数控车床电气控制系统设计说明
郑州铁路职业技术学院
毕业设计说明书
论文题目: 数控车床电气控制系统设计
系部: 机电工程系
专业: 数控技术
作者姓名: 张强
学号： 100333032
指导教师: 张勇
起止日期：2013年 3月 4日至 2013年4月15日
目录
1、前言 (1)
2、数控的发展史 (1)
3、数控的分类 (3)
4、工作流程分析 (4)
5、电气设计 (5)
6、数控车床电气接线表 (12)
7、数控故障表查询 (16)
8、收获 (21)
9、参考文献 (22)
10、致谢 (22)
前言
我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。
一、数控的发展史
高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。
数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。
一、个性化的发展趋势
1.高速化、高精度化、高可靠性
高速化：提高进给速度与提高主轴转速。
高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。
2.复合化
数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。
3.智能化
智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。
4.柔性化、集成化
当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段车间独立制造岛FA)、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主
二、个性化是市场适应性发展趋势
当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。
三、开放性是体系结构的发展趋势
新一代数控系统的开发核心是开放性。开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。
二、数控的分类
数控机床所受控制可分为两类：一类是“数字控制”，例如，数控机床各坐标轴的移动距离，各轴运行的插补、补偿控制等；另一类是“顺序控制”，根据机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等的开关量信号，并根据预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启/停、换向、刀具的更换、工件的夹紧/松开、液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。
数控机床从结构上看通常可分为三部分：CNC系统（计算机数控系统），机床电气，机床本体。对内装式PLC，它包含在CNC系统内部；对于独立式PLC则一般在机床电气内。从机电的角度看，CNC系统和机床电气为‘电’，机床本体则为‘机’。
在讨论PLC时，常以PLC为界把数控机床分为“NC侧”和“MT侧”（即机床侧）两大部分。“NC侧”包括CNC系统的硬件软件以及CNC系统的外部设备。“MT 侧”则包括机床的机械部分、液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置，以及机床操作面板、继电器线路、机床强电线路等。PLC处于NC与MT之间，并对NC 和MT的输入、输出信号进行处理。
MT侧顺序控制的最终对象的数量随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大的差别。一般来说，机床结构越复杂，辅助装置越多，受控对象数量就越多。相比而言柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）的受控对象数量多，而数控车床、数控铣床的受控对象数量较少。
三、工作流程分析
1．电气原理图分析的方法与步骤
电气控制电路一般由主回路、控制电路和辅助电路等部分组成。了解了电气控制系统的总体结构、电动机和电器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。
⑴分析主回路
从主回路入手，根据伺服电机、辅助机构电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。
⑵分析控制电路
根据主回路中各伺服电机、辅助机构电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。
⑶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。
⑷分析连锁与保护环节
机床对于安全性和可靠性有很高的要求，实现这些要求，除了合理地选择元器件和控制方案以外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气连锁。
⑸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，看是否有遗漏。特别要从整体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。
四、电气设计
1、设计要求
⑴机床的运动及控制要求
数控车床主轴的旋转运动由5.5kw变频主轴电机实现，与机械变速配合得到低速、中速和高速三种无级变速。
Z轴、X轴的运动由交流伺服电机带动滚珠丝杠实现，二轴的联动由数控系统控制并协调。
螺纹车削由光电编码器与交流伺服电机配合实现。
除上述运动外，还有电动刀架的转位，冷却电机的启、停等。
⑵主回路分析
图1是380V强电回路。
