数控车床电气控制系统设计.docx
- 文档编号:10474408
- 上传时间:2023-05-26
- 格式:DOCX
- 页数:52
- 大小:881.28KB
数控车床电气控制系统设计.docx
《数控车床电气控制系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数控车床电气控制系统设计.docx(52页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
数控车床电气控制系统设计
数控车床电气控制系统设计
摘要
数控技术是机械加工自动化的基础,是数控机床的核心技术,其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平,近年来,PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广,它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。
随着PLC技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。
在机床的实际设计和生产过程中,为了提高数控机床加工的精度,对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。
整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强,具有良好的性能价格比等显著优点,其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。
关键词:
数控机床,电气控制系统,控制软件总体结构设计,机电一体化,机电传动,电子技术,传感器技术,数控加工,CAD/CAM技术,电力电子技术,机械设计原理,电气控制系统,PLC
CNCLatheElectricalControlSystemDesign
ABSTRACT
NumericalcontroltechnologywhichRelatedtothelevelofnationalstrategypositionandthestatusofnationalcomprehensivenationalstrengthlevelisthebasisofAutomationinmechanicalProcessingandthecoreofCNCmachinetoolstechnology.Inrecentyears,PLChasincreasinglywideapplicationinindustrialautomaticcontrolfield,whichappearingontheaspectsofintegratedadvantageisincomparabletootherindustrialproductsInthecontrolofitsperformance,groupmachinecycleandthecostofhardware.WiththedevelopmentofPLCTechnology,Ithasamoreandmoreapplicationinpositioncontrol,processcontrol,dataprocessingandotheraspects.InordertoimprovethemachiningaccuracyintheMachinetoolsofactualdesignandproductionprocess,thechoiceofpositioningcontroldeviceisparticularlyimportant.ThecontrolsystemwhichthehardwareandsoftwaredesignforindustrialandminingenterprisesrelatedtoCNCmachinetoolsdesignreferencehaveperformanceadvantagesinProgramdesignofclearthinking,hardwarecircuitsimpleandpractical,highreliability,StrongantiinterferencecapabilityandSuitablepriceperformanceratio.
KEYWORDS:
CNCmachinetools,Theelectricalcontrolsystem,Controlsoftwareandtheoverallstructuraldesign,Mechatronics,Electromechanicaldrive,Electronictechnology,Sensortechnology,CNCmachining,CAD/CAMtechnology.PowerElectronics,Mechanicaldesignprinciple,Electricalcontrolsystem,PLC
1绪论
1.1当前数控车床的发展现状
