数控铣床伺服控制系统设计.docx
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数控铣床伺服控制系统设计
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数控铣床伺服控制系统设计
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毕业设计(论文)
2016年5月15日
摘要
今天的中国的先进制造技术正在飞速发展,机械制造及自动化技术是其重要组成部分,而它的核心技术就是数控技术。
数控技术综合了现代控制技术、机电一体化技术、机械制造技术、计算机技术、微电子技术等先进技术。
数控机床在先进制造方面的使用使先进制造业进入了一个新时代,它改变了原有制造业的生产方式、产业结构和管理方法,对加工和生产产生了深远的影响。
它已经是国家工业发展程度的评判的标准。
本文根据小型数控铣床伺服系统的控制要求设计了硬件电路电气原理图,然后根据具体的电路图计算电气元器件参数规格,选出合适的电子元器件,并且编写伺服控制系统相关的PLC的程序,最后,简单分析了在安装和调试过程中出现的问题和解决方法。
关键字:
小型数控铣床,伺服控制系统,电气原理图,PLC
Abstract
Today'sChina'sadvancedmanufacturingtechnologyisrapiddevelopment,machinerymanufacturingandautomationtechnologyisanimportantpartofitsanditscoretechnologyisNCtechnologynumericalcontroltechnologycombinesmoderncontroltechnologyelectromechanicalintegrationtechnologymachinerymanufacturingtechnologyadvancedtechnologysuchascomputertechnology,microelectronicstechnologyNCmachinetoolsinthefieldofadvancedmanufacturinguseadvancedmanufacturingindustryhasenteredanewera,ithaschangedtheoriginalindustrialstructureofmanufacturingproductionmodeandmanagementmethods,hasfar-reachinginfluenceontheprocessingandproductionIsnowanimportantmeasureofnationalindustrialdevelopment.
Inthispaper,accordingtotherequirementsoftheCNCmillingmachineservosystemcontroldesignofthehardwareelectriccircuitschematicdiagram,andthen,accordingtothecircuitdiagramofthespecificparametercalculationofelectricalcomponentsspecifications,choosetheappropriateelectroniccomponents,andthePLCprogramofservocontrolsystem,finally,asimpleanalysisoftheproblemsintheprocessofinstallationanddebuggingandsolutions.
Keywords:
CNCMillingMachine,Servocontrolsystem,Electricalschematicdiagram,PLC
TOC\o"1-3"\h\uHYPERLINK\l_Toc6009摘要PAGEREF_Toc60091
HYPERLINK\l_Toc32526第一章绪论PAGEREF_Toc325261
HYPERLINK\l_Toc299571.1数控技术的发展背景及意义PAGEREF_Toc299571
HYPERLINK\l_Toc104761.2数控铣床系统的选用PAGEREF_Toc104761
