数控立式车床主轴控制装置设计电气自动化专业毕业论文设计.docx

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数控立式车床主轴控制装置设计电气自动化专业毕业论文设计

毕业设计（论文）

题目数控立式车床主轴控制装置设计

专业电气自动化技术

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学生姓名

指导教师

成绩

年月日

摘要

随着科学的发展，机床已经从过去的手动机床发展成自动机床，现在数控机床应用非常广泛。

数控立式车床是主要的数控产品，国内外需求量也非常大。

其高精度的关键部分就体现在主轴的控制上。

本设计是用德国SIEMENS公司的可编程控制器（PLC）S7-200，作为主控制器；德国SIEMENS公司的6RA7075直流调速器、Z4直流电机组成的直流调速装置，采用直流调速实现高效、准确的机床主轴控制，并给出了电气原理图以及操作说明。

本设计控制简单，实现功能强大，调速范围宽，力矩大，过载能力强。

可以应用于重型立式车床，提高重型立车主轴的控制精度，进而保证其加工精度。

关键词：

数控立车；直流调速装置；可编程控制器

Abstract

Withthedevelopmentofscience,machinetools,manualmachinetoolshavebeendevelopedfromthepastintotheautomaticmachinetools,CNCmachinetoolsarenowwidelyused.CNCverticallatheCNCproductsarethemajordomesticandforeigndemandisalsoverylarge.Akeypartofitsprecisionisreflectedinthecontrolofthespindle.ThisdesignistheGermancompanySIEMENSPLCS7-200,asthemaincontroller;GermancompanySIEMENS6RA7075DCconverter,Z4DCmotorcomprisingDCconverter,DCspeedcontrolforefficientandaccuratemachinetoolsofvariousspindlecontrol,andgivestheelectricaldiagramsandinstructions.Thedesignofsimplecontrol,toachievepowerful,widespeedrange,torque,strongoverloadcapacity.Canbeappliedtoheavy-dutyverticallathes,heavydutyverticallathespindletoimprovethecontrolprecision,andthusguaranteeitsaccuracy.

Keywords:

CNCVerticalLathe;DCconverter;ProgrammableController

第一章绪论

1课题背景

数控技术被广泛用于世界各国制造业，以提高制造能力和生产水平，提高对动态多变市场的竞争力和适应力。

数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。

数控立车是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。

主轴控制是数控立车构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。

机床主轴控制从手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，从有触点的继电－接触器控制系统发展到以计算机为核心的软件控制系统，机床主轴控制技术是随着元器件的不断更新和计算机技术的发展，并且综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等先进科技成果而迅速发展起来的。

2数控立车主轴控制装置的发展现状

数控机床的主轴控制装置主要是由控制系统和调速装置这两大部分组成。

数控机床是制造装备的装备，被称为“工作母机”；数控系统是数控机床的“大脑”，是数控机床的核心,机床的各种功能都由数控系统来控制实现。

随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了本质性的变革，所有工业发达国家都投入巨资，对现代制造技术进行研究、开发，并提出了新的制造模式。

在现代制造系统中，关键技术是数控技术，它将计算机、微电子、自动检测、信息处理、自动控制等高新技术集成于一体，具有高效率、高精度、柔性自动化等特点。

对制造业实现柔性自动化、智能化、集成化起着举足轻重的作用。

目前，数控技术正在发生重大性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。

在集成化基础上，数控系统实现了超小型化、超薄型；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、神经网络、模糊控制等多学科技术，数控系统实现了高精、高效、高速控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理

。

近几年来，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，为交流调速技术的发展创造了有利条件,使交流电动机调速和控制提高到了一个新的水平。