当今世界,工业发达国家对机床工业高度重视,竞相发展机电一体化、高精度、高效率、高自动化先进机床,以加速工业和国民经济的发展。
长期以来,欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争,已形成一条无形战线,特别是随微电子、计算机技术的进步,数控机床在20世纪80年代以后加速发展,各方用户提出更多需求,早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。
任何事物都有其特点与发展条件,人们掌握后才能加速其发展。
数控机床是由主机、各种元部件(功能部件)和数控系统三大部分组成,还需先进的自动化刀具配合,才能实现加工,各个环节在技术上、质量上必须切实过关,确保工作可靠、稳定,才能确保数控机床工作的精度、效率和自动化,否则,难以在生产实际中使用。
数控车床利用数字化的信息对车床运动及加工过程进行控制,是一种可编程的通用加工设备,能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工,所以特别适合加工形状复杂的轴类和盘套类零件。
与通用机床和专用机床相比,数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点,能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求,是一种柔性的、高性能的自动化车床,代表了现代控制技术的发展方向,是一种典型的机电一体化产品,因此被广泛应用于机械制造业。
数控车床是以数字化的信息实现车床控制的机电一体化产品,它把刀具和工件之间的相对位置,车床电机的启动和停止,主轴变速,工件松开和夹紧,刀具设计有机地结合在一起,具有典型性和实用性的特点。
将预先编排的加工信息代码记录在计算机中,经过处理,转换为控制指令,发送给数控车床,完成零件的自动加工过程。
数控车床与普通车床相比,其主要有以下的优点:
(1)适应性强
适合加工批量的复杂工件,针对不同的加工零件,编制相应的加工程序,实现零件自动加工。
(2)加工精度高
进给系统中采用的滚珠丝杆、滚动导轨等先进技术,具有间隙小、运动精度高、50种以上的进给速度的特点,适合加工表面粗糙度较高的机械零件。
(3)生产效率高
数控车床是自动化程度较高的车床,整个加工过程无需认为参与,节省了工装时间,减轻劳动强度,改善劳动条件,具有良好的经济效益,有利于现代化生产管理。
1.2数控机床电气系统要求
数控机床电气系统包括交流主电路、机床辅助功能控制电路和电子控制电路,一般将前者称为强电,后两者称为弱电。
强电是24V以上供电,以电气元件、电力电子功率器件为主组成的电路;弱电是24V以下供电,以半导体器件、集成电路为主组成的控制系统电路。
数控机床的主要故障是电气系统的故障,电气系统故障又以机床本体上的低压电器故障为主。
数控机床对电气系统的基本要求:
(1)高可靠性
数控机床是长时间连续运转的设备,本身要具有高可靠性。
因此,在电气系统的设计和部件的选用上普遍应用了可靠性技术、容错技术及冗余技术。
所有部件选用的是最成熟的,而且符合有关国际标准并取得授权认证的新型产品。
(2)紧跟新技术的发展
在保证可靠性的基础上,电气系统还要具有先进性,如新型组合功能电气元件的使用、新型电子电器及电力电子功率器件的使用等。
(3)稳定性
要在电气系统中采取一系列技术措施,使其造应较广泛的环境条件,如要能适应交流供电系统电压的波动,对电网系统内的噪声干扰有一定的抑制作用,同时还应符合电磁兼容的国家标准要求,系统内部既不相互干扰,还能抵抗外部干扰,也不向外部辐射破坏性干扰等。
(4)安全性
电气系统的连锁要有效;电气装置的绝缘要保证完好,防护要齐全,接地要牢靠,以使操作人员的安全有保证;电气部件的防护外壳要具有防尘、防水、防油污的功能;电柜的封闭性要好,能防止外部的液体溅人电柜内部,防止切屑、导电尘埃的进入;电柜内的所有元件在正常供电电压下工作时不应出现被击穿的现象,并且应有预防雷电袭击的功能;经常移动的电缆要有护套或拖链防护,防止缆线磨断或短路而造成系统故障;要有抑制内部部件异常温升的措施,特别是在夏季,要有强迫风冷或制冷器冷却;要有防触电、防碰伤设施。
(5)方便的可维护性
易损部件要便于更换或替换。
保护元器件的保护动作要灵敏,但也不能有误动作。
一旦故障排除后,功能要能恢复。
(6)良好的控制特性
所有被控制的电动机起动要平稳、响应快速、特性硬、无冲击、无震动、无振荡、无异常数控机床电气检修噪声、无异常温升。
(7)运行状态明显的信息显示
电气系统要用指示灯做操作显示,电气元件要有状态指示、故障指示,有明显的安全操作标识。
(8)操作的宜人性
电气系统要体现人性化设计,如操作部位应与人体平均高度、距离相适应,体现操作方便、舒适、便于观察的特点,尤其是要能随时摸得到急停按钮,保证紧急情况下的快速操作动作;机床电器颜色不仅要符合标准,还要美观、明显。
1.3本文设计内容
目前机床数控改造技术已经日趋成熟,专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。
