小型數(shù)控機床主軸控制系統(tǒng)設(shè)計1

1、 小型數(shù)控機床主軸控制系統(tǒng)設(shè)計姓名：吳高學號：130154278班級：13級機械設(shè)計制造及其自動化機電系統(tǒng)設(shè)計期末考核論文要求 請介紹一個機電一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)需包含機電一體化的 5 個基本組成要素的設(shè)計：機械本體、傳感器及信號調(diào)理電路、包含控制器的控制系統(tǒng)硬件電路和軟件流程圖、執(zhí)行裝置選型和能源系統(tǒng)電路。 該設(shè)計需要提供提交一份技術(shù)報告。技術(shù)報告格式如下: A4 紙7-15 頁，小四字體，固定行距，20 磅，宋體。 本次考核論文同學分組要求：每組同學可以由 1-4 個人，一人一組的同學可通過檢索學習資料，完成機電一體化系統(tǒng)的介紹，只需提交技術(shù)報告；多人一組的分組論文需要自主設(shè)計一個機電一體化

2、系統(tǒng)，需要整組同學一起答辯，每個組員同學需要介紹自己在該項目中的任務(wù)執(zhí)行情況，組員之間需要相互評價其他組員在項目中的貢獻排名，該排名供教師評分時作為參考。 評分標準如下： （1） 有整個機電系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖 5 分 （2） 有合理的機械本體介紹 15 分 （3） 有傳感器及信號調(diào)理電路介紹 15 分 （4） 有控制系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計流程圖介紹 20 分 （5） 有對執(zhí)行裝置的選型 15 分 （6） 有能源系統(tǒng)電路設(shè)計 15 分 （7） 技術(shù)報告排版文本制作精良，結(jié)構(gòu)嚴謹，邏輯性強，論述或設(shè)計說明層次清晰，語言準確，文字流暢。標點、符號、計量單位使用準確，圖紙、框圖、表格、曲線等符合國家標

3、準或工程要求；內(nèi)容完整。 15 分 機械系統(tǒng)設(shè)計期末論文評分表 機電系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖 5 分 機械本體介紹 15 分 傳感器及信號調(diào)理電路 15 分 控制系統(tǒng)硬件電路和軟件 20 分 執(zhí)行裝置的選型 15 分 能源系統(tǒng)電路設(shè)計 15 分 論文排版 15 分 總分 100 分 1.1課題的背景及意義國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。數(shù)控機床的技術(shù)水平高低及其在金屬切

4、削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比，是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視，并得到了迅速的發(fā)展。主軸是數(shù)控車床構(gòu)成中一個重要的部分，對于提高加工效率，擴大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量有著重要的作用。從手動控制發(fā)展到自動控制，從簡單的控制設(shè)備發(fā)展到復雜的控制系統(tǒng)，從有觸點的繼電接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展到以計算機為核心的軟件控制系統(tǒng)，電氣控制技術(shù)是隨著元器件的不斷更新和計算機技術(shù)的發(fā)展，并且綜合應(yīng)用了計算機、自動控制、電子技術(shù)、精密測量等先進科技成果而迅速發(fā)展起來的。由于PLC可靠性很

5、高，平均無故障運行時間可達10萬小時以上，可以大大減少設(shè)備維修費用和停產(chǎn)造成的經(jīng)濟損失。當前PLC已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心裝置，在工業(yè)自動控制領(lǐng)域占有十分重要的地位1.2 數(shù)控機床主軸控制系統(tǒng)簡介目前，數(shù)控機床的主傳動電機已經(jīng)基本不再使用普通交流異步電機和傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機，他們與逐步被新興的交流變頻調(diào)速伺服電機和直流伺服調(diào)速電機代替。數(shù)控機床的主運動要求有較大的調(diào)速范圍，以保證加工時能選用合理的切屑用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。為了適應(yīng)各種工件和各種工件材料的要求，多恭喜自動換刀的數(shù)控機床和加工中心主運動的調(diào)速范圍應(yīng)進一步擴大。數(shù)控機床的變速時按照控制指令自

6、動進行的，因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。由于直流和交流變速主軸電機的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能方便地實現(xiàn)寬范圍的無級變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)和提高了變速控制的可靠性，因此在數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)中更能顯示出它的優(yōu)越性。為了確保低速時的扭矩，有的數(shù)控機床在交流和直流電機無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速。由于主運動采用了無級變速，在大型數(shù)控車床上測斜端面時就可實現(xiàn)恒速切屑控制，以便進一步提高生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量。1.3主軸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理主軸是車床最主要的部件之一，整個機器的性能很大程度上決定于主軸的性能，主軸直接承受切屑力，轉(zhuǎn)速的范圍很大。所以我們引入主軸控制系統(tǒng),利用CNC控制器監(jiān)控主軸的轉(zhuǎn)