HYPERLINK\l_Toc14336第二章数控铣床相关概述PAGEREF_Toc143362
HYPERLINK\l_Toc14982.1数控铣床主要技术参数PAGEREF_Toc14982
HYPERLINK\l_Toc309022.2数控铣床的组成及工作原理PAGEREF_Toc309023
HYPERLINK\l_Toc250472.2.1数控铣床的组成PAGEREF_Toc250473
HYPERLINK\l_Toc73012.2.2数控铣床的工作原理PAGEREF_Toc73014
HYPERLINK\l_Toc133342.3数控铣床的伺服系统PAGEREF_Toc133345
HYPERLINK\l_Toc307472.3.1数控铣床伺服系统伺服系统基本概念及组成PAGEREF_Toc307475
HYPERLINK\l_Toc289872.3.2数控铣床对伺服系统的要求PAGEREF_Toc289875
HYPERLINK\l_Toc16895第三章数控铣床伺服控制系统硬件电气电路设计PAGEREF_Toc168956
HYPERLINK\l_Toc143943.1电源电路设计(D1)PAGEREF_Toc143946
HYPERLINK\l_Toc13123.2伺服控制电路的设计(K1)PAGEREF_Toc13127
HYPERLINK\l_Toc51483.3强电控制电路的设计(M1)PAGEREF_Toc51488
HYPERLINK\l_Toc145463.4PLC的I/O接口分配PAGEREF_Toc145469
HYPERLINK\l_Toc321623.4.1PLC输入电路的设计(M2)PAGEREF_Toc321629
HYPERLINK\l_Toc241973.4.2PLC输出电路的设计(M3)PAGEREF_Toc2419710
HYPERLINK\l_Toc5460第四章数控铣床伺服控制系统的电气元器件选用PAGEREF_Toc546011
HYPERLINK\l_Toc282124.1接触器的选择PAGEREF_Toc2821211
HYPERLINK\l_Toc37434.2继电器的选择PAGEREF_Toc374311
HYPERLINK\l_Toc8744.3控制变压器的选择PAGEREF_Toc87411
HYPERLINK\l_Toc238934.4基准点灯的选择PAGEREF_Toc2389312
HYPERLINK\l_Toc141734.5按钮的选择PAGEREF_Toc1417312
HYPERLINK\l_Toc327254.6行程开关的选择PAGEREF_Toc3272512
HYPERLINK\l_Toc145744.7直流稳压电源的选择PAGEREF_Toc1457413
HYPERLINK\l_Toc213954.8断路器的选择PAGEREF_Toc2139513
HYPERLINK\l_Toc311144.8.1断路器的简介PAGEREF_Toc3111413
HYPERLINK\l_Toc38134.8.2主要技术参数PAGEREF_Toc381313
HYPERLINK\l_Toc159414.8.3断路器的选择PAGEREF_Toc1594114
HYPERLINK\l_Toc4672第五章数控铣床伺服控制系统的PLC软件设计PAGEREF_Toc467216
HYPERLINK\l_Toc78505.1FANUCOi系统PLCPAGEREF_Toc785016
HYPERLINK\l_Toc51935.1.1PLC的简介PAGEREF_Toc519316
HYPERLINK\l_Toc18035.1.2PLC的功能PAGEREF_Toc180316
HYPERLINK\l_Toc18825.2伺服控制系统PLC程序梯形图的设计PAGEREF_Toc188217
HYPERLINK\l_Toc169865.2.1FANUC系统的PLC信号和地址PAGEREF_Toc1698617
HYPERLINK\l_Toc195835.2.2FANUC部分信号的说明PAGEREF_Toc1958317
HYPERLINK\l_Toc286315.2.3分析控制要求PAGEREF_Toc2863118
HYPERLINK\l_Toc99605.2.4程序流程图PAGEREF_Toc996018
