基于三菱电机E60数控车床电气控制电路设计.docx

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基于三菱电机E60数控车床电气控制电路设计

自动化学院

本科毕业设计（论文）

题目：

基于三菱电机E60数控车床

电气控制电路设计

GraduationDesign（Thesis）

BasedonTheMitsubishiElectricE60CNC

LatheElectricalControlCircuitDesign

By

MAShaodong

Supervisedby

Prof.YUHanqi

LecturerQIANHouliang

SchoolofAutomation

NanjingInstituteofTechnology

June,2014

摘要

数控技术是现代制造业机电一体化的核心，其水平高低关系到生产力的发展状况，在如今社会发挥着越来越重要的作用。

而数控机床是数控技术的重要运用，是先进制造技术的重要装备。

本论文的主要任务是将三菱数控系统（E60）应用在数控车床上。

课题以普通数控车床电气控制系统开发设计为研究任务，分析三菱电机数控系统结构特征和工作原理，对E60数控系统进行深入研究。

通过三菱E60数控系统的硬件连接与系统的PLC控制程序的编写，实现车床X、Z轴的进给，主轴的旋转以及油泵冷却等基本功能。

本论文主要成果包括：

三菱E60数控系统的硬件连接，包括控制单元连接、I/O单元连接等；数控车床的电气原理图的绘制，包括强电回路、控制回路等；系统控制PLC程序的设计，以此实现车床的多种功能；软件GX-Developer的运用，来实现计算机与数控系统的通信等。

关键词：

三菱E60；数控车床；电气控制；三菱PLC

ABSTRACT

Numericalcontroltechnologyisthecoreofthemodernmanufacturingmechanicalandelectricalintegrationanditslevelisrelatedtothedevelopmentofproductiveforces.Nowitisplayinganincreasinglyimportantroleintoday'ssociety.NCmachinetoolsisanimportantuseofnumericalcontroltechnology，anditisanimportantequipmentofadvancedmanufacturingtechnology.

ThedutyofmythesisisusingtheMitsubishiCNCsystem（E60）inCNClathe.ItsresearchtaskisthedevelopmentanddesignofthecommonNClatheelectricalcontrolsystem,andthenanalyzingMitsubishiCNCsystemstructurecharacteristicsandworkingprinciplesothatIcanhaveaprofoundunderstandingofE60.Realizingthelathe’sfeedingofXandZaxis,therotationofthespindleandthebasicfunctionsuchasoilpumpcoolingthroughtheMitsubishiE60CNCsystemhardwareconnectionandthewritingofthePLCcontrolprogram.

Themainachievementsofthisthesisincludethefollowingaspects.Firstly,theMitsubishiE60CNCsystemhardwareconnection,includingtheconnectionofcontrolunitandI/Ounits.Besides,theNumericalcontrollatheelectricalschematicdrawing,includingheavycurrentofmaincircuit,controlcircuit,etc.What’smore,thePLCprogramdesignofsystemcontroltoachieveavarietyoflathefunctions.UsingthesoftwareGX-Developertoachievethecommunicationwiththecomputernumericalcontrolsystemsandsoon.

Keywords:

MitsubishiE60;Numericalcontrollathe;Electricalcontrol;MitsubishiPLC

第一章绪论

1.1引言

当前，机械制造业发展的一个明显趋势是越来越广泛地应用数控技术。

在机械制造工业中，单件、小批量声生产的零件约占机械加工总量的80%左右。

此外，市场竞争日趋激烈，致使机械产品不断更新换代，对其质量要求也越来越高，传统的普通加工设备已难于适应高效率、高质量连接、多样化的加工要求、机床数控技术的应用，一方面可以致使机械加工全过程实现自动化；另一方面又使得机械加工的柔性不断提高，即提高了机械制造系统适应各种生产条件变化的能力。

同时，数控技术又是柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）的重要技术基础，是机电一体化的重要组成部分。

1946年世界上诞生了第一台电子计算机，它标志着人类创造了可部分代替脑力劳作的工具。

它与人类在生产活动中创造的那些只是改善或减轻体力劳动的工具相比起了质的变化，它为人类进入信息社会奠定了基础。

在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。

20世纪80年代后，微型计算机数控系统的出现，数控系统的性能和品质也得到了极大的提高。

近年来，各种数控系统更新也越来越快，功能也越来越完善，其中FANUC、西门子和三菱的数控系统都处于世界领先的地位。

现代数控系统的技术几乎覆盖了自动控制技术、电子技术、数字技术、通信技术、机械制造技术等诸多领域。

三菱E60系列数控系统则是高性能的新概念CNC系统。

1.2选题背景与意义

数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品。

它的运用和发展，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业格局发生了巨大变化。

现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等技术都是建立在数控技术之上。

随着数控技术的不断完善，通过现代化的数字信号对设备运行及全面的加工过程进行整体的控制，这种技术是一种自动化的技术，通过数控技术的自动化控制，能有效实现机械的自动化处理，因此，数控技术在加工行业中的运行具有很大的实际意义。