并且国内外都十分重视开发研究交流电动机的调速技术。

大功率交流传动控制方面的研究，得到突飞猛进的发展。

近来来，国际上又推出谐振式逆变器，使开关元件在零电流或零电压时导通或者关断，降低开头损耗，减小回路体积。

这种电源最大已达到100KW。

由于直流调速具有优越性的可控性能,及高性能调速特性,因此其广泛地应用于机床主轴，尤其在大型、重型机床主轴的拖动。

直流调速具有调速平滑,方便,易于在大范围内平滑调速,过载能力大,能受频繁的冲击负载,可实现频繁无级快速起制动和反转。

能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。

所以,直流调速系统至今仍被广泛用于自动控制要求较高的各种生产部门,是调速系统的主要形式

。

3课题研究的主要内容

本课题要求设计数控立车主轴控制装置，来实现主轴速度的精确控制。

主轴控制设有手动和自动（程序实现）两种控制方式。

手动操作设有主轴正反转的启动、停止、点动、长动。

并设有急停按钮。

主轴的转速控制，采用直流调速装置与PLC相配合。

在600—3000r/min范围内连续可调。

绘出了控制电源原理图，调速装置连接原理图，可编程控制器接口原理图，操作面板接线图等。

第二章数控立车主轴控制装置硬件设计

数控立车的主轴控制中，主要是主轴电机速度的控制方式，控制电机速度的变化有多的方式，下面说明两种常用的调速方案，并将其进行对比，则其优，作为本次设计的调速方案。

2.1方案选择

1方案二交流调速

交流电动机变压变频调速系统中所配备的静止式变压变频主要由主电路和控制回路两部分组成。

对于异步电动机来说目前工业生产中所使用的变频器可分为交—直—交电压源型SPWM变频器和交—直—交电流源型SPWM变频器两种，而工业中应用最多、最广泛的变频器是交—直—交电压源型SPWM变频器。

其主电路用不可控整流、用SPWM逆变器，其输出电压波形接近正弦波。

如图2-1所示变频器主电路中的中间直流环节是采用大电容滤波，。

由于采用了SPWM控制，因而使其输出电压波形接近于正弦波型。

电压源型变压变频调速系统主电路有两个功率变换环节构成，及整流桥和逆变桥，整流桥是由二极管组成的三相桥式不可控电路。

调压与调频通过逆变器来完成，其给定值来源于同一个给定环节。

图2-1电压源型变频器主电路及SPWM控制框图

该系统用SPWM控制技术实现变压变频控制，通过改变IGBT的占空比（脉冲宽度）来控制交流电压逆变器输出的大小，从而改变电机转速。

而输出频率通过控制逆变桥的工作周期就可以实现。

交流调速，价格低，维护简单，维护成本低。

交流变频调速就可以了，已经得到迅猛的发展其应用范围越来越广泛

。

2方案二直流调速

随着计算机技术快速发展，数字控制系统在逐渐地取代过去的模拟控制系统。

带有微型计算机的全数字直流调速装置中,在不改变硬件，或者改动很少的情况下,依靠软件支持,就可以方便地实现各种调节和控制功能，所以，通用全数字直流调速装置的应用灵活性和可靠性就明显优于模拟控制系统。

目前，以德国SIEMENS公司的6RA70系列通用全数字直流调速装置在中国的应用最为广泛。

直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速

。

直流调速装置采用德国SIEMENS的6RA70直流调速装置来控制直流电机调速，而调速方式又分为改变电枢端电压调速和改变磁通调速。

直流电动机采用他励励磁方式。

他励直流电动机电路原理图如图2-2所示，图中电枢回路串接附加电阻

，电枢内阻Ra，此时电枢回路总电阻

.

图2-2他励直流电动机电路原理图

由图2-2可知，直流电动机的电压平衡方程式为

（2-1）

式中U为电源电压，单位V；R是电枢回路总电阻，单位

。

由电压平衡方程式和感应电动势公式，就可以得到直流电动机的转速特性

有电磁转矩方程式

带入转速特性方程，即得到机械特性方程式

（2-2）

由电压平衡方程式（2-1）可知

（

）

=（U-

）-

=

（2-3）式中Ua=U-

为电枢的端电压。

当

=0或

=0时，Ua=U

由式（2-3）和电动势公式

，可得转速公式

（2-4）

根据转速公式（2-4），改变电枢端电压调速是保持磁通

不变，改变电动机的电枢电压U，则理想空载转速n随电枢电压而变化，而机械特性斜率保持不变；改变磁通调速就是保持电枢电压U不变，减弱磁通则理想空载转速n随着磁通的减弱而增加，同时机械特性的斜率也增加。

2.2方案选择

本设计是设计重型立车的主轴控制装置，工作台负载上限250t，主轴带动工作台工作，而工作台的速度范围大概在10~60r/min,对应电动机转速600~3000r/min，低速大转矩，要求高精度，速度控制精确；由于在加工时零件重量不定，需要具有一定的过负载能力。

