是一種硬接線系統(tǒng)，布線復雜，體積龐大，設備提升改進困難，一旦出現(xiàn) 問題，很難維修，系統(tǒng)可靠性往往不高。本文針對早期數(shù)控機床的問題進行深入研究分析，采用新的設計電氣控制方式實現(xiàn) 對數(shù)控機床的控制。本文以三菱fx2n微型可編程控制器對cka6140機床的電氣控制部 分的改造設計，重點闡述了數(shù)控機床plc的功能、機床的電氣控制原理及相應的plc程 序編制與調(diào)試等方面的問題，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。完成了主軸控制、坐標軸控制、自動換刀控制、 定時潤滑控制以及報警處理

5、等功能的plc控制程序的開發(fā)。關鍵詞：1、數(shù)控機床2、cka6140 3、可編程控制器4、電氣控制目錄一 弓i胃1二、數(shù)控機床概述2（一）數(shù)控機床概念及基本組成2（二）數(shù)控機床國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3三、ck6140型號數(shù)控車床概述6（一）數(shù)控車床工作原理6（二）ck6140數(shù)控車床運動分析7（三）ck6140數(shù)控車床電氣系統(tǒng)7四、硬件系統(tǒng)設計選型10（）主軸驅(qū)動系統(tǒng)10（二）機床進給伺服系統(tǒng)10（三）電器元件選型11五、數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)設計14（一）系統(tǒng)電氣原理圖14（二）數(shù)控機床控制過程分析15（三）plc控制程序的設計16六結論25翻寸26#考1南犬27引言數(shù)控機床是由美國發(fā)明家約翰*帕森斯

6、上個世紀發(fā)明的。隨著電子信息技術的發(fā) 展，世界機床業(yè)己進入了以數(shù)字化制造技術為核心的機電一體化時代，其屮數(shù)控機床就 是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機床是制造業(yè)的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎。它為國民經(jīng)濟 各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應。歐、美、口等工業(yè)化國家 己先后完成丫數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化進程，而中國從20世紀80年代開始起步，仍處于發(fā)展階 段。數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的動化機床，能夠根據(jù)已編好的程序，使機床 動作并加工零件。它綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術，使用丫 多種傳感器，在數(shù)控機床上應用的傳感器主要有光電編碼器、直線光柵、接近開關、溫 度傳感器、霍爾傳

7、感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、旋轉(zhuǎn)變 壓器、感應同步器、速度傳感器等，主要用來檢測位置、直線位移和角位移、速度、壓 力、溫度等?？删幊炭刂破鳎╬lc）是以微處理器為核心的通用工業(yè)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器 接觸器控制系統(tǒng)與計算機控制技術緊密結合，集計算機、控制、通訊于一體，具有可靠 性高、通用性強、應用靈活、易于使用維修方便、價格便宜等優(yōu)點，為工業(yè)自動化提供 丫近乎完美的自動控制裝置。根據(jù)我國當前的情況，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)依然是機 械設備最常用的電氣控制方式，許多企業(yè)和高校實習工廠的數(shù)控機床和設備仍采用傳統(tǒng) 的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，由于采用物理電子器件和大量而又復

8、雜的硬接線，使得系統(tǒng) 的可靠性差，工作效率低,故障診斷和排除困難,嚴重影響y工廠的生產(chǎn)效率。隨著科學 技術發(fā)展，可編程控制器的出現(xiàn)，許多以繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的機床組合電路通過 改進，采用可編程控制系統(tǒng)，無論在性能上或者效率上都能得到很大提升。因此，采用 plc對數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)進行技術改造,對于數(shù)控機床的改進具有重要意義。二、數(shù)控機床概述（一）數(shù)控機床概念及棊本組成1、數(shù)控機床的概念數(shù)控機床是數(shù)字控制機床（computer numerical control machine tools）的簡稱， 是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其 他符號指令規(guī)

9、定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝 置。經(jīng)運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和 尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的 零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現(xiàn)代機床控制技術的發(fā)展 方向，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。2、數(shù)控機床的組成數(shù)控機床由輸入輸出設備、cnc裝置、伺服單元、驅(qū)動裝置、可編程控制器plc及 電氣控制裝置、輔助裝置、機床本體及測量反饋裝置組成。機床數(shù)控系統(tǒng)電控系統(tǒng)的組 成簡圖如圖1所示。圖1數(shù)控系統(tǒng)組成框圖輸入/輸出設備輸入裝置將各種加工信息傳遞于計算機的外部