7、動速度和方向來完成對工件的精確加工。主軸控制系統(tǒng)由五個部分組成：控制器CNC、變頻器、編碼器、主軸電機、主軸。主軸控制系統(tǒng)原理圖如圖1-1所示 圖1-1 主軸控制系統(tǒng)原理圖2.電氣原理圖的設(shè)計 電氣原理圖是表達所有電器元件的導電部件和接線端子之間的相互關(guān)系。根椐便于閱讀和分析線路及簡單清晰的原則，電氣原理圖應(yīng)該采用標準電氣元件圖形符號繪制。電氣原理圖一般分為主電路和輔助電路兩部分。主電路是從電源到電動機等通過大電流的電路。輔助電路包括控制電路、照明電路、信號電路和保護電路等，輔助電路中流過的是小電流。2.1 CNC電路的設(shè)計本課題采用FANUC公司POWER MATE 0數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)有以下

8、性能。1） 可控制2臺性能價格比好的FANUC 系列交流伺服電動機。2） 采用最新的新硬件技術(shù)，控制器小型、緊湊、可靠性更高。3） 內(nèi)置PLC，可簡化外部強電線路。具有螺紋切削、恒線速控制、刀尖半徑補償?shù)溶囅魈赜械墓δ?。此外為了簡便地制定加工程序，配備了用戶宏程序功能，提高加工精度的補償功能。4） 顯示器CRT/MDI畫面清晰，操作方便。CNC電路見下圖，W1-A1為CNC裝置。CNC裝置控制變頻器（JA11）、主軸位置編碼器(JA12)、手搖脈沖發(fā)生器（W1-GP）及強電柜；M1-K1為接通/斷開繼電器。2.2電源電路的設(shè)計電源電路下圖,其中D1-QF1為電源總斷路器，電源AC380V供給變

9、頻器。D1-TC1為控制變壓器，一次側(cè)為AC380V，二次側(cè)為220V，為交流接觸器提供電源；D1-VC1為開關(guān)電源，為CNC、CRT/MDI、中間繼電器提供DC24V電源。D1-FU1、-FU2、-FU3、-FU4、-FU5為電路的斷路保護。 2.3主軸電路的設(shè)計主軸電路見下雨，采用變頻器（H1-A1）控制，配置3.7KW、2890 r/min的交流異步電動機（H1-M1），這是一個速度開環(huán)控制系統(tǒng)。CNC輸出的模擬信號（010V）到變頻器13、14端，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，通過設(shè)置變頻器的參數(shù)，實現(xiàn)從最低速到最高速的調(diào)速；H1-K1為主軸交流接觸器，接通/斷開主軸動力電源；主軸上的位置編碼

10、器H1-GP使主軸能給驅(qū)動同步控制，以便加工螺紋；M3-K2、M3-K3為主軸正反轉(zhuǎn)繼電器，通過PLC實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；M1-K2為急停繼電器，當按下急停按鈕時，斷開主軸電路；當變頻器有異常情況時，通過1、2端子輸出報警信號到PLC。 2.4強電控制電路的設(shè)計強電控制電路見下圖.當按下急停按鈕M1-SB1時，SB2、SB3為CNC接通/斷開按鈕，發(fā)出急停信號-K2停止主軸轉(zhuǎn)動，打開電源鑰匙M1-SA1,接通中間繼電器-K3，AC220V上電，M3-K1為通過PLC接通主軸電動機接觸器H1-K1的信號。2.5 PLC輸入/輸出電路的設(shè)計PLC的輸入電路見下圖，M2-SB1、-SB2為主電動機接通/斷開

11、按鈕；按下急停按鈕時發(fā)出急停信號M1-K2，機床立即停止工作；當機床設(shè)備異常，出現(xiàn)一個報警信號時，報警燈亮。 PLC的輸出電路見下圖，M3-K1為接通主軸電動機繼電器，-K2、-K3為主軸正反轉(zhuǎn)繼電器。2電氣元件參數(shù)的設(shè)定2.1 熔斷器的選擇主要是根據(jù)熔斷器的種類、額定電壓、額定電流、熔體額定電流以及現(xiàn)在電路負載性質(zhì)決定，具體可按如下原則選擇。1） 熔斷器的額定電壓應(yīng)大于或等于電路工作電壓。2） 電路上、下兩級都設(shè)熔斷器保護時，其上、下兩級熔體電流大小的比值不小于1：6：1。3） 對于電感性負載的電動機電路，只做短路保護而不宜做過載保護。4） 在電動機回路中作短路保護時，熔體的額定電流可按下列

