数控钻铣床电气系统控制.docx

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数控钻铣床电气系统控制

前言

随着社会生产和科学技术的发展与进步，PLC技术正在不断地深入到各个领域并迅速地向前推进，特别是近几年来在机械加工领域引起了许多深刻的改革。

《双面钻孔组合机床在运用》就是运用了PLC技术与机床电气的过程及注意事项，实现了机电一体化的运用，这便使双面组合钻床操作更加方便，大大提高了工作效率。

目前，在机械制造业中已不再是仅仅要求单机自动化，而是要求实现一条生产线，一个车间、一个工厂甚至更大规模的全盘自动化，这便体现PLC技术的重要性。

在设计中，参考了机电一体化技术方面和PLC方面的教材和资料，在书后的参考文献中列出，这些宝贵的资料对我完成毕业设计起到了重要的作用，在设计中有许多不妥之处，敬请老师提出宝贵指正.

摘要

数控钻铣床是现代工业生产中不可缺少的部分，可以高速、精确的切削零件。

本文就对钻铣床的机械结构、电气控制和数控三部分进行了设计，基本可以满足钻铣床的运行。

本系统采用的数控装置集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。

详细给出了主/控制回路图及一些元件的选择。

关键字：

数控装置PLC主/控制回路

目录

第一章绪论…………………………………………………………………………

1.1数控机床的发展史………………………………………………………

1.2数控机床的现状…………………………………………………………

1.3数控机床的特点和用途…………………………………………………

1.4PLC相关技术的发展入应用领域………………………………………

1.4.1PLC技术简介…………………………………………………………

1.4.2PLC的基本结构………………………………………………………

1.4.3PLC应用领域…………………………………………………………

第二章电气系统控制设计…………………………………………………………

2.1可编程器的选择和可行性的论证………………………………………

2.1.1设计的内容及任务……………………………………………………

2.1.2可行性论证……………………………………………………………

2.2总体方案的拟订和论证…………………………………………………

2.2.1总体设计方案的拟订…………………………………………………

2.3电气部分设计……………………………………………………………

2.3.1选件……………………………………………………………………

2.3.2电源……………………………………………………………………

2.3.3数控装置与软驱单元的连接…………………………………………

2.3.4数控装置与外部计算机的连接………………………………………

2.3.5数控装置开关量的输入/输出…………………………………………

2.3.6数控装置与手持单元的连接…………………………………………

2.3.7数控装置与主轴装置的连接…………………………………………

2.3.8数控装置与进给驱动装置的连接……………………………………

2.3.9急停与超程解除的设计………………………………………………

2.3.10电磁兼容设计…………………………………………………………

2.3.11数控机床系统总体设计………………………………………………

第三章伺服电机的选择与计算………………………………………………………

3.1伺服电机的选择计算……………………………………………………

3.2惯量匹配计算……………………………………………………………

第四章数控部分设计………………………………………………………………

4.1基本结构与主要功能……………………………………………………

4.1.1基本配置………………………………………………………………

4.1.2主要技术规格…………………………………………………………

4.2操作装置…………………………………………………………………

4.2.1操作台结构……………………………………………………………

4.2.2显示器…………………………………………………………………

4.2.3NCP键盘………………………………………………………………

第五章外文翻译……………………………………………………………………

第六章参考文献……………………………………………………………………

第一章绪论

1.1数控机床的发展史：

1949年帕森斯公司正式接受美国空军委托，在麻省理工学院伺服机构实验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。

经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。

这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。

1953年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究。

这就是APT自动编程的开始。

1958年美国克耐·杜列克公司在世界上首先研制成功了带自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。