图中QF1为电源总开关。QF3、QF2、QF4、QF5分别为主轴强电、伺服强电、冷却电机、刀架电机的空气开关，它的作用是接通电源及短路、过流时起保护作用；其中QF4、QF5带辅助触头，该触点输入PLC，作为报警信号，并且该空开的保护电流为可调的，可根据电机的额定电流来调节空开的设定值，起到过流保护作用。KM3、KM1、KM6分别为主轴电机、伺服电机、冷却电机交流接触器，由它们的主触点控制相应电机；KM4、KM5为刀架正反转交流接触器，用于控制刀架的正反转。TC1为三相伺服变压器，将交流380V变为交流200V供给伺服电源模块；RC1、RC3、RC4为阻容吸收，当相应的电路断开后，吸收伺服电源模块、冷却电机、刀架电机中的能量，避免产生过电压而损坏器件。
⑶电源电路分析
图2为电源回路图。
图中TC2为控制变压器，原方为AC380V，副方为AC110V、AC220V、AC24V，其中AC110V给交流接触器线圈、为强电柜风扇提供电源；AC24V给电柜门指示灯、工作灯提供电源；AC220V通过低通滤波器滤波给伺服模块、电源模块、24V 电源提供电源；VC1为24V电源，将AC220V转换为AD24V电源，给世纪星数控系统、PLC输入/输出、24V继电器线圈、伺服模块、电源模块、吊挂风扇提供电源；QF6、QF7、QF8、QF9、QF10空开为电路的短路保护。
⑷控制电路分析
a．主轴电机的控制
图3、图4分别为交流控制回路图和直流控制回路图。
先将QF2、QF3空开合上，见图1强电回路，当机床未压限位开关、伺服未报警、急停未压下、主轴未报警时，KA2、KA3继电器线圈通电，继电器触点吸
合，并且PLC输出点Y00发出伺服允许信号，KA1继电器线圈通电，继电器触点吸合，KM1交流接触器线圈通电，交流接触器触点吸合，KM3主轴交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，主轴变频器加上AC380V电压，若有主轴正转或主轴反转及主轴转速指令时（手动或自动），PLC输出主轴正转Y10或主轴反转Y11有效、主轴AD输出对应于主轴转速的直流电压值（0-10V），主轴按指令值的转速正转或反转；当主轴速度到达指令值时，主轴变频器输出主轴速度到达信号给PLC输入X31(未标出)，主轴转动指令完成。
主轴的起动时间、制动时间由主轴变频器内部参数设定。
b．刀架电机的控制
当有手动换刀或自动换刀指令时，经过系统处理转变为刀位信号，这时是PLC输出Y06有效，KA6继电器线圈通电，继电器触点闭合，KM4交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电机正转，当PLC输入点检测到指令刀具所对应的刀位信号时，PLC输出Y06有效撤消、刀架电机正转停止；PLC输出Y07有效，KA7继电器线圈通电，继电器触点闭合，KM5交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电机反转，延时一定时间后（该时间由参数设定，并根据现场情况作调整），PLC输出Y07有效撤消，KM5交流接触器主触点断开，刀架电机反转停止。选刀完成。为了防止电源短路，在刀架电机正转继电器线圈、接触器线圈回路中串入了反转继电器、接触器常闭触点，见图3。请注意，刀架转位选刀只能一个方向转动，取刀架电机正转。刀架电机反转只为刀架定位。
c．冷却电机控制
当有手动或自动冷却指令时，这时PLC输出Y05有效，KA8继电器线圈通电，继电器触点闭合，KM6交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，冷却电机旋转，带动冷却泵工作。
伺服电机的控制请参考其他资料书在这里不作重点叙述。
2、设计规划
PLC控制系统的电气设计包括以下内容：（如下图所示）
原理图、元器件清单、电柜布置图、接线图与连接图，如果是定型设备还应包括工艺图，这在其它书本有详细介绍。电气设计时特别要注意以下几点：（1）PLC输出接口的类型，是继电器输出还是光电隔离输出等。
（2）PLC输出接口的驱动能力，一般继电器输出为2A，光隔输出为500mA。
（3）模拟量接口的类型和极性要求，一般有电流型输出（-20mA～+20mA）
和电压型输出（-10V～—+10V）两种可选。
（4）采用多直流电源时的共地要求。
（5）输出端接不同负载类型时的保护电路。执行电器若为感性负载，需接保护电路。直流可加续流二极管，交流可加阻容吸收电路。
（6）若电网电压波动较大或附近有大的电磁干扰源，应在电源与PLC间加设隔离变压器、稳压电源或电源滤波器。
（7）注意PLC的散热条件，当PLC的环境温度大于55o C时，要用风扇强制冷却。
五、数控车床电气接线表和图
如下所示如:
说明备注信号端子
号
车床铣床车床铣床加工中心
M M 1 24VDC地
L+ L+ 2 24VDC输出（作为X333输入信号的公共端）
Q1.6 Q1.6 45
Q1.7 Q1.7 46
L+ L+ 47、48 输出信号的公共端：24VDC
L+ L+ 49、50 输出信号的公共端：24VDC
M M 1 24VDC地
L+ L+ 2 24VDC输出（作为X333输入信号的公共端）I3.0 I3.0 3 刀位检测信号T1
I3.1 I3.1 4 刀位检测信号T2
I3.2 I3.2 5 刀位检测信号T3
I3.3 I3.3 6 刀位检测信号T4
I3.4 I3.4 7 刀位检测信号T5
I3.5 I3.5 8 刀位检测信号T6
I3.6 I3.6 9 刀位检测信号T7
I3.7 I3.7 10 刀位检测信号T8
27-30 无定义
L+ L+ 47、48 输出信号的公共端：24VDC
L+ L+ 49、50 输出信号的公共端：24VDC
六、数控故障表查询
根据部分电路图查询常见的故障，图如下所示：
序号故障点
故障现象
车床铣床
1 主轴电机电压输出开路主轴电机不启动
2 主轴信号STF输出开路MCPA模块面板的Uni-Dir1接口有24V输出，但主轴不能正
转
3 主轴信号STR输出开路MCPA模块面板的Uni-Dir2接口有24V输出，但主轴不能反