10、設備。在數(shù)控機床產(chǎn)生初期，輸入裝 置為穿孔紙帶，現(xiàn)己淘汰，后發(fā)展成盒式磁帶，再發(fā)展成鍵盤、磁盤等便攜式硬件，極 大方便了信息輸入工作，現(xiàn)通用dnc網(wǎng)絡通訊申行通信的方式輸入。輸出指輸出內(nèi)部工作參數(shù)（含機床正常、理想工作狀態(tài)下的原始參數(shù)，故障診斷參 數(shù)等），一般在機床剛工作狀態(tài)需輸出這些參數(shù)作記錄保存，待工作一段時間后，再將 輸出與原始資料作比較、對照，可幫助判斷機床工作是否維持正常。加工程序載體數(shù)控機床工作過程，將零件加工程序用一定的格式和代碼，存儲在一種程序載體上, 如穿孔紙帶、盒式磁帶、軟磁盤等，通過數(shù)控機床的輸入裝置，將程序信息輸入到cnc 單元。數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心?，F(xiàn)代數(shù)

11、控裝置均采用cnc （computer numerical control）形式，這種cnc裝置一般使用多個微處理器，以程序化的軟件形式實現(xiàn)數(shù)控 功能。數(shù)控裝置主要由輸入、處理和輸出三個基本部分構成。伺服與測量反饋系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，用于實現(xiàn)數(shù)控機床的進給伺服控制和主軸伺 服控制。伺服系統(tǒng)的作用是把接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放人、整形處理后, 轉(zhuǎn)換成機床執(zhí)行部件的直線位移或角位移運動。伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動裝置和執(zhí)行機構兩人 部分。驅(qū)動裝置由主軸驅(qū)動單元、進給驅(qū)動單元和主軸伺服電動機、進給伺服電動機組 成。步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機是常用的驅(qū)動裝置。測量元件

12、將數(shù) 控機床各坐標軸的實際位移值檢測出來并經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機床的數(shù)控裝置中，數(shù)控裝 置對反饋冋來的實際位移值與指令值進行比較，并向伺服系統(tǒng)輸出達到設定值所需的位 移量指令。機床主體機床主機是數(shù)控機床的主體，包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸 箱、進給機構、刀架及自動換刀裝置等機械部件。（二）數(shù)控機床國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1、國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過50多年的發(fā)展，數(shù) 控系統(tǒng)由當初的電子管式起步，經(jīng)歷了分立式晶體管式一一小規(guī)模集成電路式一一大規(guī) 模集成電路式一一小型計算機式一一超大規(guī)模集成電路一一微機式的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控裝 置也由nc向cnc

13、發(fā)展，廣泛采用32位cpu組成多微處理器系統(tǒng)；驅(qū)動裝置向交流、數(shù) 字化方向發(fā)展，cnc裝置向人工智能化方向發(fā)展，新型的自動編程系，數(shù)控系統(tǒng)可靠性 不斷提高。數(shù)控系統(tǒng)功能越來越完善，使用越來越方便，可靠性越來越高，性能價格比也越來越高。國外新一代數(shù)控系統(tǒng)采用開放式體系結構，由于計算機技術的飛速發(fā)展，推動數(shù)控 機床技術更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用pc機豐富的軟硬件資源 開發(fā)開放式體系結構的新-代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結構使數(shù)控系統(tǒng)冇更好的通用性、 柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡化方向大大發(fā)展。開放式體系結構利用多cpu 的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)故障自動排除，增強通信功能，提高進線、

14、聯(lián)網(wǎng)能力。充足的軟、硬 件資源使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進行的系統(tǒng)集成得到冇力支持，為用戶的二次開發(fā)帶來 極大方便，促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應用，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。 數(shù)控系統(tǒng)控制性能逐步向智能化發(fā)展，引入了自適應控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡的控制 機理，不但具冇自動編程、前饋控制、模糊控制、學習控制、自適應控制、工藝參數(shù)自 動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?，而且人機界面極為友好，并具冇故 障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和 智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。現(xiàn)在，實際用于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)控系統(tǒng)主要有傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，

15、如fanuco系統(tǒng)、 mttsubtshtm50系統(tǒng)等，這是一種專用的封閉體系結構的數(shù)控系統(tǒng)，這類系統(tǒng)還是占領 了制造業(yè)的大部分市場。pc嵌入nc"結構的開放式數(shù)控系統(tǒng)，如fanucisi、16i系統(tǒng)、 stxumertk840d系統(tǒng)、nwnl060系統(tǒng)、ab9/360等數(shù)控系統(tǒng)。由于nc部分仍然是傳統(tǒng)的 數(shù)控系統(tǒng)，用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心。這類系統(tǒng)結構復雜、功能強大，價格昂貴。 "nc嵌入pc"結構的開放式數(shù)控系統(tǒng)。由開放體系結構運動控制卡和pc機共同構成。這 種運動控制卡通常選用高dsp作為cpu,具冇很強的運動控制和plc控制能力。如美國 deltatau