12、情況確定。對于單臺直接起動電動機，應(yīng)按下式計算 I=（1.52.5）I式中 I熔體的額定電流; I-電動機的額定電流。對于多臺直接起動電動機，應(yīng)按下式計算 I=（1.52.5）I+I式中I-功率最大的一臺電動機的額定電流； I-其余電動機的額定電流之和。 根據(jù)接觸器所控制負載回路的電壓,電流及所需觸電的數(shù)量來選擇接觸器.本設(shè)計中D1-FU1對用主軸電動機H1-M1短路保護,H1-M1的額定電流為10.5A。經(jīng)計算，D1-FU5選用額定電流為6A的熔斷器。2.2 接觸器的選擇接觸器是用來接通或斷開電動機或其它負載主電路的控制元件，它是利用電磁力來使開關(guān)打開或閉合的電氣，適用于頻繁操作、遠距離控制

13、大電流電路。接觸器按其主觸點通過電流的種類不同，分為直流、交流兩種，機床上應(yīng)用最多的是交流接觸器。工作原理是當電磁線圈通電后，在鐵心產(chǎn)生磁通，將銜鐵吸和。主觸點在銜鐵帶動下閉合，接通了主電路，于此同時，輔助觸點的動合觸點閉合，而動斷觸點斷開，當電磁線圈失電時或電壓顯著降低時，由于反力彈簧的作用，銜鐵被釋放，所有觸體恢復常態(tài)。2 交流接觸器的選擇選擇交流接觸器時主要考慮主觸點的額定電壓、額定電流、輔助觸點的數(shù)量與種類、吸引線圈的電壓等級、操作頻率等。1） 根據(jù)接觸器所控制負載的工作任務(wù)來選擇相應(yīng)使用類別的接觸器。2） 交流接觸器的額定電壓（指主觸點的額定電壓）一般為500V或380V兩種，應(yīng)大于

14、或等于負載電路的電壓。3） 根據(jù)電動機的功率和操作情況來確定接觸器主觸點的電流等級。4接觸器線圈的電流種類（交流和直流兩種）和電壓等級應(yīng)與控制電路相同。交流接觸器線圈電壓一般為36V、110V、127V、220V、280V等幾種。觸點數(shù)量和種類應(yīng)滿足主電路和控制電路。本設(shè)計中，M1-K1控制強電電路220V電源，需要主觸點三對、輔助觸點一對，主觸點電流為5A，線圈電壓為220V。依此類推，H1-K1需要主觸點三對，主觸點電流為10A，線圈電壓為220V。 2.3 繼電器的選擇它是一種自動操縱遠程設(shè)備的電器，廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)、遙控、遙測系統(tǒng)、電力保護系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)中，起著控制、檢測、保護

15、和調(diào)節(jié)的作用，是現(xiàn)在電器裝置中最基本的電器之一。雖然繼電器與接觸器都是用來自動接通或斷開電路，但是他們?nèi)杂泻芏嗖煌帯＠^電器可以對各種電量或非電量的變化作出反應(yīng)，而接觸器只有在一定的電壓信號下動作；繼電器用于切換小電流的控制電路，而接觸器則用來控制大電流電路，因此繼電器觸點容量較下（不大于5A）。繼電器用途廣泛，種類繁多。按反應(yīng)的參數(shù)可分為電流繼電器、電壓繼電器、時間繼電器、熱繼電器和速度繼電器等；按動作原理可分為電磁式、電動式、電子式等。按輸入信號的不同可以分為電壓繼電器、中間繼電器、電流繼電器、時間繼電器、速度繼電器等。本設(shè)計中，采用的中間繼電器M3-K3、-K4控制主軸電動機H1-M1

16、的正反轉(zhuǎn)，M1-K2控制主軸電機的急停；變頻器的速度設(shè)定電壓指令為010V。所以M3-K3、-K4選用的中間繼電器常開常閉觸點各四對，額定電流為5A，吸引線圈額定電壓為24V，M1-K2選用的中間繼電器常開常閉觸點各四對，額定電流為5A，吸引線圈額定電壓為24V。M1-K1控制NC的起動/停止，選用的中間繼電器常開常閉觸點各四對，額定電流為5A，吸引線圈額定電壓為24V；控制電機接通的M3-K1選用的中間繼電器常開常閉觸點各四對，額定電流為5A，吸引線圈額定電壓為24V。2.4控制變壓器的選擇變壓器式一種將某一數(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。選擇變壓器的主要依實際情

17、況選擇。 1) 根據(jù)實際情況選擇一次額定電壓U1（380V、220V），在選擇二次額定電壓U2(二次額定值是指初級加額定電壓時，二次的空載輸出電壓，二次帶有額定負載時輸出電壓下降5%，因此選擇輸出額定電壓時應(yīng)略高于份額在額定電壓)。 2) 根據(jù)實際負載情況，確定各二次繞組額定電流I。一般繞組的額定輸出電流應(yīng)大于或等于額定負載電流。 二次額定容量由總?cè)萘看_定。根據(jù)經(jīng)驗公式 P=KP式中 P-電磁元件的吸持功率和燈等負載消耗的功率，單位為 kW； K-變壓器的容量儲備系數(shù)，K=1.11.5。本課題中選擇的接觸器、繼電器一般功率12W，系統(tǒng)輸入輸出小于100W,由于本課題中控制變壓器的容量P可根據(jù)由

