学士学位论文教学型数控车床电气设计机电一体化.docx

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学士学位论文教学型数控车床电气设计机电一体化

“中央广播电视大学人才培养模式改革和开放教育”机电一体化专业专科毕业论文（设计）

论文题目：

教学型数控车床电气设计

学校名称：

呼和浩特市广播电视大学

指导教师：

康俐

学生姓名：

梁志军

学号：

1115001250320

专业：

机电一体化

入学时间：

呼和浩特市广播电视大学毕业设计（论文）开题报告表

课题名称

教学型数控车床电气设计

课题来源

现场

课题类型

导师

康莉

学生姓名

梁志军

学号

专业

机电一体化

一.选题背景及意义

数控技术是以数字量编程实现控制机械或其他设备自动工作的技术。

如果一种设备的控制过程是以数字形式来描述的，其工作过程是可编程序的并能在程序控制下自动进行，那么这种设备就称为数控设备。

作者根据数控工作要求编制数控程序，并将数控程序记录在控制介质上。

数控程序经数控设备的输入接口输入数字控设备，控制系统按程序控制设备完成工作任务。

数控机床是典型的数控设备，它的生产和发展是数控技术产生和发展的重要标志。

数控技术是以数字量编程实现控制机械或其他设备自动工作的技术。

当前，社会经济也科学技术的发展与竞争，使机械产品趋精密、复杂，而且产品的生命周期缩短，改型频繁。

这不仅对机床设备提出精度与效率的要求，也提出了通用性与灵活性的要求。

特别是航空、造船、武器、模具生产等工业部门，所加工零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。

使用普通机床加工这类零件，不仅劳动强度大、生产效率低，而且还难以保证精度，有些零件甚至无法加工。

机床数控系统的出现较好的解决了复杂、精密、多变的零件加工问题，它是机床控制技术的一个重要发展方向。

随着电子、自动化、计算机、精密机械、测量及人工智能技术的发展，机床的数控系统也在迅速发展和演变，以适应社会生产的需要。

二.设计目的

本方案用于实验所需的数控机床。

主要用于学校、工厂、以及科研所用，可用于数控机床，数控编程，数控原理实验与培训。

本课题是要求在指导的情况下通过查阅相关的内容的资料并进行总体方案的设计（包括机械总体结构，电气控制系统总体结构和控制软件总体结构设计）进而最终完成适合实验使用的数控机床。