根据两种方案的优缺点比较，选择第二种直流调速方案。

本设计选用德国SIEMENS公司的6RA70直流调速装置，可实现调压电枢电压和磁通配合调速。

在额定功率以下，通过改变直流电机的电枢电压来改变电机的速度；额定功率以上用弱磁调速；交流电源进入6RA70后整流出直流，电机电压和励磁电压是分开进入6RA70，经过整流变压后进入直流电机和励磁。

并且6RA70内部即可实现大部分数控机床所进行的操作。

直流电机调速中电枢电压调速比较普遍，最大的优点不会像交流调速那样产生逆变磁场对外围发出干扰。

直流电机能量密度大，调速容易且调速范围宽，力矩大，过载能力非常好，机械特性硬。

直流调速精度高，效率也高，节能效果也好，但是需要定期维护

。

2.3可编程序控制器接口设计

1可编程控制器的选择

现在的数控机床是用数控系统（是一个集成所有数控系统元件—数字控制器、可编程控制器、人机操作界面，于一体的操作面板安装形式的控制系统）来控制整个机床的运行的。

数控系统中使用较普遍的有德国的SIEMENS，日本的FANUC，还有中国的华中科技。

其中德国SIEMENS的数控系统性价比较高，并且其数控核心的可编程控制器应用也很普遍。

数控系统SIEMENS802D是其早期研制出的数控系统，应用于各种型号机床，操作简单，功能容易实现。

SIEMENS802D内部可编程控制器为SIEMENS生产的S7-200，由于本设计只是数控立车电气总设计的一部分所以不选用数控系统，而只选用其内部可编程控制器—S7-200。

S7-200PLC属于S7-200/300/400家族中功能最精简、I/O点数最少、扩展性能最低的PLC产品，可以称为微型PLC系列产品。

产品可以用于输入/输出点数较少的小型机械与设备的单机控制。

而本设计所需输入输出点数并不是很多，不需要扩展，所以选用S7-200.能够满足本设计。

新系列S7-200的性能有如下提高：

1CPU的运算速度提高了40%；

2增加了CPU诊断状态指示；

3增加了存储器卡扩展功能；

4增加了在线编程功能；

5脉冲输出指令增加了线性（斜坡）给定功能；

6提高了PID调节、参数自动整定功能；

7增加了数据记录功能，可以实时记录PLC的运行状态信息（此功能需要存储卡的支持）

；

S7-200.PLC包括了CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226五种规格，其中CPU221为整体式固定I/O型结构，PLC的I/O点数固定为6/4点，处理器、存储器、电源、输入输出接口、通信接口都安在模块上，I/O点数不能改变，且无I/O扩展模块接口。

其余四种型号均可加扩展结构。

表1.S7-200PLC各种型号的电源与集成I/O规格

项目

AC、DC电源型

CPU221

CPU222

CPU224

CPU224XP

CPU226

CPU集成输入点

6

8

14

14

24

输入信号电压

DC24V，允许范围DC15V—30V

输入信号电流

4mA/DC24V

CPU集成输出点

4

6

10

10

16

输出类型

继电器输出

输出电压

AC：

5—250V；DC：

5—30V

最大输出电流

2A/点；公共端

10A

用户程序存储器容量

4KB

4KB

8KB

12KB

16KB

数据存储器容量

2KB

2KB

8KB

10KB

10KB

本设计所需输入点9个，输出点7个，所编程序不是很多，8KB足够，所以根据表格里的数据选择CPU224.输入电源采用DC24V，输出电源采用AC220V。

2可编程控制器接口电路的设计及其功能

PLCS7-200CPU224是14入、10出。

本设计输入用9个，输出用7个。

输入用按钮开关作为控制信号的给定；输出用继电器作为控制使能，继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

当PLC输出口闭合时，继电器线圈两端加上一定的电压或电流，线圈产生的磁通通过铁心、衔铁、轭铁、磁路工作气隙组成的磁路，在磁场的作用下，衔铁吸向铁心极面，从而推动触点常闭触点断开，常开触点闭合；当PLC输出口断开时，刚好相反动作，用这种方式控制另一个电路的关闭。