数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的核心标志，实现加工机床及生产过程的数控化，已成为当今制造业的发展方向。

本次课题是基于三菱电机E60的数控车床电气控制电路设计，主要设计数控车床电气控制硬件电路设计，并编写PLC程序实现部分功能。

能够很好的将大学期间所学课程结合起来，尤其是电路原理、PLC、数控原理等重要课程。

课题贴近实际，在工业中应用愈加广泛，具有比较重要的意义。

1.3研究现状

从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。

随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。

当前数控系统有着以下几方面的发展趋势：

1.数控系统向开放式体系结构发展。

开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。

近几年许多国家纷纷研究开发这种系统。

2.数控系统向软数控方向发展。

对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。

3.数控系统控制性能向智能化方向发展。

智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。

随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统随之引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理。

4.数控系统向网络化方向发展。

数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。

数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。

5.数控系统向高可靠性方向发展。

随着数控机床网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。

6.数控系统向复合化方向发展。

目前，主流的数控系统开发商都能提供高性能的复合机床数控系统。

7.数控系统向多轴联动化方向发展。

最近，国外主要的系统开发商在6轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展，在6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。

电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。

数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。

现代制造业正在迎来一场新的技术革命。

1.4理论基础

1.4.1CNC数控基本概念

1.数控技术

数字控制（NC，NumericalControl,简称数控）技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术。

2.数控系统

采用数控技术的控制系统称为数控系统。

3.数控机床

装备了数控系统的机床即为数控机床。

数控机床是集机床、计算机、电机、自动控制、传感检测等技术于一体的自动化设备，使传统的加工工艺发生了质的变化。

这个变化的本质就在于用数控系统实现了加工工程的自动化操作。

1.4.2数控车床的组成

数控车床一般由输入装置、数控系统CNC、伺服驱动系统、辅助控制装置、位置检测装置以及车床本体组成，如图1.1所示。

图1.1数控车床的组成

1.输入装置

输入装置的作用是将数控代码传递并存入数控系统内。

根据存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读器、磁带机或软盘驱动器等。

数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：

一种是边读入边加工（数控系统内存较小时）；另一种是将零件加工程序全部读入数控系统内部的存储器，加工时再从内部存储器中逐段调出进行加工。

2.数控系统

数控系统是数控机床的核心。

数控系统从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。

3.伺服驱动系统

伺服驱动装置接受来自数控系统的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。

因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。

伺服驱动系统包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。

目前大都采用直流或交流伺服电机作为执行机构。

4.辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控系统输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经过功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。

这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧等辅助动作。

5.位置检测装置

位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控系统之后，数控系统将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。

6.车床本体

车床本体与传统车床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。

但数控车床特别是车削中心在整体布局、外观造型、传统系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了较大的变化。

这种变化的目的是为了满足数控车床的要求和充分发挥数控车床的特点。

1.4.3数控车床的分类

目前数控车床品种齐全、规格繁多，可以从不同的角度进行分类

1.按控制方式分类

（1）开环控制系统

这类控制系统不带检测装置，也没有反馈电路，一般以步进电机和电液脉冲马达作为执行元件。

数控装置输出的指令脉冲经驱动电路功率放大后，转换成为控制步进电动机各定子绕组依次通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机旋转，再经过机床传动机构带动工作台移动。

这种方式只有前向通道，没有反馈通道、控制单元，调试维修方便，价格低廉，但精度和速度受到限制，如图1.2所示。

图1.2开环控制系统原理图

（2）全闭环控制系统

这类控制系统带有位置检测反馈装置，把直流或者交流电动机作为执行元件。

位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线运行），并将其与数控装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制，驱动工作台朝着减小误差方向运动。

根据自动控制原理可知，凡是被反馈通道所包围的前向通道中所有误差都能被反馈所补偿，因此，这类控制系统可以获得很高的精度和速度。

但是由于它将丝杠、螺母副、导轨以及机床工作台这些大惯量环节或齿轮非线性环节都包含在闭环内，给设计和调节造成困难，系统稳定性得不到保证。

全闭环控制系统一般应用于高精度数控机床中，如图1.3所示。

图1.3全闭环控制系统原理图

（3）半闭环控制系统

这类控制系统也带有检测反馈装置，但检测元件被安装在电动机轴或丝杠轴端处，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运动位置（直线位移），并将其与数控系统计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。