1959年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代。

1965年，出现了小规模的集成电路。

由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，标志数控系统发展到第三代。

随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。

小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多功能由软件程序实现。

这样组成的数控系统称为计算机数控系统（CNC）。

1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系统，称为第四代数控。

1974年美国、日本等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。

近20年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发展的广泛应用，这就是第五代数控系统。

1.2数控机床的现状：

数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。

同时，数控技术关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。

国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。

我国进口的数控系统基本为德国西门子（SIMENS）和日本法那克（FANUC）两家公司所垄断，这两家公司在世界市场的占有率超过８０％。

1.3数控机床的特点和用途：

（1）具有较强的适应性和通用性

数控机床的加工对象改变时，只需要新编制相应的程序，输入计算机就可以自动地加工出新的工件。

同类工件系列中不同尺寸、不同精度的工件，只需要局部修改或增删零件程序的相应部分。

随着数控技术的迅速发展，数控机床的柔性也在不断扩展，逐步向多工序集中加工方向发展。

（2）获得更高的加工精度和稳定的加工质量

数控机床是按以数字形式给出的指令脉冲进行加工。

目前增量值普遍到达了0.001mm。

进给传动链的反向间隙与丝杠导程误差等均可由数控装置进行补偿，所以可获得较高的加工精度。

（3）具有较高的生产率

数控机床不需人工操作，四面都有防护罩，不用担心切削飞溅伤人，可以充分发挥刀具的切削性能。

因此，数控机床的功率的刚度都比普遍机床性能高，允许进行大切削用量的强力切削。

这有效地缩短了切削时间。

（4）改善劳动条件，提高劳动生产率

应用数控机床时，工人不需直接操作机床，而是编好程序调整好机床后由数控系统来控制机床，免除了繁重的手工操作。

一人能管理几台机床，提高了劳动生产率。

当然，对工人的文化技术要求也提高了。

数控机床的操作者，既是体力劳动者，也是脑力劳动者。

（5）能实现复杂零件的加工

普通机床难以实现或无法实现轨迹为二次以上的曲线或曲面的运动，如螺旋桨、气轮机叶片之类的空间曲面。

而数控机床由于采用了计算机插补技术和多坐标联动控制，可以实现几乎是任意轨迹的运动和加工任何形状的空间曲面，适用于各种复杂曲面的零件加工。

（6）便于现代化的生产管理

用计算机管理生产是实现管理现代化的重要手段。

数控机床的切削条件、切削时间等都是由预先编好的程序决定，都能实现数据化。

这就便于准确地编制生产计划，为计算机管理生产创造了有利条件。

数控机床适宜与计算机联系，目前已成为计算机辅助设计、辅助制造和计算机管理一体化的基础。

1.4PLC相关技术的发展入应用领域

1.4.1PLC技术简介：

随着微处理器：

计算机和数字通信技术发展，计算机控制已经扩展到几乎所有领域。

当前用于工业控制的计算机可分为几类，例如，可编程序控制器，基于单片机的测控装置，用于模拟量闭环控制的可编程序调节器，集散控制系统。

PLC由于应用面广、功能强大、使用方便，所以成为当代工业自动化的主要设备之一，PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动化的控制系统中。

1.4.2PLC的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。

1、CPU模块：

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成，在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，不断地采集输入信号执行用户程序，刷新系统的输出，存储器用来存储程序和数据。

2、I/0模块：

输入（input）模块和输出模块简称I/0模块，它是系统的眼、耳、手、脚是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁，输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收按钮选择开关、限位开关等。

3、编程器：

编程器用来生成用户程序，并用它进行编程修改和监视用户程序的执行情况，使用编程软件可以在主算机上直接生成编辑梯形图或指令表程序，并可实现不同编程语言的相互转换，程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。

4、电源:

PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，内部的开关为各模块提供不同电压等直流电源，小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源驱动PLC负载的直流电源一般用户提供。

1.4.3PLC应用领域：

在发达的工业国家，PLC已经广泛地应用所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应有范围不断扩大，如1、运动控制、金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯。

2、闭环控制如：

塑料挤压成形机、加热炉以及轻工化工机械冶金电力。

3、数据处理：

可用于通信功能传送到智能装置或者将他们打印制表。

4、通信联网：

PLC与其它智能控制设备一起可以组成集中管理、分散控制的分布式控制系统。

第二章电气系统控制设计

2.3.1选件：

2.3.1.1数控装置（选件）：

选择华中“世纪星”HNC-21系列数控装置（HNC-21THNC-21M）

特点：

“世纪星”HNC-21系列数控装置（HNC-21T、HNC-21M）采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机、高性能32位中央处理器，配置7.5彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，主要适用于数控车、铣床和加工中心的控制。