16、公司用pmac多軸運動控制卡構造的pmac-nc數(shù)控系統(tǒng)、日本mazak公司用三 菱電機的meldasmagtc64構造的mazatr0l640cnc等。soft型開放式數(shù)控系統(tǒng)是一種最 新開放體系結構的數(shù)控系統(tǒng)，提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的cnc軟件全部裝在 計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部t/0之間的標準化通用接口。soft 型開放式數(shù)控系統(tǒng)具冇最高的性能價格比，因而最冇生命力。2、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢我國數(shù)控技術起步于1958年，發(fā)展歷程大致可分為三個階段。封閉式發(fā)展階段， 由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制，數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是 引進技術，消化吸收

17、，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。第三階段是實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進 入市場競爭階段。目前我國數(shù)控技術的發(fā)展己由研究開發(fā)階段向推廣應用階段過渡，也 是由封閉型系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過渡的吋期?？v觀我國數(shù)控技術50多年的發(fā)展歷程，我國數(shù)控技術在發(fā)展上取得了多方面的跨 越，可供應網(wǎng)絡化、集成化、柔性化的制造設備，可服務器上實現(xiàn)加工對象的實體造型, 并生成加工程序，自動傳送到各臺機床進行加工。5軸聯(lián)動聯(lián)動的數(shù)控機床更加成熟；。 進入世界高速數(shù)控機床生產(chǎn)國行列。機床采用電主軸，主軸最高轉(zhuǎn)速達200000r/min;。 進入高精度、高精密數(shù)控機床生成國行列。進入全數(shù)控化螺旋齒輪切齒機生產(chǎn)行列，使 中國成為繼美國、瑞士、

18、德國之后的第四個能生產(chǎn)這類機床的國家。關聯(lián)桿系（虛擬軸） 開始走向?qū)嵱没?ack6140型號數(shù)控車床概述（一）數(shù)控車床工作原理ck6140數(shù)控車床將被加工零件圖紙的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編 寫成加工程序，然后將加工程序輸入到數(shù)控裝置，按照程序的要求，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)信總 處理、分配，使各坐標移動若干個最小位移量，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件 的加工。ck6140數(shù)控車床的主要技術參數(shù)如表1所示。表1ck6140數(shù)控車床的主要技術參數(shù)項目參數(shù)項目參數(shù)床身上最大工件冋轉(zhuǎn)直徑0400mm快速進給速度x/z：6000/8000mm/nii n拖板上最大工件冋轉(zhuǎn)直徑1000mm每轉(zhuǎn)切削

19、進給量0.005-100mm/r最大車削長度850mm進給電機扭矩（功率）x 向 4nm, z 向 6nm主軸轉(zhuǎn)速范圍（變頻）可實現(xiàn)無級調(diào)速及恒線速切削401800r/min定位精度（全程）x 向 0. 01mm, z 向 0. 01 mm主軸通孔直徑重復定位精度x 向 0. 007mm, z 向 0.01mmx向行程220mm尾架套筒內(nèi)孔錐度莫氏5號z向行程1000mm脈沖當量0. 001mm最高加工精度it6表面粗糙度rai. 6四工位電動刀架刀桿截面尺寸25mmx25mm主軸電動機m7.5kw looor/min刀臺電動機m20. 18kw 1500r/min尾座套筒壓緊力90000n潤

20、滑電動機m30. 09kw 1400r/min尾座套筒直徑85mm冷卻電動機m40. 12kw 2900r/min尾座套筒行程110mm（二）ck6140數(shù)控車床運動分析數(shù)控車床的運動系統(tǒng)包括：主軸驅(qū)動系統(tǒng)，對主軸的控制，進給系統(tǒng)，各個坐標軸 的控制。數(shù)控車床的主運動傳動鏈的兩端部件是主電動機與主軸，它的功能是把動力源（電 動機）的運動及動力傳遞給主軸，使主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)主運動，并滿足數(shù)控車床主 軸變速和換向的要求。主運動傳動由交流主軸電動機配備變頻器實現(xiàn)無級變速調(diào)速。進 給運動傳動是指機床上驅(qū)動刀架實現(xiàn)縱向（z向）和橫向（x向）運動的進給傳動，在 ck6140車床上，各軸都由交流伺服電動