由于闭环的环路内不包含丝杠、螺母副、导轨及机床工作台这些大惯量环节，这些环节造成的误差不能被反馈信号所补偿。

因而其综合精度不如全闭环控制系统。

但半闭环控制系统环路短，刚性好，调试方便，容易获得比较稳定的控制特性，因此这种半闭环控制系统被实际生产所广泛使用，如图1.4所示。

图1.4半闭环控制系统原理图

2.按数控系统的功能分类

按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三类。

低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准也会不同。

就目前的发展水平来看，可以根据表1-1的一些功能及指标，将各种类型的数控系统分为低档、中档、高档三类。

其中，中档一般称为全功能数控或标准型数控。

经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统。

经济型数控主要用于车床、线切割机床以及旧机床改造等。

表1-1数控系统不同档次的功能和指标

功能

低档

中档

高档

系统分辨率

10μm

1μm

0.1μm

G00速度

3-8m/min

10-24m/min

24-100m/min

伺服类型

开环及步进电动机

半闭环及直、交流伺服

闭环及直、交流伺服

联动轴数

2-3轴

2-4轴

5轴或5轴以上

通信功能

无

RS232C或DNC

RS232C、DNC、MAP

显示功能

数码管显示

CRT:

图形、人机对话

CRT:

三维图形、自诊断

内装PLC

无

有

强功能内装PLC

主CPU

8位、16位CPU

16位、32位CPU

32位、64位CPU

结构

单片机或单板机

单微处理器或多微处理器

分布式多微处理器

3.按加工工艺方法分类

（1）普通数控车床

数控车床是在普通车床基础上，增加了数控系统和伺服驱动系统，从而形成能够按照预定程序，自动完成预定加工过程的车床。

普通数控车床是指加工用途、加工工艺、相对单一的数控车床，在机械制造行业数量较多，通常称之为经济型数控车床。

普通数控车床采用较低的配置形式使其具有较大的价格优势，与传统的同类车床相比，具有精度一致性好、生产率和自动化程度高的特点。

但在机械结构上没有改变普通车床Z向驱动力偏心引起的执行机构变形和导轨承载面不均匀磨损问题，普遍使用的滑动导轨也不能适应高负载系数的自动化生产过程，四方形刀架较少的装刀数量也限制了车床工艺能力的范围。

（2）多功能数控车床

多功能数控车床采用倾斜床身或平床身-斜滑板，具有回轮式刀塔，是用滚动导轨支承刀塔溜板。

在回轮刀塔上可以安装10组以上车削刀具或孔加工刀具，回轮刀架上刀具的转位可由液压马达或伺服电机驱动，尾架可以根据需要有液压装置控制其运动。

采用倾斜床身的多功能数控车床刚性好、排屑方便，高温切削对运动导轨的不均匀变形影响减小；倾斜床身的截面可以形成封闭的腔形结构，其型腔内部可以充填泥芯或混凝土等阻尼材料，在加工中利用阻尼材料的相对摩擦来耗散振动能量，减少振动对表面加工质量的影响。

在多功能数控车床上通常配置有自动排屑器，主轴电机和进给电机功率更大，其性能配置更适合精密、大批量生产模式。

（3）车削加工中心

数控车床可以加工各种回转表面，但是如果圆周表面或端面上需要加工键槽或端面孔，就要移到其他机床上去加工。

在很多情况下，出于加工精度的考虑，零件是不允许拆卸、重新定位装夹和更换机床的。

对于这种以回转面为主要加工内容，兼有圆周表面或端面上加工的零件，车削中心就比较得心应手。

车削加工中心床身均为倾斜结构，主轴使用交流伺服电机驱动或电主轴结构，主轴的最高转速可达6000r/min以上，以满足精加工的需要。

为了扩展其工艺范围，在回轮式刀架上配备有多功能的动力刀头，不但可以装夹内外圆车刀，还可装夹自驱动的铣刀、钻头、丝锥等刀具，以完成圆周表面或端面上的各种加工；回轮刀塔的转位使用交流伺服电机驱动，换刀时间短；机床的尾架使用PLC可编程逻辑控制器控制其工作位置，使用方便；对直径尺寸影响较大的X轴多采用光栅闭环控制，以提高加工精度；在机床上通常设置自动对刀仪，由控制指令使其完成对加工刀具的测量，并将测量结果自动补偿到加工过程中。

车削加工中心除具有常规的X轴、Z轴控制外，均具有C轴功能（主轴在加工过程中同时作为旋转坐标轴使用），与铣削动力头的配合可以再工件上完成特殊型面的加工，如圆柱面凸轮槽、端面凸轮槽。