三.基本要求

1．掌握数控车床的设计方法；

2．掌握装配图的画法；

3．了解数控机床的基本工作原理；

4．掌握各种元器件的选用方法；

5.熟悉机床常用控制电路的结构、工作原理及用途，并能正确选用；

6.熟悉机床控制电路的基本环节及其应用和分析方法。

四.设计内容

教学型数控车床是针对数控技术课程实验和数控加工实训所开发研制的，本课题要求设计教学型数控车床；本文要求完成教学型数控车床的电气部分的设计。

1．确定电力设备的拖动方案并选择电动机；

2．设计电气控制电路；

3．选择各种控制电器；

4．施工设计——确定电气设备的布局，绘制安装接线图等。

五.技术路线及方法

1.完成原理分析与设计说明书；

2.完成电气原理图；

3.完成主要电器元件组装图；

4.元件明细表；

六.主要内容细化

1.电气元件的具体选择方法

（1）接触器的选择

（a）接触器按其主触点通过电流的种类不同，分为直流、交流两种，机床上应用最多的是交流接触器。

（b）根据接触器所控制负载的为一般任务（控制中小功率笼型电动机等），选用AC3类接触器。

（c）交流接触器的额定电压一般为500V或380V两种，应大于或等于负载电路的电压。

（d）根据电动机的功率和操作情况来确定接触器主触点的电流等级。

（e）接触器线圈的电流种类和电压等级应与控制电路相同。

（f）触电数量和种类应满足电路和控制电路的要求。

（2）继电器的选择

（a）在机床电气控制系统中，用得较多的电流继电器有JL14、JL15、JL3等型号，主要根据主电路内的电流种类和额定电流来选择。

（b）在机床电气控制系统中，常用的有JT3、JT4型号的电压继电器。

（c）中间继电器主要依据被控制电路的电压等级，触电数量、种类及容量来选用。

（3）直流稳压电源的选择

选择电源时需要考虑的问题主要有：

电源的输出功率输出路数；电源的尺寸；电源安装方式和安装孔位；电源的冷却方式；电源在系统中的位置及走线；环境温度；绝缘强度；电磁兼容性；环境条件。

（4）控制变压器的选择

（a）在选用控制变压器时，首先应满足副边线圈的个数和电压值以及原边电源电压的数值。

（b）在继电器—接触器控制电路中，控制变压器的负载，主要是交流接触器和继电器的吸引线圈,它们的启动电流一般要比吸持电流大几倍，一般情况下，可将副边连续负载的总量，乘以1.2～1.5的系数，选用额定容量大于或等于这个数值的控制变压器即可。

2.电气原理图分析的方法与步骤

电气控制电路一般由主电路、控制电路和辅助电路等部分组成。

了解电气控制系统的总体结构、电动机和电气元件的分布状况及控制要求等内容之后，便可以阅读分析电气原理图。

（1）分析主回路。

从主回路入手，要根据伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求，分析它们的控制内容，控制内容包括启动、方向控制、调速和制动。

（2）分析控制电路。

根据主回路中各伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求，逐一找出控制电路中的控制环节，按功能不同划分成若干个局部控制线路来进行分析而分析控制电路的最基本方法是查线读图法。

（3）分析辅助电路。

辅助电路包括电源显示、工作状态显示、照明和故障报警等部分，它们大多由控制电路中的元件来控制的，所以在分析时，还要回头来对照控制电路进行分析。

（4）分析互锁与保护环节。

机床对于安全性和可靠性有很高的要求，实现这些要求，除了合理地选择元件和控制方案外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气互锁。

（5）总体检查。

经过“化整为零”，逐步分析了每一个局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系之后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，看是否存在遗漏，特别要从整体的角度去进一步检查和理解各控制环节之间的联系，理解电路中每个元器件所起的作用。