具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点；

图1所示为NNC-21数控装置与其他装置、单元连接的总体框图。

注：

图中除电源接口外，其他接口都不是必须使用的。

图1总体框图

图2HNC-21数控装置接口图

XS1：

电源接口XS2：

外接PC键盘接口

XS3：

以太网接口XS4：

软驱接口

XS5：

RS232接口XS6：

远程I/O板接口

XS8：

手持单元接口XS9：

主轴控制接口

XS10、XS11：

输入开关量接口XS20、XS21：

输出开关量接口

XS30~XS33：

模拟式、脉冲式（含步进式）进给轴控制接口

XS40~XS43：

串行式NSV-11型伺服轴控制接口

若使用软驱单元则XS2、XS3、XS4、XS5为软驱单元的转接口。

2.3.1.2软驱单元（选件）：

软驱单元为系统的数据交换单元，该单元可为系统扩展软盘数据交换、外接键盘、RS232、DNC和以太网接口等功能。

需要通过转接线与HNC-21数控装置连接使用。

软驱单元接口如图3所示：

图3软驱单元接口图

前视图接口用于和外部计算机连接，后视图接口用于和HNC-21连接。

2.3.1.3手持单元（选件）：

手持单元提供急停按钮、使能按钮、工作指示灯、坐标选择（OFF、X、Y、Z、4）、倍率选择（X1、X10、X100）及手摇脉冲发生器。

手持单元仅有一个DB25的接口。

如图4所示：

图4手持单元接口图

手持接口插头连接但HNC-21数控装置的手持控制接口XS8上。

2.3.1.4I/O端子板（选件）：

I/O端子板分输入端子板和输出端子板两种，通常作为HNC-21数控装置XS10、XS11、XS20、XS21接口的转接单元使用，以方便连接及提高可靠性。

输入端子板与输出端子板均提供NPN和PNP两种端子。

每块输入端子板含20位开关量输入端子；每块输出端子板含16位开关量输出端子及急停（两位）与超程（两位）端子。

图5输入端子板接口图

图6输出端子板接口图

2.3.1.5远程I/O端子板（选件）：

远程I/O端子板分远程输入端子板与远程输出端子板两种，HNC-21数控装置通过XS6控制。

最多可连接4块远程输入端子板与4块远程输出端子板。

每块远程输入端子板提供32位输入开关量端子，并且支持NPN和PNP两种信号类型。

每块远程输出端子板提供32位NPN开关量输出端子。

图7远程输入端子板接口图

J1：

与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口；

J2：

与下级远程I/O端子板连接接口；

J3：

输入开关量（NPN和PNP）和直流24V电源端子。

J1：

与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口；

J2：

与下级远程I/O端子板连接接口；

J3：

输出开关量（NPN型）和直流24V电源端子。

2.3.2电源：

2.3.2.1供电要求

电源容量：

数控装置（外部电源1）：

AC24V或DC24V100W。

PLC电路（外部电源2）：

DC24V不低于50W。

电源线：

采用屏蔽电缆或双绞线。

外部电源1采用交流AC24V电源时（参见供电方式一），建议数控装置不与其他外部设备共用电源。

外部电源2建议采用直流DC24V/50W开关电源。

若开关量输出信号控制的直流24V继电器较多，可适当增加电源容量，或另外提供电源，但必须与外部电源2共地。