21、機直接驅(qū)動。刀架運動是指實現(xiàn)刀架上刀架的轉(zhuǎn) 動和刀架的開定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉(zhuǎn)換。刀架運動是由換刀交 流電動機實現(xiàn)的。數(shù)控機床的冷卻系統(tǒng)主要包括用于在切削過程中的冷卻刀具和工件， 同吋也起沖屑作用，由冷卻泵實現(xiàn)。ck6140數(shù)控車床液壓系統(tǒng)主要進行主軸變速換擋, 中心跟刀架電機排屑器。ck6140數(shù)控車床中的潤滑系統(tǒng)為對機床導軌、滾珠絲杠等的潤 滑。潤滑形式冇電動間歇潤滑泵和定量式集中潤滑泵。數(shù)控車床尾座一般是在加工時對 工件起輔助支撐作用，由尾座體和尾座套簡兩部分組成。尾座套簡前安裝頂針，套筒可 以自動伸出和縮冋，實現(xiàn)頂尖對工件的支撐作用。（三）ck6140數(shù)控午床電氣系

22、統(tǒng)cka6140數(shù)控臥式車床的電氣控制系統(tǒng)是由cnc主控制裝置、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、 主軸系統(tǒng)及強電控制部分等構成。cnc主控制裝置、伺服驅(qū)動裝置及主軸系統(tǒng)，采用德 國siemens公司的產(chǎn)品，機床電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2 ck6140數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)框圖1、機床電氣容量及要求機床容量及要求如表2所示。表2機床容量及要求項目電源總?cè)萘繚M載電流電源總?cè)蹟嚯娏鞣雷o等級參數(shù)24kva34a40aip542、機床電氣技術要求機床供電電源要求采用三相四線制，380v50hz交流電，電纜或電線的截面積應采用不小于6mm2導電率高的銅線。保護地線還必須與機床所設置的專用接地螺釘牢固、接地電阻r10

23、q。主要參數(shù)如表3所示。表3機床電氣主要技術要求項目電網(wǎng)電壓電網(wǎng)頻率工作環(huán)境溫度相對濕度參數(shù)交流 380v(±10%)50hz (土 1hz)540度25° 時 80%3、機床電氣的構成數(shù)控系統(tǒng)cnc選用日本fanuc公司的fanuc oi mate系列。伺服驅(qū)動裝置及伺服電動機及控制單元如表4所示。表4伺服驅(qū)動裝置及伺服電動機及控制單元伺服驅(qū)動裝置及伺服電動機伺服驅(qū)動裝置伺服電動機備注x軸p -svm1-20ac12/2000太侶服由動州.西h宥雒対佶編碼惡.z軸3 -svm1-20ac12/2000在加工過程中有斷電保護功能。伺服電動機x軸理論最大進給速度6000m/m

24、inz軸理論最大進給速度8000m/min強電控制單元主軸電動機ml1.5kw 1000r/min變頻電動機刀臺電動機m20.18kw 1500r/min潤滑電動機m30.09kw 1400r/min冷卻電動機m40.12kw 2900r/min控制變壓器tc1:交流380v/220v/24v/26v/28v 630va。主要為控制冋路和冷卻風 扇提供220v電源；為整流橋提供26v交流電源；為穩(wěn)壓電源gs1提供220v交流輸入穩(wěn)壓電源gs1:為控制冋路提供穩(wěn)定的220v交流?？刂谱儔浩鱰c2:交流380v/220v 2200va。主要為穩(wěn)壓電源gs2、伺服驅(qū)動裝置和 伺服電動機提供220v交

25、流。穩(wěn)壓電源gs2:主要為cnc裝置、lcd/mdt、t/0 ltnk、plc t/0、伺服驅(qū)動裝置等 提供24v穩(wěn)定的直流電源。接觸器構成該車床電氣輸出執(zhí)行元件；繼電器構成該車床電氣輸出放大元件；各種 壓力開關、防護開關、腳踏開關、按鈕等構成該車床電氣輸入元件。電枳與車床接地線用6mm2黃綠雙色線；電枳與其它部件接地線用13mm2黃綠雙色 線。硬件系統(tǒng)設計選型（）主軸驅(qū)動系統(tǒng)a前數(shù)控機床的主軸驅(qū)動多采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)即交流主軸電動機配備變頻器 或主軸伺服驅(qū)動控制的方式。1、主軸電動機選型查機電一體化手冊車削功率在0. 8-2kw之間根據(jù)切削功率pc與主傳動鏈的總效率 n估算，。主傳動鏈的功