七.重点研究问题

1.数控车床的伺服驱动元件的选择

2.数控车床的主轴驱动元件的选择

3.数控系统的选择

4.接口电路的设计

八.条件因素

认真做好毕业设计，必须按计划执行，必须按老师要求去做，按时出勤，面对困难要积极应对，向老师积极答辩。

指导教师意见

签名：

年月日

论文目录

一、绪论

（一）机床电气自动控制系统

机床要运行，一是需要动力，二是需要控制。

现代机床的动力主要是由电动机来提供的，即由电动机来拖动机床的主轴和进给系统。

机床的控制任务是实现对主轴转速和进给量的控制，有时还要完成诸如各种保护、冷却、照明等系统的控制。

机床的电气控制系统就是用电气手段为机床提供动力，并实现上述控制任务的系统。

1．电气控制系统的组成

电气自动控制对于现代机床、其他机械设备及生产过程，有着及其主要的作用。

通常，电气控制系统主要包括以下三个主要环节。

（1）动力部分：

是整个系统的电源供给环节，是整个系统的主干，是电能转换为其他能量的通道部件，包括动力电源开关、电气控制部件、电动机等。

（2）生产过程自动控制部件：

是生产过程自动化的核心，也是间接控制、指挥动力电器及系统工作的部件，包括继电器和各种控制仪表、智能仪表等。

（3）传动装置：

是生产机械的连接及传动环节，位于电动机和工作机械之间，如减速箱、皮带、联轴器等。

2．机床电力拖动自动控制系统

生产机械一般是由三个基本部分组成的，即工作机构、传动机构和原动机。

当原动机为电动机时，也就是说由电动机通过传动机构带动工作机构进行工作时，这种拖动方式就称为电力拖动。

电力拖动系统主要分为直流拖动和交流拖动两大类，直流拖动是以直流电动机为动力，交流拖动是以交流电动机为动力。

（二）机床电气自动控制系统的作用及发展趋势

1．机床电气自动控制系统的作用

过去，生产机械由工作机构、传动机构、原动机三部分组成。

自从电气元件与计算机应用在机械上后，现代化生产机械已包含第四个组成部分：

以电气为主的自动控制系统，它使机器的性能不断提高，使工作机构、传动机构的结构大为简化。

机床经过一百多年的发展，机构不断改进，性能不断提高，在很大程度上取决于电力拖动与电气系统的更新。

电力拖动在速度调节方面具有无可比拟的优越性和发展前途，采用直流或交流无级调速电动机驱动机床，使机构复杂的变速箱变的十分简单，简化了机床机构，提高了效率和刚度，也提高了精度。

现代化机床在电气自动控制方面综合应用了许多先进的科学技术成果，如计算技术、电子技术、自动控制理论、精密测量技术、传感技术等，特别是当今信息时代，微型计算机已广泛应用于各行各业，机床是最早应用电子计算机的设备之一，早在20世纪40年代末期，电子计算机与机床有机的结合产生了新型机床——数控机床，选择价廉可靠地微机在机床行业中的应用日益广泛，由微机控制的数控机床与数显装置越来越多地在中国各类工厂中获得使用和推广。

这些新的科学技术的应用，使机床电气设备不断实现现代化，从而提高了机床自动化程度和机床加工效率，扩大了工艺范围，缩短了新产品试制周期，加速产品更新换代。

现代化机床还可提高产品加工质量，减少工人劳动强度，降低产品成本等。

近20年来出现的各种机电一体化产品、数控机床、机器人、柔性制造单元及系统等均是机床电气设备实现现代化的成果，总之，电气自动控制在机床中占有及其重要的地位。

2．机床电气自动控制系统的发展

在机床电气自动控制方面，最初采用手动控制，如少数容量小、动作单一的机床（小型台钻、砂轮机等），使用手动直接控制。

后来由于切削工具、机床结构的改进、切削功率的增大，机床运动的增多，手动控制已不能满足要求，于是出现了以继电器、接触器为主的控制电路所组成的控制装置和控制系统；这种控制系统，可实现对机床的各种运动的控制，如启停、反转、改变速度等的控制。

它们的控制方法简单直接、工作稳定可靠、成本低，使机床自动化向前迈进了一大步。

近年来，可编程控制器（PLC）在工业过程自动化系统中应用日益广泛。

可编程控制器是以硬接线的继电器接触器控制为基础的，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、联网通信等功能的控制装置。

可编程控制器及有关外部设备，都按既易于与工业控制系统连成一整体，又易于扩充其功能的原则设计。

可编程控制器将成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。

在一般数控机床的基础上，近年来加工中心机床（MC）有了很大发展它可以自动选刀、换刀，自动连续地对各个加工面完成铣削、镗削、铰孔及攻螺纹等多工序加工。

改变了过去一小批量生产中一人、一机、以刀的局面，而把许多相关的分散工序集中在一起，形成一个以工件为中心的多工序自动加工机床。

随着微电子技术的发展，由小型或微型计算机再加上通用或专用大规模集成电路组成的计算机数控装置（CNC）性能更为完善，几乎所有的机床品种都实现了数控化。

自20世纪70年代以来，电气控制相继出现了直接数字控制（DDC）系统，柔性制造系统（FMS），计算机集成制造系统（CIMS），综合运用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、智能机器人、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统等多项高技术，形成了从产品设计与制造和生产管理的智能化生产地完整体系，将自动制造技术推进到更高的水平。