若Z轴抱闸和电磁阀也虚DC24V供电，尽量不要与外部电源2共用，以减少电磁阀等器件对数控装置的干扰。

外部电源1采用直流DC24V电源时，可以与外部电源2共用一个容量不低于150W的直流24V开关量（参见供电方式二）。

外部电源1，2经过数控装置内部电路，由XS8向手持单元上的开关元件及手摇脉冲发生器提供电源，如图11所示。

远程I/O端子板上的输入/输出开关量可在本地单独使用电源。

2.3.2.2供电方式一：

采用交流24V+直流24V供电：

图9供电方式一

2.3.2.3供电方式二：

采用直流24V供电：

图10供电方式二

2.3.2.4接地：

2.3.2.4.1接大地：

XS1的6脚在内部已与数控装置的机壳接地端子接通。

由于电源线电缆中的地线较细，因此，必须单独增加一根截面积不小于2.5平方毫米的黄绿铜导线作为地线与数控装置的机壳接地端子相连。

2.3.2.4.1接信号地：

XS1的4脚在数控装置内部已与XS10、XS11、XS20、XS21开关量接口的1、2、14、15脚连通。

但为了提高开关量信号的抗干扰能力，XS10、XS11、XS20、XS21开关量接口的1，2，14，15脚应采用单独的电线连接到外部DC24V电源地上，以减少流过XS1的4脚（24V地）的电流，如图11所示。

若某些输入/输出开关量控制或接收信号的电气元件（如继电器、按钮灯、接近开关、霍尔开关）的供电电源是单独的，则其供电电源必须与输入输出开关量的供电电源共地。

否则，数控装置不能通过输出开关量可靠地控制这些元器件，或从这些元器件接收信号。

2.3.3数控装置与软驱单元的连接

软驱单元含3.5软驱驱动器及标准PC键盘接口（小圆口）、RS232接口、以太网接口。

各接口的功能和引脚定义与HNC-21数控装置完全相同。

图12为软驱单元与数控装置的连接图。

图12与软驱单元的连接框图

图中连接软驱单元的四根扩展线接线方式，均以相应引脚一一对应焊接，如图13所示。

图13软驱单元的接线图

软驱单元与HNC-21数控装置之间的距离主要是受软驱连接电缆的长度限制，所以二者之间的电缆长度不宜超过1米。

2.3.4数控装置与外部计算机的连接：

HNC-21数控装置可以通过RS232或以太网与外部计算机连接，并进行数据交换与共享。

在硬件连接上，可以直接由HNC-21数控装置背面的XS3、XS5接口连接，也可以通过软驱单元上的串口接口进行转接。

2.3.4.1通过RS232口与外部计算机连接：

图15数控装置通过RS232口与PC计算机连接（有软驱单元的情况）

2.3.4.2连接以太网：

通过以太网与外部计算机连接是一种快捷、可靠的方式。

可以是与某台外部计算机直接电缆连接（见图16和图17），也可以是先连接到HUB（集线器），再经HUB连入局域网，与局域网上的其他任何计算机连接（见图18和图19）。

在硬件上，可以直接使用HNC-21背面的以太网连接，也可以通过软驱单元转接后，用软驱单元上的以太网口连接。

连接电缆请使用网络专用电缆。

以太网接口插头型号均为RJ45。

直接电缆连接：

图16数控装置通过以太网口与外部计算机直接电缆连接（没有软驱单元的情况）

图17数控装置通过以太网接口与外部计算机局域网连接（没有软驱单元的情况）

图18数控装置通过以太网口与外部计算机局域网连接（有软驱单元的情况）

2.3.5数控装置开关量的输入/输出

2.3.5.1开关量输入输出接口

世纪星HNC-21数控开关量输入/输出接口，有本机输入/输出（可通过输入/输出端子板转接）和远程输入输出两种，其中本机输入有40位，本机输出32位，远程输入/输出各128位（选件）。