在部分车削加工中心上，还具有Y轴功能和B轴功能，使得机床的工艺范围进一步的扩大。

4.按主轴的配置形式分类

（1）卧式数控车床

主轴轴线处于水平位置的数控车床。

它能自动加工各种轴类、套类、盘类等复杂的内外回转表面的零件，是其他类型车床所不能代替的。

但该车床车削工件直径的大小受到床身导轨的限制，工件越大，主轴及其轴承承受的弯矩越大，难以保持精度。

（2）立式数控车床

主轴轴线处于垂直位置的数控车床。

该车床工作台装在底座上，工件装卡在工作台上，并由工作台带动旋转。

进给运动由垂直刀架和侧刀架实现。

该车床将主轴立起来，工件装卸、观察方便，主轴轴承不承受工件、花盘等重力产生的弯矩，工件及工作台的重量由导轨或推力承受。

立式数控车床和卧式数控车床相比，在加工大型盘类、套类、壳体类工件时具有较高的精度和生产率，工件越大这种特点越突出。

1.4.4数控技术的发展简介

1.数控（NC）阶段（1952-1970年）

早期的计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响不大，但不能适应机床实时控制的要求。

于是，人们不得不采用数字逻辑控制电路，组成机床专用计算机。

这种数控装置称为硬件连接数控装置（HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。

随着电子元器件的发展，这个阶段又经历了三代：

1952年的第一代—电子管计算机组成的数控装置；1959年的第二代—晶体管计算机组成的数控装置；1965年的第三代—小规模的集成电路计算机组成的数控装置。

2.计算机数控（CNC）阶段（1970年-至今）

1970年研制成功了大规模集成电路，并将其用于通用小型计算机。

此时的小型计算机，其运算速度比以往的计算机有了大幅度的提高，比专用计算机成本低、可靠性提高。

于是，小型计算机作为数控系统的核心部件，数控机床进入了计算机数控（CNC）阶段。

1971年，美国INTEL公司在世界上的第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模的集成电路控制技术，将其集成在一块芯片上，称为微处理器（Microprocessor），又称中央处理单元CPU。

1974年，微处理器应用于数控系统。

虽然早期的微处理器速度和功能对数控装置来说有局限性，但可以通过多处理器结构来解决相应的问题。

由于微处理器是通过计算机的核心部件，故此时的数控系统仍然成为计算机数控。

到了1990年，PC机的性能已发展到很高的水平，可满足数控系统核心部件的要求，而且PC机的生产批量很大，软件资源丰富，价格便宜，可靠性高，数控系统从此进入基于PC的阶段。

1.4.5三菱数控系统的优点

三菱数控系统的优越性如下所述：

1.灵活性大

三菱数控系统的数控功能大多由软件在通用性较强的硬件支持下来实现的，其功能的修改、扩充和适应性方面都具有较大的灵活性，如果要改变、扩充其功能，只要通过对软件的修改和扩充便可以满足。

2.通用性强

三菱数控系统大多采用模块化的结构。

按模块化方法组成的系统基本配置是通用的，不同的数控机床，只要配置相应的功能模块，就可以满足这些机床的特定控制功能，这对数控机床的培训和学习以及维护、维修也是十分方便的。

3.数控功能丰富

三菱数控系统利用计算机的高度计算能力，可实现许多复杂的数控功能，如高次曲线插补、动静态图形显示、多种补偿功能，数字伺服控制功能等。

4.可靠性高

三菱数控系统很多功能由软件实现，硬件结构大大简化，采用大规模和超大规模通用和专用集成电路，使可靠性更进一步。

5.易于实现机电一体化

由于采用计算机，使硬件数量相应减少，加之电子元件集成度越来越高，使硬件的体积不断减小，控制柜的尺寸也相应减小。

因此，三菱数控系统的结构非常紧凑，使其与机床结合在一起成为可能，又由于通讯功能的增强，容易组成数控加工自动线，如FMC、FMS、DNC和CIMS等。

6.使用维护方便

操作使用方便：

机床的操作采用菜单结构，用户只需根据菜单的提示，进行操作。

编程方便：

具有多种编程的功能，并且具有程序自动校验和模拟仿真功能。

维护维修方便：

数控机床的许多日常维护各种都有数控装置承担；而且，数控机床的自我诊断功能，可迅速使故障定位，方便维修人员。

1.5三菱E60数控系统的介绍

1.5.1三菱数控产品简介

三菱公司是国际上有影响力的著名企业，其生产的产品以性能好、质量稳定可靠获得广大用户的一致好评，近几年来，三菱电机公司加大了在中国大陆推广CNC数控系统的力度。

数控机床的核心是控制器，三菱公司推出了高质量、高性价比的CNC系统，它提供了丰富而先进的功能。

目前在中国市场推广使用的有普及型的E60系列，高性能的M60S系列数控系统，以