26、率效率n =0.70.85，數(shù)控車床多采用調(diào)速電動機和較短的 機械傳動鏈，效率較大，因此取7=0. 78，則估計p在1.43kw2.86kw.之間。pc=-kw60000（公式 4-1）fz主切削力的切向分力，n;t切削速度n>cm；查金屬切削手冊知，以硬質(zhì)合金刀具車削45#鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削 力的切向分力a大約在1000n左右，切削速度取90250r/min,則pc=l 000x 90/60000=0.98k wp = 1 .4 kw（公式4-2）考慮到空轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動件在空轉(zhuǎn)運行時的摩損功耗，傳動件的攪油 和克服空氣m力功率以及其其它動載荷的摩擦損耗等。ck

27、6140數(shù)控車床床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國內(nèi)外同類機床的電動機功率，此機 床可選1. 5kw的電動機，考慮到數(shù)控機床變速范圍大，因此選用simotics 1le0標準電 機。（二）機床進給伺服系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機床的樞紐，其性能是影響數(shù)控機床精度、穩(wěn)定性、 可靠性、加工效率等方面的重要因素。數(shù)控機床伺服控制系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)兩種位置 控制方式。位置控制系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動器中的位置控制模塊、速度控制模塊、位置檢測 及反饋控制等各部分組成。殲環(huán)位置控制不需要位置檢測及反饋，閉環(huán)位置控制需要位 置檢測及反饋。位置控制反饋能夠精確地控制機床運動部件的運動，快速而準確地跟蹤 指令運動。ck

28、6140數(shù)控車床調(diào)速范圍寬，調(diào)速范圍&是指進給電動機提供的最低轉(zhuǎn)速。和最 高轉(zhuǎn)速之比，即為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，要求 進給驅(qū)動系統(tǒng)必須具冇足夠?qū)挼臒o級調(diào)速范圍（通常大于1: 10000）,尤其在低速（如 轉(zhuǎn)速小于0. lr/min）吋，要仍能平滑運動而無爬行現(xiàn)象。要求進給驅(qū)動系統(tǒng)具冇較好的 靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達到較高的定位精度，以保證機床具冇較小的定位誤差與 重復定位誤差（本設計對伺服系統(tǒng)的分辨率的要求是達到0.01mm）,同時進給驅(qū)動系統(tǒng) 要冇較好的動態(tài)性能，以保證機床具冇較高的輪廓跟隨精度。還要求冇良好的快速響應 特性，以縮短進給系統(tǒng)的過渡過程吋間，減小輪廓

29、過渡誤差。要求伺服驅(qū)動器具冇數(shù)分 鐘其至半小時內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短吋間內(nèi)可以過載4-6倍而不損壞。同時要 求數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高，工作穩(wěn)定性好，具冇較強的溫度、濕度、振動等 環(huán)境適應能力和很強的抗干擾能力。因此，本設計綜合考慮多種因素，最終選用帶冇再 生冋饋功能的stnamtcs v60伺服驅(qū)動系統(tǒng)，配置stemens公司的1fl5系列的伺服電機 x軸伺服電機與z軸伺服電機都選用stmottcs 1fl5型號伺服電機。（三）電器元件選型1、斷路器選型選用斷路器時，斷路器的額定電壓應不小于被控線路的額定電壓，斷路器的額定電 流應不小于其所安裝的過流脫扣器和熱脫扣器的額定電流。

30、斷路器額定電壓 線路額定電壓；斷路器額定電流線路計算負荷電流；斷路器脫扣器額定電流線路計算負荷電流；斷路器極限通斷能力線路中最大短路電流；線路末端單相對地短路電流不小于1.25倍的自動開關瞬時（或短延時）脫扣整定 電流；斷路器欠電壓脫扣器額定電壓等于線路額定電壓。2、電動機保護自動開關選型長延時電流整定值=電動機額定電流；6倍長延時電流整定值的可返冋時間彡電動機起動時間；鼠籠形瞬時整定電流為815倍脫扣器額定電流；繞線形瞬時整定電流為36倍脫扣器額定電流。3、熔斷器選型熔斷器由熔體（熔絲或熔片）和安裝熔體的熔管（或熔座）組成。當電路發(fā)生短路 流時，熔體中電流產(chǎn)生熱量，當其產(chǎn)生之熱量達到熔體的熔