较典型的车床数控改造方案可选择为:
配置专用车床数控改造系统,采用伺服电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。
本设计主要实现以下内容:
(1)机床控制系统开发技术方案的制定技术。
(2)数控系统选型
在进行数控系统选型时,一般应遵从性价比高、综合成本低,这两个主要的原则,在这两个原则的指导下对众多的数控系统进行比较,选择最合适的数控系统。
(a)性价比高的原则
一般在选择数控系统时,应考虑数控系统的先进性,不要选那些已经或将要被淘汰的产品,这样用不了多长时间又要进行更新,而要尽量选择先进的、能代表当前主流技术的产品。
先进的产品代表更加强大的功能,但并不是越先进的越好,随着性能的提高,其价格必然越贵,但是在实际应用中,众多强大的功能是否必要,要视使用情况而定。
不要一味追求高性能而增加投入,应该在选择性能优良产品的同时,考虑价格因素,对产品的性能价格比进行比较,在同样能满足技术要求的情况下,选择价格低的产品。
(b)综合成本低的原则
所谓综合成本,是指除产品本身的价值外,其配套的配件采购、维修成本,因故障停机导致的时间成本,以及寿命周期等等。
在进行数控系统选型时,要充分考虑以上因素,选择故障率低、配件价格低、售后服务及时、寿命周期长的产品。
综合上述原因并为了配合S7—200的使用本次改造选用了SINUMERIK802C系统。
SINUMERIK802C将所有CNC、HMI和通讯任务集成于一个单一的部件。
免维护的硬件集成了PROFIBUS接口用于连接伺服驱动和I/O模块,并具有速装结构的超薄操作面板。
SINUMERIK802C可控制最多4个数字进给轴和1个主轴。
802C配备SIMODRIVE611UE和带编码器的1FK7伺服电机作为进给驱动系统。
SIMODRIVE611UE具有模块化设计和PROFIBUS接口。
因而,各轴驱动的功率模块独立配置。
另外,主轴也可以通过模拟接口控制,这种通用的方案也适用于简易型机床。
SIMATICS7-200的指令集可直接适用于机床。
在SINUMERIK上不仅可以进行工件编程,而且还可以使用非西门子的G代码。
本系统控制电路采用了高速微处理器,超大规模定制型集成电路芯片,多层印刷电路板,从而极大地提高了系统的可靠性;在控制面板上,将CNC操作面板与机床操作面板集成为一体,极大地简化了联机。
具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。
(3)外围电路的设计方法;数控机床主轴驱动方式;数控车床转塔控制方法。
(4)可编程控制器在数控机床中的应用;实现数控机床典型逻辑动作的PLC编程技术;系统开发过程中PLC调试技术。
(5)系统初始化参数设置技术;系统开发调试验收技术。
2西门子802C数控车床系统
西门子802C数控车床系统由西门子802C数控系统、步进进给系统、主轴驱动系统、刀架等组成。
2.1西门子802C的系统
SINUMERIK 802数控系统是西门子公司开发的数控系统,用于数控车床、数控铣床、加工中心、数控磨床等。
该系统分为802S、802C、802D三种类型,其中SINUMERl 802S采用步进电动机驱动系统,同时具备一个±10V模拟接口用于连接主轴驱动;SINUMERl 802C采用模拟伺服驱动系统,采用标准的±10V模拟接口,可直接带动模拟驱动;SINUMERl 802C采用数字进给驱动电动机和数字主轴电动机,最多可控制4个数字进给轴和一个主轴。
SIEMENS802S配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板,显示器为7in或5.7in单色液晶显示。
集成内置式PLC最大可以控制64点输入与64点输出,PLC的I/O模块与ECU间通过总线连接;系统体积小,结构紧凑,性能价格比高。
数控系统与外部模块的连接,见图2-1。
图2-1系统结构图
2.2人机界面
数控系统的人机界面由显示器、操作面板、机床控制面板组成,见图2-2。
图2-2系统操作面板
编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器,同时还提供12个带有LED的用户自定义键。
工作方式选择(6种),进给速度修调,主轴速度修调,数控启动与数控停止,系统复位均采用按键形式进行操作。
2.3步进进给系统
步进进给系统采用的是(STEPDRIVEC),是单轴型控制器,控制五相步进电机。
步进电机的步距角为0.36度。
驱动接口采用25芯D型插座。
每个驱动器接受三个信号,一个为脉冲信号,一个为方向信号,一个为使能信号。
发出的脉冲控制电机运行,每个上升沿使电机向前走一步,脉冲数决定电机转角,脉冲频率决定电机的转速。
2.4主轴驱动系统
主轴驱动系统采用的是SIEMENS611U,是目前SIEMENS常用的交流数字式伺服驱动系统,其基本结构与611A相似,采用模块化安装方式,主轴与各伺服驱动单元共用电源。
用于进给驱动的伺服驱动模块有单轴与双轴两种结构型式,带有PROFIBUSDP总线接口。