HYPERLINK\l_Toc110275.3梯形图程序设计PAGEREF_Toc1102720
HYPERLINK\l_Toc154655.3.1梯形图设计原则PAGEREF_Toc1546520
HYPERLINK\l_Toc84685.3.2数控铣床伺服控制系统的PLC梯形图PAGEREF_Toc846820
HYPERLINK\l_Toc47375.3.3PLC程序信号地址PAGEREF_Toc473723
HYPERLINK\l_Toc25506第六章数控铣床伺服电路的安装与调试PAGEREF_Toc2550624
HYPERLINK\l_Toc135566.1安装步骤PAGEREF_Toc1355624
HYPERLINK\l_Toc51326.1.1硬件电路的连接PAGEREF_Toc513224
HYPERLINK\l_Toc230536.1.2PLC程序输入PAGEREF_Toc2305324
HYPERLINK\l_Toc22656.2调试步骤PAGEREF_Toc226524
HYPERLINK\l_Toc148406.3调试中出现的问题及解决方法PAGEREF_Toc1484028
HYPERLINK\l_Toc28230第七章总结PAGEREF_Toc2823029
HYPERLINK\l_Toc14800致谢PAGEREF_Toc1480030
HYPERLINK\l_Toc8069参考文献PAGEREF_Toc806931
HYPERLINK\l_Toc20575附录PAGEREF_Toc2057532
HYPERLINK\l_Toc10002电源电路电气图PAGEREF_Toc1000232
HYPERLINK\l_Toc31140伺服控制电路电气图PAGEREF_Toc3114033
HYPERLINK\l_Toc1696强电控制电路电气图PAGEREF_Toc169634
HYPERLINK\l_Toc30602PLC输入电路PAGEREF_Toc3060235
HYPERLINK\l_Toc11106PLC输出电路PAGEREF_Toc1110636
HYPERLINK\l_Toc20869PLC梯形图PAGEREF_Toc2086937
第一章绪论
1.1数控技术的发展背景及意义
数控技术是制造业实现自动化、现代化、柔性化和集成化生产的基础,它可以提高生产效率以及产品质量,大大的节约了生产成本。
数控技术及装备是关系到一个国家的生存力水平和综合国力。
自1952年第一台数控机床在美国研制成功,数控设备已经逐渐占据了生产制造方面的重要地位。
数控机床具有加工精度高、产品质量稳定、高效简洁的加工方式、适用面广等优点。
目前数控机床可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控冲床和加工中心等。
本文主要对数控铣床的伺服系统进行设计研究。
数控铣床是利用数字化技术控制机床,以铣刀的旋转运动为主运动,刀具与工件之间的移动为进给运动。
可以完成对平面、沟槽、轮齿、螺纹和复杂型面的加工。
具有较强的灵活性、可以加工较为复杂的零件、加工精度高质量好、生产自动化程度高等优点。
1.2数控铣床系统的选用
目前社会常见的数控系统主要类型有以下几种:
(1)国产系统
国内主流数控系统为华中数控系统,但它一般应用与数控铣床方面。
如HNC—21T操作面板等;广州数控系统,如GSK928T、GSK980T操作面板等;北京航天数控系统,如CASNUC2100等。
(2)FANUC数控系统
FANUC数控系统由日本富士通公司研制开发,目前在我国得到了广泛的应用。
我国制造方面所广泛使用的FANUC数控系统是0系统以及0i系统。
(3)SIEMENS数控系统
德国的西门子公司研究发明了SIEMENS数控系统,SIEMENS系统在我国机械制造行业使用也较为广泛。
目前,在我国市场上,常用的数控系统除SINUMERIK840D/C和SINUMERIK840D/M等。
此外还有西班牙FAOGO公司生产的8010、8050和美国ALLEN-Brady公司的B8400、B600MT/TC、B8600AT900、B8600/WS等数控装置系统。
我们对FANUC、SIEMENS、华中等系统的调研、比较,决定本次毕业设计伺服系统的控制将采用FANUCOiMateTC系统。
据调研FANUCOiMateTC系统有以下的一些优点。
(1)FANUC系统的功能全面,且可以适用于很多方面。