二、车床电气设计的一般原则

（一）机床电气设计的基本内容

在生产实际中，无论是批量生产地机械装备，还是在老设备上进行技术改造，或是用动力部件组合成的专用机床，在进行机械设计的同时，都必须进行相应的电气设计。

通常，机床电气设计的基本内容应包括：

1．拟定电气设计的技术条件（任务书）；

2．选择并确定电气传动形式与控制方案；

3．根据拖动方案选择电动机；

4．设计电气控制原理图；

5．选择各种电气元件，制定电机和电气元件明细表；

6．画出电动机、执行电磁铁、电气控制部件以及检测元件的总布置图；

7．设计电器柜、操作台、电气安装板以及非标准电器和专用安装零件；

8．施工设计——确定电气设备的布局，绘制安装接线图等；

9．编写设计计算说明书和使用说明书。

根据机械设备的总体技术要求和大气系统的复杂程度不同，以上步骤可以有增有减，某些图纸和技术文件也可适当合并或增减。

（二）机床电气设计的基本要求

1．熟悉所设计的机械设备的总体技术要求及工作过程。

弄清其他系统对

电气控制系统的技术要求；

2．了解所设计机械设备的现场工作条件、电源及测量仪表种类等情况；

3．依据总体技术要求，通过技术经济分析，选择出最佳的传动方案和控制

方案；

4．设计机构简单、技术先进、工作可靠、维护方便、经济耐用的大气控制

电路，进行模拟试验，验证其能满足所设计机床的工艺要求；

5．保证使用安全，贯彻最新的国家标准。

（三）电气设计的技术条件

电气设计的技术条件通常是以设计技术任务书的形式表达的，它是整个电气设计的依据。

在任务书中，除了简要说明所设计的机械设备的型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数以及现场工作条件外还必须说明以下内容：

1．用户供电电网的种类（直流或交流）、电压、频率及容量；

2．有关电气传动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速范围和平滑性，电动机的起动、反向和制动的要求等；

3．有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式，自动工作循环的组成，自动控制的动作程序，电气保护及联锁条件等；

4．有关操作方面的要求，如操作台的布置，操作按钮的设置和作用，测量仪表的种类以及显示、报警和照明要求等；

5．机械设备主要电气设备（如电动机、执行电器和行程开关等）的布置草图。

电气设计的技术条件，是由参与设计的各方面人员根据所设计机械设备的总体技术要求共同讨论拟定的。

（四）电气控制电路的设计原则

1．最大限度地实现机械设计和工艺的要求；

数控机床是机电一体化产品，数控机床的主轴、进给轴伺服控制系统

绝大多数是机电式的，其输出都包含有某种类型的机械环节和元件，它们是控制系统的重要组成部分，其性能直接影响数控机床的品质。

2．保证数控机床能稳定、可靠地运行；

数控机床运行的稳定性、可靠性在某种程度上决定于电气控制部分的

稳定性、可靠性。

数控机床在加工车间，其使用的条件、环境比较恶劣，极易造成数控系统的故障。

尤其在工业现场，因各种设备产生的电磁干扰，造成电磁环境恶劣，所以就要求数控系统对电磁干扰应有足够的抗干扰水平，否则设备就无法正常运行。

3．便于组织生产、降低生产成本、保证产品质量；

电气控制电路设计时就应该充分考虑元器件的品质、供应，并便于安

装、调试和维修，以便于保证产品质量和组织生产。

4．安全。

三、电气传动形式与控制方案的确定

（一）电气传动形式的确定

电气传动形式的选择是电气设计的主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。

1．传动方式

（1）单电机拖动。

用一台电动机拖动一台生产机械，通过机械传动链将动力传送到每个工作机构。

当一台生产机械的运动部件较多时，这种拖动方式的机械传动机构十分复杂。

（2）多电机拖动。

一台设备由多台电动机分别驱动各个工作机构。

例如，数控机床，除必需的内在联系外，主轴、每个刀架、工作台及其他辅助运动机构，都分别由单独的电动机驱动。

这种拖动方式不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以，现代化机电传动基本上均采用这种拖动形式。

2．调速性能

金属切削机床的主运动和进给运动，起吊设备、机械手的某些运动机构，以及要求具有快速平稳的动态性能和准确定位的设备（如龙门刨床、镗床、数控机床等），都要求一定的调速范围。