PLC输入电源用的是DC24V，而一般工业用电为三相交流电AC380V，所以用SIEMENS的SITOP电源整流变压后供应。

其输出电压24V，电流280mA。

SITOP的供电电源为三相380V交流电，输出端24为输出，另一端接到直流地01上，PE则接到

地线上。

图2-3SIEMENS的SITOP电源接线图

24V电源作为PLC的输入电源，与PLC输入端L+相连接。

PLC输出端口供电电源为AC220V，也也才用了隔离。

按钮SB1为起动按钮，通过直流调速装置电枢电压和励磁电压给电，来控制直流电机的启动；按钮SB2，为停止按钮，控制主轴停止运行；按钮SB3、4作为主轴正反转按钮，通过改变励磁电流的方向，控制直流电机的正转反转；按钮SB5是点动运行，点动时按照固定速度运行，此速度不可改变；按钮SB6为手、自动切换开关，将旋钮旋道自动操作，运行动作、速度由程序给定，将旋钮旋到手动操作，可以进行主轴正反转、点动、调速等等；按钮SB7、8为升速、降速按钮，当处于自动时，可以根据需要调节主轴速度，按下升速按钮，主轴速度上升，按下降速按钮，主轴速度下降。

图2-4PLCS7-200接口图

2.4数控立车主轴速度控制装置设计

1主轴电机的选择

本次设计的重型数控立车，工作台所带动的最大重量为50t，设计采用了直流调速装置，并选用Z4系列直流电机。

Z4系列直流电机比Z2、Z3系列具有更大的优越性，它不仅可用直流机组电源供电，更适用于静止整流电源供电。

并且转动惯量小，具有较好的动态性能，并能承受较高的负载变化率，特别适用于需要平滑调速、效率高、自动稳速、反应灵敏的控制系统，具有当今国际先进水平。

Z4系列直流电动机采用八角形全叠片结构，空间利用率高。

当采用静止整流器供电时，能承受住脉动电流和快速的负载电流变化。

Z4系列直流电动机一般不带串励绕组，适用于需要正、反转的自动控制技术。

根据用户需要也能制成带串励绕组。

中心高100～280mm的电动机无补偿绕组，但中心高250mm、280mm的电动机根据具体情况和需要可以制成带补偿绕组，中心高315～450mm的电动机带有补偿绕组

。

根据需要，本设计选用Z4-250直流电机，功率75KW，电枢电流197A，额定电压400V，励磁电压310V。

+Z4直流电机自带风机，而Z4后面的数字代表表示电机中心高（mm），也确定了风机的功率、风量。

功率3kw，风量3000

/h。

Z4-250直流电机自带测速机，所以本设计主电机测速用测速电机而不用编码器。

测速电机简单地说就是将直流电机的动能化为电能。

因为测速发电机的磁路和绕组都是经过特殊设计的，所以其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn，其中K是常数。

当改变电机的方向时，测速电机输出电动势的正负也会有相应的改变。

将测速发电机和被测机构同轴联接，只要检测输出电动势的大小、方向，就可获得被测机构的转速、方向，所以又称速度传感器。

测速发电机的输出电动势具有斜率高、特性成线性、无信号区小或剩余电压小、正转和反转时输出电压不对称度小、对温度敏感低等特点。

2数控立车主轴控制装置设计

数控立车主轴速度控制装置主要是由SIEMENS公司的PLCS7-200、6RA70数字直流调速装置和Z4直流电机组成；PLC用于使能控制，而功能实现则是通过6RA70控制直流电机实现。

6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器为全数字紧凑型整流器，输入为三相交流电源，可向变速直流驱动用的电枢和励磁供电，额定的电枢电流从15至2200。

紧凑型整流器可用于并联使用，提供高电流至12000A，励磁电路可以提供最大最大电流是85A（此电流只取决于电枢的额定电流）。

6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器以其节省空间的结构和紧凑排列顺序为特色，由于各个的部件容易接近，它紧凑式的设计使他们更加容易维护和保养，电子板箱里包含了电子板和其他任何附加板。

所有SIMOREGDCMASTER装置都会配备一个简易操作面板PMU，可以将其安装在整流器门上的，PMU是由一个5位，7段显示，有三个作为状态显示的LED和三个用于调整参数的设置键组成。