(2)FANUC数控系统具有优质可靠的技术服务的优点。
(3)FANUC数控系统具有较好的自我保护措施。
(4)FANUC数控系统PMC功能指令与信号全面,这些指令可以使我们在编
写PMC程序更加容易,并且它的人机操作界面简单易用。
(5)FANUC数控系统具有很强的DNC功能。
通过串行RS232C接口让计算机与机床之间更快、更可靠的传输数据。
(6)FANUC数控系统具有自我诊断的功能以及给予了大量报警维修信息。
FANUCOiMateTC维修手册为用户将大量的报警信息进行了分门别类。
第二章数控铣床系统概述
2.1数控铣床主要技术参数
数控铣床主要技术参数包括数控铣床本身主要参数和数控系统主要参数,参数的作用和类型和作用参见表2.1。
在数控编程和数控铣削加工时应了解数控铣床技术参数,具体有主轴锥孔度、最大铣削距离、各坐标轴行程、主轴转速范围、铣削进给速度范围、定位精度、重复定位精度等技术参数。
表2.1数控铣床主要技术参数
2.2数控铣床的组成及工作原理
2.2.1数控铣床的组成
数控铣床主要由床身、铣头、纵向工作台、横向床鞍、升降台、电气控制系统等组成。
能够完成基本的铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环等工作,可加工各种形状复杂的凸轮、样板及模具零件等。
数控铣床的床身固定在底座上,用于安装和支承机床各部件,控制台上有彩色液晶显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。
纵向工作台、横向溜板安装在升降台上,通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动,完成X、Y、Z坐标的进给。
电器柜安装在床身立柱的后面,其中装有电器控制部分。
图2.1数控铣床
(1)输入装置
数控铣床运行按照程序的编程人员所编制的程序去顶,通常程序员将处理特定的格式或代码存储在载体上,然后通过输入设备输入到数控铣床的数控设备。
(2)数控装置
铣床的核心是数控装置,一般由输入、输出设备、、存储器、控制器、运算器、I/O接口等相关部分组成。
它将输入装置输入的数据,通过内部的控制电路、逻辑电路和控制器等进行编译,数学运算和处理后,然后输出指令和信号控制不同部分运动进行加工。
(3)伺服系统
伺服系统时实现机床轴运动(主轴、进给运动,位置控制等)的主要系统以位置为控制目标的自动控制系统。
接收数控装置输出的各种信号经过分配、放大和转换等功能,驱动各个运动部件,完成零件的切削加工。
它的伺服精度和动态响应是影响数控铣床的加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。
(4)位置检测反馈装置
位置检测、速度反馈装置根据系统需求确定移动部件的位置或速度不断转化为电信号传输到数控设备,数控设备将接收信号与目标信号相比、计算,然后不断地补偿控制驱动系统,以保证运动部件的运动精度。
(5)床身
数控铣床的床身主要由夹具、床身、导轨、立柱、T型槽、工作台等组成。
这些部分的设计和制造应具备结构先进、刚性好、制造精度高、工作可靠的优点,以此保证加工工件的高精度和高效率。
2.2.2数控铣床的工作原理
数控铣床是一种高度自动化的机床,是用数字化的信息来实现自动化控制的,将与加工零件有关的信息即工件与刀具相对运动轨迹尺寸参数(进给执行部件的进给尺寸)、铣削加工的工艺参数,以及各种辅助操作(主运动变速、刀具更换、切削液打开停止、工件加紧松开等)等加工信息——用一定的文字、数字和符号组成的代码,按规定的格式编写成加工程序单,将加工程序通过控制介质输入到数控装置中,由数控装置经过分析处理后,发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自行自动加工。
机床MT侧与CNC、PLC信号传输如图。
P
L
C
M
T
Y
C
N
C
G
X
F
MT与CNC、PLC信号传输
数控铣床工作过程
2.3数控铣床的伺服系统
2.3.1数控铣床伺服系统的基本概念及组成
一、伺服系统的基本概念
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统,主要是各坐标轴进给驱动的位置控制系统。
它可以接受来自CNC装置的进给脉冲,通过转换和放大从而驱动各坐标轴进行指令脉冲运动。
使得刀具相对于工件进行复杂的机械运动,进而加工出复杂的工件。