为了达到一定的调速范围，可采用齿轮变速箱、液压调速装置、双速或多速电动机以及电气的无级调速传动方案。

在选择调速方案时，可参考以下几点：

（1）重型或大型设备。

主运动及进给运动，应尽可能采用无级调速。

这有利于简化机械结构，缩小齿轮箱体积，降低制造成本，提高机床利用率。

（2）精密机械设备。

坐标镗床、精密磨床、数控机床以及某些精密机械手，为了保证加工精度和动作的准确性，便于自动控制，也应采取电气的无级调速传动方案。

3．负载特性

不同机械设备的各个工作机构，具有各部相

同的负载特性

；

。

例如，一般机床的主运动为恒功率负载，而进给运动为恒转矩负载。

在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速特性与负载特性相适应，以求得电动机充分合理的应用。

例如△/YY双速鼠笼式异步电动机，当定子绕组由三角形连接改成双星形连接时，转速增加一倍，功率却增加很少，因此它适用于恒功率传动。

而Y/YY双速鼠笼式异步电动机，对于低速为星形连接改接成高速为双星形连接后，转速和功率都增加一倍，而电动机所输出的转矩却保持不变，适用于恒转矩传动。

4．起动、制动和反向要求

一般说来，由电动机完成机床的起动、制动和反向要比机械方法简单、容易，因此机床主轴的起动、停止、正反转运动和调速操作，只要条件允许最好由电动机完成。

机床主运动传动系统的起动转矩一般都比较小，因此，原则上可采用任何一种起动方式。

对于机床的辅助运动，在起动时往往要克服较大的静转矩，所以在必要时也可选用高起动转矩的电动机，或采用提高起动转矩的措施。

另外，还要考虑电网容量。

对于电网容量不大而起动电流较大的电动机一定要采取限制起动电流的措施，如在定子电路中串入电阻或电抗降压起动等，以免电网电压波动较大而造成事故。

电动机的频繁起动、制动或反向会使过度过程中的能量损耗增加，导致电动机过热。

因此，在这种情况下，必须限制电动机的起动或制动电流，或者在选择电动机的类型时加以考虑。

5．结构要求

电动机的结构形式应当适应机械结构的要求。

应用凸缘或内联式电动机可以在一定程度上改善机械结构。

考虑到现场环境，可选用防护式、封闭式、防腐式甚至是防爆式的电动机结构形式。

（二）控制方案的确定

随着近代电子技术、计算技术、自动控制、精密测量以及机械机构与工艺的发展，机床等各种机械设备的控制方式发生了深刻的变革。

各种新型控制系统不断出现，可供选择的控制方案也越来越多。

因此，合理选择电气控制方案是简便、可靠、经济地实现工艺要求的重要步骤。

控制方案的选择与上述传动形式的选择紧密相关。

在现在传动形式时，要预先考虑到如何实现控制；而现在控制方案时，一定要在传动形式现在之后才能进行。

1．控制方案的选择原则

选择控制方案所要遵循的原则如下：

（1）控制方式应与设备通用化和专用化的程度相适应。

以金属切削机床为例，对于一般普通机床和专用机床，其工作程序往往是固定的，使用中并不需要经常改变原有的程序。

因此，可采用继电器—接触器控制系统，将控制线路在结构上接成固定式的。

（2）控制系统的工作方式应在经济、安全的前提下最大限度地满足工艺要

求。

作为控制方案，应考虑采用自动循环或半自动循环、手动调整、动作程序的变更、控制系统的检测，各个运动之间的联锁、各种保护、故障诊断、信号指示、照明以及操作方便等问题。