PMU还具有根据RS232或RS485标准同USS接口的连接器X300。

PMU提供了启动整流器所需进行的调整和设定及测量值显示的所有工具。

电枢和励磁的供电频率可以不相同（在45～65Hz范围之内）。

电枢回路的供电相序不要求

。

根据直流电机的铭牌来选择6RA70的型号，本设计选用Z4-250直流电机，功率75KW，电枢电流197A，额定电压400V，励磁电压310V。

根据以上参数选择直流调速装置型号为6RA7075：

整流器为3AC400V210A~600A1Q（即电枢由一套（六个可控硅）整流装置提供电源。

这种方式只能通过改变磁场极性来改变旋转方向）;电枢额定电压3AC400V（+15%/~20%），励磁额定电压2AC400V（+15%/~20%），额定直流电压485V，额定直流电流210A，额定输出功率102KW，励磁额定直流电压

325V。

端子1U、1V、1W是电枢电源输入；端子3U、3W是励磁电源输入。

为了保护设备，在电枢电源和励磁电源进入直流调速装置千要加上熔断器（FU1、FU3），起到过载保护的作用，而熔断器的额定电流要比设备的额定电流至少高出1.2倍。

5U1、5W1为电压400V进线端子，进线电压范围380V~460V，用于电子板供电。

图2-5电枢电源、电子版电源、励磁电源接线图

在大功率电力电子电路中，合闸瞬间，往往会产生一个很大的冲击电流（浪涌电流），浪涌电流虽然作用时间短，但峰值却很大。

开机浪涌电流往往超过正常工作电流的100倍以上。

在输入侧串接电抗器（L90、L91），能有效的抑制这种浪涌电流。

合闸瞬间，电抗器呈高阻态（相当于开路）

。

负荷开关是可分为高压负荷开关和低压负荷开关，低压开关有自灭弧功能，但它的开断容量很小、很有限，所以选择的时候都用高压负荷开关，不仅有自灭弧功能，开断容量很大。

高压负荷开关（QF91）的工作原理与断路器相似。

一般装有简单的灭弧装置，但其结构比较简单。

由于负荷开关不能开断短路电流，故常与限流式高压熔断器组合在一起使用，利用限流熔断器的限流功能，不仅完成开断电路的任务并且可显著减轻短路电流所引起的热和电动力的作用。

CUD1是6RA70的电子板，上面有各种端子：

端子X174中的X174.1、X174.2分别为数字地和内部电源端，X174.4、X174.5主给定正负极，将电位器接于这次口用于调速。

图2-6电位器接线图

当改变X174.2、X174.4之间的电压时，端子X174.4和X174.5内部连接于模拟量K11，可以利用K11进行给定的变换和处理，把最终的处理好的给定给到速度环的电压给定，电压给定与测速电机的反馈回来的电压信号相比较，比较后进入比例放大。

最终进入UPE来改变输出的电枢电压。

1D1、1C1用于连接直流电机，直流电机与端子之间加熔断器，端子103、104是测速电机连接端，103是电压输入（8V~270V），104是模拟量地。

其测出的电压反馈回到速度环，进行调速。

图2-7直流电机与测速电机接线图

端子X175中的14、15为模拟量电压输出端，X175.14为电压端，X175.15为模拟地，两接口接一个带正负的电压显示器，此接口出来的电压是测速机电压，转化成速度后，可知电机的实时速度。

开关量控制输入端组X171，X171.34为内部电源输出端DC24V，为端子X171.36、X171.37、X171.38、X171.39供电；X171.35数字地；X171.36、X171.39为可设置开关量1、2，由端子X171.36、X171.39用高低电平可组成四种状态，由继电器KA3、KA4的关断控制高低电平，端子X174.36和X174.39输出电平为00，转速为0；电平为10时为正转；电平为01时为反转；电平为11时正转反转由实际给定值决定。

端子37为电源的合闸/分闸，高电平信号时为合闸，进线接触器闭合，按照斜坡发生器的斜率加速至运行速度，低电平信号时为分闸，按照斜坡发生器的斜率减速0，进线接触器断开；端子X171.38为运行使能，高电平信号为调节器使能，低电平信号为调节器禁止。

图2-8直流调速装置开关量接口图

由于开关量端子不够所以需要加一块扩展电子板CUD2，在CUD2中开关量端子组是X163，其中X163.44是内部电源输出端，X163.45是数字地；X163.40、X163.41、X163.42、X163.43为可设置输入开关量3、4、5、6；与端子X163.42连接的继电器KA7为点动使能，速度已经给定，当处于手动状态，X163.42为高电平时，主电机按给定速度运行，速度不可