它是数控机床的重要组成部分。
二、伺服系统组成
一般由两个控制环组成的双闭环系统,内环是速度环,在速度环中用作速度反馈的检测为脉冲编码器、测速发电机等。
外环是位置环。
主要对机床运动坐标轴进行控制
三、伺服系统分类
按有无检测元件可分为开环、闭环、半闭环伺服驱动系统。
按执行元件可分为步进驱动系统、直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统。
按反馈比较控制方式分为脉冲(数字)比较伺服驱动系统、相位比较伺服驱动系统、幅值比较伺服驱动系统等分类方法。
2.3.2数控铣床对伺服系统要求
(1)精度高。
(2)稳定性好。
(3)快速响应。
(4)调节范围宽。
(5)低速大转矩。
第三章数控铣床伺服控制系统电气控制电路设计
3.1电源电路设计(D1)
电源电路如图3.1所示,其中电源供给380V50HZ的交流电;QF1为电源的总断路器,保护电源;QF2,QF3为主电机的驱动电源电路短路,过载保护;TC1是控制变压器,一次侧是AC380V,二次侧为AC220V,为接触器供给电源;VC1为电源开关,为伺服控制电源,机床I/O接口,CNC,中间继电器提供直流DC24V电源。
电源电路的设计主要是为整个电路提供短路和过载保护,另一方面是为伺服控制系统提供直流电源。
图3.1电源电路电气图
3.2伺服控制电路的设计(K1)
伺服控制电路如图3.2所示,K1为伺服交流接触器;TC1为伺服变压器,一次侧是三相AC380V,二次侧是三相AC200V;QM1伺服动力电源保护开关,它的辅助触点输入到PLC中做其状态信号;K2是伺服单元的接触器;Z1为灭弧器。
伺服单元中,外部24V直流稳压电源连接到X轴的CX19B,X轴的CX19A连接到Y轴的CX19B,Y轴的CX19A连接到Z轴的CX19B。
做伺服单元的控制电路的输入电源;CX29为主电源控制信号接口;CZ7-3为伺服电动机的动力接线口;JF1连接到相应的伺服电动机M1\M2\M3内装编码器的接口上,做X轴、Y轴、Z轴的速度和位置的反馈装置的信号控制;X轴伺服单元的伺服高速串行总线接口COP10A与Y轴的COP10B连接,Y轴的COP10A与Z轴的COP10B相连;CX30为急停信号接口;K2为急停继电器。
伺服控制电路的设计主要控制了X轴、Y轴、Z轴的进给和速度控制,控制了X轴、Y轴、Z轴的回参,快移等动作,整个伺服单元接通三相交流电源200V,50/60Hz。
图3.2伺服控制电路电气图
3.3强电控制电路的设计(M1)
强电控制电路如图3.3所示,当未压下急停按钮SB1或X/Z轴超程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4时,K2接通,打开电源钥匙开关SA1,接通中间接触器K1,AC220V上电,接通伺服动力电源接触器K1-K1,SB2、SB3为CNC接通/断开按钮,K3继电器控制CNC上电,通电顺序为先接通伺服单元,在接通CNC,断电顺序相反,Z1、Z2为灭弧器,强点控制电路的设计主要是控制伺服单元与CNC的连接以及CNC的起动/停止。
图3.3强电控制电路电气图
3.4PLC的I/O接口分配
本设计所采用的PLC属于单体控制系统,它没有其他特别的控制要求,一共有12个开关量,开关量输出触点数有2个,输入、输出触点共有12个,只需选用一般中小型可编程控制器即可。
3.4.1PLC输入电路的设计(M2)
PLC输出电路如图3.4所示,按下急停按钮时或超程时发出急停信号M1-K2,机床立即停止运动,SB5、SB6、SB7、SB8、SB9为进给点动和快移按钮,按下其中一个方向键时相应的轴拖板移动,同时按下快移键和一个方向键时轴拖板则快速移动。
SQ1、SQ2为基准点行程开关,伺服断路器K1-QM1的辅助触点接入PLC进行控制,PLC输入电路的设计主要是控制了伺服单元与PLC的连接以及PLC对机床X轴、Y轴、Z轴的点动和快移的信号控制。
图3.4PLC输入电路
3.4.2PLC输出电路的设计(M3)
PLC输出电路如图3.5所示,PLC输出信号主要有X轴、Y轴和Z轴的基准点灯的输出信号。
PLC的输出电路的设计主要是PLC和机床信号之间的相互转换以及相互控制。
图3.5PLC输出电路
第四章数控铣床伺服控制系统的电气元件选择
4.1接触器的选择
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