（3）控制线路的电源。

当控制系统所用电器的数量较多时，可采用直流低压供电。

这样，可节省安装空间，便于与无触点元件连接，动作平稳，检修操纵安全等。

在电气控制线路比较简单，电气元件不多的情况下，应尽可能用主回路电源作为控制回路电源，即可直接用交流380V或220V，简化供电设备。

对于比较复杂的控制线路，控制电路应采用控制电源变压器，将控制电压由交流380V或220V降至110V或48V、24V等，这是从安全角度考虑的。

一般机床照明电路为36V以下电源。

一般这些不同的电压等级，都是由一个控制变压器实现的。

直流控制线路多用220V或110Ｖ。

对于直流电磁铁、电磁离合器，常用24V直流电源供电。

2．控制方案的确定

（1）车床的功能概况；

卧式车床用途广、种类多。

其中CA6140型卧式车床是我国自行设计、制造的机床。

该机床通用性强适用于加工各种轴类、套筒类、轮盘类零件的回转表面。

可车外圆、车端面、切槽和切断、转中心孔、镗孔、铰孔、车各种螺纹、车内外圆锥面、车特型面，滚花和盘绕弹簧等。

CA6140型车床因加工范围广、结构复杂、自动化程度不高，所以一般用于单件、小批量生产。

（2）车床的主要结构及运动形式；

教学型数控车床的工作原理与普通车床CA6140的工作原理相同，车床主要由床身、主轴变速箱、进给变速箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、光杠和丝杠等几部分组成。

切削时，车床有3种运动形式：

主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动，称为主运动；刀具与滑板一起随溜板箱实现进给运动；其他运动称为辅助运动。

电动机的动力由三角皮带通过主轴变速箱传给主轴。

主轴的旋转运动由主轴电动机拖动，经传动机构实现。

切削加工时，要求车床主轴能在较大范围内变速。

通常根据被加工零件的材料性能、车刀材料、零件尺寸精度要求、加工方式及冷却条件等来选择切削速度，采用机械变速方法。

变速主轴变速箱外的手柄位置，可以改变主轴转速。

主轴一般只要求单方向旋转，只有在车螺纹时才需要反转来退刀。

它是用操纵手柄通过机械的方法来改变主轴旋转方向的。

由于进给运动消耗的功率很小，所以也由主轴电动机拖动，不再另加单独的电机拖动。

（3）车床的电力拖动要求与控制特点；

①车削加工近似于恒功率负载，主轴电动机M1通常选用笼型异步电动

机，完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动。

电动机采用直接起动的方式起动，可正反两个方向旋转，并可实现正反两个旋转方向的电气停车制动。

为加工调整方便，还具有点动功能。

②车削螺纹时，刀架移动与主轴旋转运动中间必须保持准确的比例关系，因此，车床主轴运动和进给运动由一台电动机拖动，刀架移动主轴箱通过机械传动链来实现。

③车削加工中，为防止刀具和工件的温度过高、延长刀具使用寿命、提高加工质量，车床附有一台单方向旋转电动机M2，与主轴电动机实现顺序起停，也可单独操作。

④必要的保护环节、联锁环节、照明和信号电路。

四、电动机和驱动装置的选择

（一）电动机的选择

正确选择电动机具有重要的意义，要在了解电动机发热和冷规律的基础上，重点掌握电动机容量的选择，熟悉电动机种类、电压、转速和形式的选用原则。

合理的选择电动机是从驱动机械设备的具体对象、加工规范，也就是要从机械设备的使用条件出发，经济、合理、安全等多方面考虑，使电动机能够安全可靠地运行。

1．电动机容量的选择

如果电动机容量选的过大，虽然能保证正常工作，但电动机长期不能满负载工作，得不到充分利用，用电效率和功率因数下降，从而增加设备投资和运行费用；如果电动机容量选的过小，生产效能不能充分发挥，长期过载将导致电动机烧毁。

因此，必须合理的选择电动机容量。

但是准确选择电动机容量是比较困难的，因为机械设备负载情况比较复杂，传动系统损失也难于计算得十分准确。

因此，电动机容量的选择通常采用调查统计类比或采用分析与计算相结合的方法。

选择电动机容量应根据以下三项基本情况进行：

（1）发热。

电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度

等于或略小于电动机绝缘的允许最高工作温度

，即

。

（2）过载能力。

电动机在运行时必须具有一定得过载能力。

特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性很大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证

，故决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。

所选电动机的最大转矩

（对于异步电动机）或最大允许电流

（对于直流电动机）必须大于运行工程中可能出现的最大负载转矩

和最大负载电流

。

（3）起动能力。

①调查统计类比法。

确定电动机功