31、點吋，熔體熔斷，切斷電路。熔體的額定電壓應不小于被控線路的額定電壓，熔斷器的額定電流應不小于其所安 裝熔體的額定電流。熔體的額定電流如下計算：ire >（1.5-2.5、ie，max+/e（公式 4-3）式中：/<?, max為容量最大的一臺電機的額定電流為其余電機的額定電流；-其余電動機額定電流之和。4、接觸器的選型交流接觸器是利用電磁線圈的吸力特性使觸頭閉合或斷開大電流電路，其可頻繁接 通或斷開電機或其它負載。交流接觸器的額定電壓，其額定電壓應不小于負載回路的電壓。交流接觸其的額定 電流應不小于被控回路的額定電流。交流接觸器的額定電流應依照以下公式計算：km（公式4-1）式屮：

32、ikm接觸器主觸頭電流；pn一一負載的額定功率；un負載的額定電壓；k經(jīng)驗系數(shù)，取11.4。5、熱繼電器的選型（1）長期工作或間斷長期工作電動機熱繼電器的選型 按電動機起動時間選擇：tf= （0.50.7） td tf一一熱繼電器在61e下的可返回時間 td熱繼電器在61e下的動作時間(2) 按電動機額定電流選擇：tz= (0.951.05) tedtz一熱繼電器整定電流ted一一電動機額定電流(3) 按斷相保護要求選擇：對于星形接法的電動機，采用三極熱繼電器即可；對于三角形接法的電動機，應采 用帶斷相運轉(zhuǎn)保護裝置的熱繼電器。6、中間繼電器中間繼電器是繼電器的一種，內(nèi)置常開和常閉觸點，其根據(jù)外

33、界輸入的一定電信號， 使其線圈導通，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，實現(xiàn)對強電冋路的控制，以達到弱電控 制強電的s的。主要開關電器型號、規(guī)格如表5所示。表5主要開關電器型號、規(guī)格名稱型號整定值用途供貨qm2msi16-10. 75a臺動電動機abb公司qm3msi 16-0. 630. 4a潤滑電動機qm4msi 16-0. 40. 32a冷卻電動機qf13nmd1-63d3p20a變頻電動機上海信良qf14nmd1-63d3p10a伺服電動機qf1nmd1-63d2p3atc1原邊qe2nmd1-63d1p3atc1 副邊 220vqf3nmd1-63d1p5八tc1 副邊 24v/26v/28

34、vqf5nmd1-63d1p5a+24vqf6nmd1-63d1p1atc1 副邊 220v五、:控車床電氣控制系統(tǒng)設計（一）系統(tǒng)電氣原理圖系統(tǒng)電氣原理圖，即是機床的動力電路如圖3所示。圖3系統(tǒng)電氣原理圖圖3將三相電源經(jīng)空氣斷路器q1和q2引入，單相電容運轉(zhuǎn)主軸電動機ml用接觸 器km3和謂4形成的互鎖電路控制正反轉(zhuǎn)。變壓器t1為x軸、z軸步進電機驅(qū)動器提供 ac55v供電電源；變壓器t2為強電控制電路提供ac220v電源；變壓器h和整流電路為 弱電控制電路和主控電路板提供dc24v供電電源。圖4中啟動按鈕sb2、sb3使用復合按鈕，復合按鈕的常閉觸點用來斷開轉(zhuǎn)向和反 的接觸器線圈的通電lh路

35、，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。（二）數(shù)控機床控制過程分析1、啟動過程啟動時，合上q1，引入三和電源。按下啟動按鈕sb2，接觸器km1線圈通電吸合， 則km1的主觸頭閉合，電動機接通電源直接啟動運行。與此同時，在超程解除（x33） 有效狀況下閉合繼電器ra2,且使x31有效（控制器收到主電路接通信號），則繼電器 ra1通電，ra1的觸點閉合，接觸器km2線圈通電吸合，km2的主觸頭閉合，為步進電機 驅(qū)動器供電，且主軸電機也通電。在控制面板上采用的是旋鈕開關，撥到“開”的位 罝后能一直保持接通狀態(tài)，從而使得km1

36、能夠持續(xù)閉合，為控制電路供電。2、主軸正反轉(zhuǎn)該車床采用兩個接觸器km3和km4來實現(xiàn)對電動機的正、反轉(zhuǎn)控制。在電路中，為 了防止兩個接觸器同時動作而造成短路，將實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的km3和km4進行互鎖。所以， 電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路實際上是由互鎖的兩個方向和反的單向運行線路組成的。繼電器ra3閉合，ra3常閉觸點斷開。接觸器km3閉合，km4由互鎖電路斷開（即使ra4誤動作也不會閉合），主軸電機正 轉(zhuǎn)o繼電器ra4閉合，ra4常閉觸點斷開。接觸器km4閉合，km3由互鎖電路斷開（即使ra4誤動作也不會閉合），主軸電機反正如上面所指出的那樣，在該正反轉(zhuǎn)控制電路中，兩個接觸器的常閉觸頭km3和km4互