2.3.5.1.1开关量输入接口特性

1．等效电路

NPN开关量输入：

图20输入开关量接口等效电路—NPN型

PNP开关量输入：

图21输入开关量接口等效电路—PNP型

注：

1．HNC-21本机输入为NPN开关量输入；

2．输入端子板可提供NPN和PNP两种开关量输入端子；

3．远程输入板可提供NPN和PNP两种开关量输入端子。

2．技术参数：

（1）.采用光电耦合技术，最大隔离电压2500VRMS（一分钟）

（2）.电源电压24V

（3）.导通电流IF=5~9mA

（4）.最大漏电流≤0.1mA

（5）.滤波时间约2毫秒

注：

用有源开关器件（如无触点开关、霍尔开关等）时，必须采用DC24V规格。

2.3.5.1.2开关输入接口引脚定义：

1．HNC-21本机开关量输入接口：

图22HNC-21本机开关量输入接口图

2．输入端子板接口：

图23输入端子板接口图

图24

3．远程输入端子板接口：

图25远程输入端子板接口图

J1：

与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口；

J2：

与下级远程I/O端子板连接接口；

J3：

输入开关量（NPN和PNP）和直流24V电源端子。

对于同一位，N型和P型不能同时使用。

图26

2.3.5.1.3开关量输出接口特性

1．等效电路

NPN开关量输出接口：

图27输出开关量接口等效电路—NPN型

PNP型开关量输出接口：

图28输出开关量接口等效电路—PNP型

注：

1.HNC-21本机输出为NPN型输出；

2.输出端子板可同时提供PNP和NPN型输出；

3.远程输出端子板分为两种，可分别提供NPN型和PNP型两种端子。

2．技术参数

（1）.采用光电耦合技术，最大隔离电压2500VRMS（一分钟）

（2）.电源电压24V

（3）.最大输出电流100mA

2.3.5.1.4开关量输出接口引脚定义

1．HNC-21本机开关量输出接口：

图29HNC-21本机开关量输出接口图

2．输出端子板接口：

图30输出端子板接口图

图31

注：

对应于同一位，N型和P型不可同时使用。

3．远程输出端子板接口：

图32远程输出端子板接口图

J1：

与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口；

J2：

与下级远程I/O端子板连接接口；

J3：

输出开关量（NPN型）和直流24V电源端子。

图33

注：

对于端子为PNP型的远程输出端子板，J3端子3~34脚的信号为P0~P31。

3.5.2直接连接到数控装置：

可将外部的输入/输出信号，直接连接到世纪星HNC-21装置上的X10、X11插座。

这种连接方式一般用于所需I/O点较少，数控装置与电气柜一体的情况。

具有成本低，连接简单的特点，缺点是不方便电缆拆装，没有PNP型输入、输出端子。

图34开关量输入接线图

图35开关量输出接线图

2.3.5.3通过I/O端子板连接：

如图36所示，分线电缆将HNC-21数控装置的XS10、XS11与输入端子板的J1、XS20、XS21与输出端子板的J1相连。

NPN或PNP型开关量输入/输出元器件连接杂端子板的J2上。

该连接方式适用于所需用的I/O点不多，且数控装置与强电控制电路分装在不同机柜内的情况；具有电路调试、维护方便的优点。

图36通过I/O端子板连接输入/输出开关量

输入端子板上J1与J2各信号的对应关系如下表所示：

输出端子板上J1与J2个信号的对应关系如下表所示：

端子板每位开关量都有NPN、PNP两种接线端子，以及发光二级管指示灯，便于系统的调试和故障检测。

输入/输出端子板的J1接口与HNC-21数控装置的XS10、XS11、XS20、XS21接口之间互连电缆的连接方式如图37所示。

图37输入/输出端子板与数控单元互联线缆图

2.3.5.4通过远程I/O端子板连接

采用通讯方式工作，通过HNC-21数控装置的XS6接口连接到各远程I/O端子板。

通讯电缆将HNC-21数控装置的XS6与远程I/O端子板的J1相连，再通过J2与下一块远程I/O端子板相连。

如图38所示。

该连接方式适用于需用的I/O点很多，需要扩展I/O点数的状况。

其优点是所有远程I/O端子板与HNC-21数控装置只需要一根通讯电缆串联连接，简化了系统结构，有效距离可以达到50米，且板上每位开关量都有发光二级管指示灯，便于系统的调试和故障检测。

最多可分别连接4块远程I/O输入端子板和4块远程I/O输出端子板。

图38通过远程端子板连接输入/输出开关量

远程I/O端子板上的输入/输出开关量，按板卡的连接顺序排列。

远程输入端子板的开关量从第六组即I48开始（HNC-21占用五组：

I0~I39，I40~I47保留）。

远程输出端子板的开关量，从第四组即