18、它供電的最大工作負載所需要的功率來計算并留用一定的余量.所以本設(shè)計中的控制變壓器D1-TC1的容量為：P=(100+124)1.2=150VA因此控制變壓器D1-TC1的容量選擇為150VA。2.5變頻器的選擇隨著變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，控制芯片和模塊的硬件水平不斷提高，變頻器成本的不斷下降。這就使得變頻器的應(yīng)用也就越來越廣泛，和其它調(diào)速方式相比，變頻調(diào)速以其極高的性價比得到了普遍認可，成為電機調(diào)速領(lǐng)域的主力軍。根據(jù)生產(chǎn)機械的負載特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器，在變頻器選型前應(yīng)掌握傳動系統(tǒng)的以下參數(shù)：(1)電動機的極數(shù)。一般電動機極數(shù)以不多于4極為宜，否

19、則變頻器容量就要適當加大。(2)轉(zhuǎn)矩特性、臨界轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩。在同等電動機功率情況下，相對于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選取。(3)電磁兼容性。為減少主電源干擾，使用時可在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當電動機與變頻器距離超過50m時，應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜。按照課題的要求，本課題選用的是FR-S540E-3.7K-CH 型號的變頻器2.6傳感器的選擇傳感器，能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器有電阻式傳感器，光敏傳感器，濕度傳感器，溫度傳感器，壓力傳感器等，根據(jù)課題要求，本課題選擇壓力傳感器

20、，壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)變成電信號的傳感器。在數(shù)控機床中，可用它對工件夾緊力進行檢測，當夾緊力小于設(shè)定值時，會導致工件松動，系統(tǒng)發(fā)出報警，停止走刀。另外，還可用壓力傳感器檢測車刀切削力的變化。再者，它還在潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)被用來檢測油路或氣路中的壓力，當油路或氣路中的壓力低于設(shè)定值時，其觸點會動作，將故障信號送給數(shù)控系統(tǒng)2.7執(zhí)行機構(gòu)的選擇數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)有伺服進給電機和伺服主軸電機。伺服進給電機：在數(shù)控裝置的控制下通過進給伺服驅(qū)動器的驅(qū)動，實現(xiàn)進給運動。當幾個進給伺服軸聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。伺服主軸電機：在數(shù)控裝置的控制下通過主軸驅(qū)動器的驅(qū)動，實

21、現(xiàn)主軸運轉(zhuǎn)?？蓪崿F(xiàn)主軸速度控制（轉(zhuǎn)速控制）和主軸位置控制，由于本課程的要求，需要無極變速，而伺服主軸電機有較大優(yōu)勢，所以選擇伺服主軸電機。第3章PLC程序的設(shè)計3.1 PLC程序信號地址PLC程序信號地址表如44。表44 PLC程序信號地址表序號名稱信號地址序號名稱信號地址1急停X1000.411復位F1.1:4手動方式X1003.014手動方式R0.1:5電機通X1000.715主軸正轉(zhuǎn)R10.3:6電機斷X1001.016主軸反轉(zhuǎn)R10.4:7電機通Y1000.0:17主軸停R10.5;8主軸正轉(zhuǎn)Y1000.2:18急停G8.49主軸反轉(zhuǎn)Y1000.3:19主軸停G29.63.2 PLC程

22、序功能按下急停按鈕，發(fā)出急停信號X1000.4，線圈G80.4通電，第一層結(jié)束。機床準備好時，線圈R0.0通電；常開觸點R0.0接通，線圈Y1001.6通電，正常燈亮。按下手動按鈕，常開觸點X1003.0接通，機床手動方式打開。機床準備好，常開觸點R0.0接通，按下電機接通按鈕，發(fā)出電機接通信號X1000.7，線圈X1000.0通電，電機接通。 機床準備好，且無任何報警信號產(chǎn)生時，電機接通，按下主軸正(反)轉(zhuǎn)按鈕，線圈X1000.2通電，主軸正(反) 轉(zhuǎn)并自鎖。譯碼指令DECT對電機通主軸正、反轉(zhuǎn)信號進行譯碼。主軸正反轉(zhuǎn)，輸出信號R10.3（R10.4），線圈Y1000.7通電，線圈G5.0通電，主軸正反轉(zhuǎn)結(jié)束,第二層結(jié)束3.3.PLC程序梯形圖第4章 結(jié) 論在完成這次畢業(yè)論文過程中