37、鎖。所以在進行電動機的換向操作時，必須先按下停止按鈕才能反向啟動。3、停止過程按下急停按鈕sb1,則繼電器ra2斷電，ra2的輔助觸點斷開，從而使得與之串聯(lián) 在一起的繼電器ra1斷電，ra1的輔助觸點斷開。與ra1的觸點串聯(lián)的接觸器km2線圈 斷電，同時接觸器km1的觸頭也斷開。km2線圈斷電使步進電機斷電。km2的觸頭也會 隨km2線圈的斷電而斷開，則主軸控制電路斷電。km1觸頭的斷開也會使控制電路斷電。 若是行程開關接通，也會使繼電器ra2斷電，同理，整個控制電路也將會斷電。（三）plc控制程序的設計1、plc程序模塊劃分由于車床的操作過程復雜，機加工控制對象每一工作循環(huán)周期的控制關系比較

38、復 雜，在本次設計中，綜合數(shù)控車床的特點，在幵發(fā)該機床的plc控制程序的過程中將plc 程序劃分為7個模塊，即公用程序模塊、主軸模塊、坐標軸控制模塊、潤滑控制模塊、 &動換刀模塊、報警模塊和冷卻控制模塊。2、t/0分配木次程序開發(fā)所用i/o分配見表6所示。表6 plc i/o端子分配表輸入端輸出端輸入設備輸入端子號輸出輸fh端子號旋鈕開關xox13循環(huán)啟動y0循環(huán)啟動按鈕x14進給保持y1進給保持按鈕x15單段y2單段按鈕x16機床鎖住y3機床鎖住按鈕x17快進y4主軸正轉(zhuǎn)按鈕x20主軸正轉(zhuǎn)y5主軸反轉(zhuǎn)按鈕x21主軸反轉(zhuǎn)y6主軸停按鈕x22主軸停y7x向退按鈕x23x向退y10x向進按

39、鈕x24x向進y11z向退按鈕x25z向退y12z向進按鈕x26z向進y13快進按鈕x27nc報警y14急停按鈕x30超程報鳘y15超程解除按鈕x33x回參考點y16z正向行程開關x34z回參考點y17z反向行程開關x35進行潤滑y20x正向行程開關x36潤滑故陴報警y21x反向行程開關x37換刀完成y22冷卻開按鈕x40刀架正轉(zhuǎn)y23冷卻關按鈕x41驅(qū)動指示y24潤消電機起動按鈕x42冷卻開y25潤滑油路壓力繼電器x43x軸驅(qū)動使能y2614號刀到位x44x47z軸驅(qū)動使能y27換刀按鈕x503、梯形圖設計在本次程序開發(fā)采用exgp_win-c編程軟件。exgpjv1n-c是在windows

40、操作系統(tǒng)下運行的fx系列plc的專用編程軟件，操作界而簡單方便，在該軟件中可通過梯形圖、 指令表及sfc符號來編寫plc程序。創(chuàng)建的程序可在串行系統(tǒng)屮與plc進行通訊、文 件傳送、操作監(jiān)控以及完成各種測試功能。公用程序公用程序如圖5所示。x034x036x0304f馴ihx0156|ihx016siih10x017x02712< m0 < x000 x001 x002 ) x003 v0cm 圖5公用程序梯形圖回原點程序在正式進行數(shù)控加工之前，刀架應當先回零，回零之后刀架在機床坐標系中的位罝 就定下來了。歸零程序如閣6所示。x012ohhx036-se7爛-se1x01?-rstx

41、010-rsix012-rst圖6回原點控制程序梯形圖閣6所示為刀架自動回原點的梯形閣。撥開回原點起動按鈕x12, m14變?yōu)閛n,刀 架開始向x和z兩個方向退，退到x正向行程開關時x36為on,刀架向z方向退，至ijz 向限位處吋，x34變?yōu)閛n, z方向也停止并將m14復位。這時原點條件滿足，m0為on, 在公用程序中，初始步m0被置位。主軸控制程序數(shù)控機床主軸控制包括主軸正反轉(zhuǎn)控制和主軸停轉(zhuǎn)控制等。主軸控制程序如閣7所ox035o|ihx0304f< m110)x037-hi-m1w x022iij4-x0207i-hhx0214fm100hh m100) m31923263033

42、35m3-hhx021ihx0204fm100hhm3)1jm3i卜t0 x006-hiw-iht1 觀-him-x022-hi-<10k50)(觀pik50)(職(驟end 圖7主軸控制梯形圖在梯形圖中，主軸正、反轉(zhuǎn)之間有邏輯互鎖關系，以免控制功能切換吋發(fā)生故障。 除此之外，必須采用plc內(nèi)部的時間繼電器進行延時控制，否則會造成正、反轉(zhuǎn)接觸器 同時接通而引起電源短路。這是因為plc執(zhí)行程序的速度要比接觸器動作速度快得多。 程序中用定時器to和t1來完成5s的轉(zhuǎn)換延時。另外，還利用plc內(nèi)部的輔助繼電器 m03和m04作為正反轉(zhuǎn)控制的輔助繼電器。坐標軸控制程序坐.標軸控制設計的核心是圍繞

43、米標軸驅(qū)動允許而展開，包括超程、驅(qū)動故障、絕標 軸緊停、坐標軸正常停止等的控制。一方面為plc給出坐標軸可以運動的信號，另一方 面又控制著電機運行。坐標軸控制程序梯形閣如閣8所示。x035x0304-x022hhx037x03044-x022令v026x02781)1ih11x034x036x030iiii15x024-hhx0374fvow44-x02?4t-< x027 < 026 <期< m0 < x011 2126283941x011hhx023-hhx010x036ihxoiix0224f x010 x026x035x012iiwr-41-x013 ii

44、-x025xoi?hhx0224f< x016 013 x0134fx0224f< x012 圖8坐標軸控制梯形圖報警處理程序在plc控制系統(tǒng)發(fā)生事故、故障時都應發(fā)出報警信號，一般是聲光報警信號。此處用plc基本邏輯指令實現(xiàn)報警功能,其梯形閣如閣9所示。x035ohhm124f< m13 x037 1-5一 1ii(x0333hi0(m13imm8013m13(m12 end 圖9報警控制梯形圖當反向行程開關x35、x37被碰到時，繼存器m13接通。同時，特殊繼存器m8013 周期性的通斷，與之相連的報警指示燈閃爍，當按下“超程解除”按鈕x33,繼存器 m12接通，報警指示燈

45、熄滅當反向行程開關接通報警后，將會控制整個機床停止運動。定時潤滑控制程序w21在正常工作時，按下潤滑電機起動按鈕后，系統(tǒng)即幵始進行潤滑，運行10秒后停 止，停止30分鐘后重新開始進行潤滑，如此循環(huán)往復丁去。plc還對潤滑系統(tǒng)的狀態(tài)進 行監(jiān)測。具體的梯形圖如圖10所示。 m28 m28hh11m28-htt-t5 x020 16-iiwohh17v020hhm28x043-44-26y020m28ih巧k100<18k50k18000湖l_)i(17k503517 x021 1838圖10潤滑控制梯形圖plc在潤滑系統(tǒng)開始進行潤滑后即通過潤滑油路壓力繼電器檢査潤滑油路中潤滑油 的流動是否正

46、常，若壓力繼電器一直閉合，說明油路有堵塞。潤滑的5秒定時時間到了之 后，開始30分鐘的間隔，此時如果油路中還有油，說明油路有泄露。在這兩種情況下，plc 都會報警，潤滑就會停止。冷卻程序冷卻是根據(jù)加工任務來選用的，通過操作面板上的冷卻啟動和停止按鈕來進行控 制。在急停生效時，冷卻輸出禁止。梯形圖如圖11所示。m22m221iiim x025 end圖11冷卻控制梯形圖自動換刀控制程序數(shù)控機床耍求能夠準確、快速地換刀。為提高換刀的效率和定位精度，該控制的設 計充分利用yplc具有豐富的數(shù)據(jù)功能指令的優(yōu)點，用數(shù)據(jù)指令來進行判斷比較。假設 t0是實際刀號，t1為待換刀號。數(shù)據(jù)寄存器d6存放實際刀號，d5存放待換刀號。d7存放 待換刀號與實際刀號的差值。用比較指令cmp進行數(shù)據(jù)比較。比較結果使m17, m18, m19中的一個接通。當d5大于 d6時，m17接通；d5等于d6時，m18接通；d5小于d6時，m19接通。在程序中首先對d5和 d6中存放的值進行比較,判斷是否到位。當d5=d6時，表示刀號相符；當d5d6時，將 d5 d6的值存放到d8中，