驱动器内部带有FEPROM(non-volatiledatamemory,非易失可擦写存储器),用于存储系统软件与用户数据,驱动器的调整、动态优化可以在W1NDOWS环境下,通过SimoComU软件自动进行,安装、调整十分方便。
驱动器由整流电抗器(或伺服变压器)、电源模块(NEmodule)、功率模块(Powermodule)、611控制模块等组成:
电源模块自成单元,功率模块、611控制模块、PROFIBUSDP总线接口模块组成轴驱动单元。
各驱动器单元间共用611直流母线与控制总线,并通过PROFIBUSDP总线,与SIEMENS802C/810D/840S系统相连接,组成数控机床的伺服驱动系统。
2.5刀架控制系统
刀架是经济型的四方位简易刀架,它的机械结构简单,调试和使用方便,结构如图2-3所示。
其功能为:
有四个刀位,能装夹四把不同的功能刀具,方刀架回转90°时,刀具变换一个位置,但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。
图2-3四工位转位刀架
2.6电柜设计及电源选用
2.6.1在设计电柜时应注意以下事项:
(1)电柜应有冷却或通风装置,在使用风扇时必须在进气窗口安装防尘过滤网;
(2)电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上;
(3)电柜的防护等级为IP54;
(4)接地应遵守国标GB/T5226.1--2002/IEC60204--1:
2000“机械安全机械电气设备第1部分:
通用技术条件’’;
(5)电柜中布线时,交流电源线(如85VAC,220VAC,380VAC以及变频器到主轴电机的电缆)必须与24VDC电缆和信号线电缆分开走线;
(6)系统直流稳压电源24VDC之前需接入隔离变压器(控制变压器380VAC一220VAC,JBK3.400VA)。
步进驱动85VAC必须采用独立的隔离变压器(驱动变压器380VAC85VAC,JBK3系列)。
两个变压器的初级不可以接入到380VAC的同一相。
(7)现场没有良好接地的情况下,控制变压器必须为浮地设计,但此时任何与CNC控制器连接的外设(如PC等),其220VAC电源必须连接到控制变压器。
2.6.224VDC电源选用
CNC控制器采用24V直流供电,系统可在24V一15%至J+20%之间正常工作。
直流电源的质量是系统稳定运行的关键,所以在选择电源时,其输出波形应如图4所示。
24V直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性(按照IEC204-1,条款6.4,PELV)。
因此我们选用西门子配套的24V直流稳压电源。
数字输入和输出所需的24VDC用独立的24V直流电源,而不能与CNC控制器共用同一个24VDC稳压电源。
所有输入信号必须为电平信号,即“0”电平[一3V~5voc]和“1”电平[11V~30VDC]。
悬空和高阻信号均为“0”电平。
2.7数控系统各部分的连接及接口
2.7.1系统的接线
SINUMERIK802Cbaseline控制器与伺服驱动电机的连接。
连接电缆必须使用屏蔽电缆。
在系统一侧,电缆内屏蔽层必须与插头中的金属壳相连,为了使模拟量的指令值信号免受低频信号的干扰,驱动一侧的屏蔽不能接地。
2.7.2接口布置
(1)CNC部分
(a)X1电源接口(DC24V):
3芯螺钉端子块,用于连接24V负载电源。
(b)X2RS232接口(V24):
9芯D型插座。
(c)X3到X5测量系统接口(ENCODER):
3个15芯D型插头,用于连接增量型编码器(RS422)。
(d)X6主轴接口(ENCODER):
15芯D型插座,用于连接一个主轴式增量编码器。
(e)X7驱动接口(AXIS):
50芯D型插座,用于连接具有包括主轴在内最好4个模拟驱动的功率模块。
(f)X10手轮接口(MPG):
10芯插头,用于连接手轮。
(g)X20数字输入(DI):
10芯插头,用于连接NC-READY继电器。
(2)DI/O部分
(a)X100到X105:
10芯插头,用于连接数字输入。
(b)X200到X201:
10芯插头,用于连接数字输出。
(3)调试开关S3。
(4)保险丝F1,外部设计可以是用户方便的更换。
2.7.3接口连接
(1)进给驱动的连接(X7),采用50芯D型插座(针)插座X7引脚如表2-1所示。
表2-1插座X7引脚
X7
引脚
信号
类型
引脚
信号
类型
引脚
信号
类型
1
A01
AO
18
n.c.
34
AGND1
AO
2
AGND2
AO
19
n.c.
35
AO2
AO
3
A03
AO
20
n.c.
36
AGND3
AO
4
AGND4
AO
21
n.c.
37
AO4
AO
5
n.c.
22
M
VO
38
n.c.
6
n.c.
23
M
VO
39
n.c.
7
n.c.
24
M
VO
40
n.c.
8
n.c.
25
M
VO
41
n.c.
9
n.c.
26
n.c.
42
n.c.
10
n.c.
27
n.c.
43
n.c.
11
n.c.
28
n.c.
44
n.c.
12
n.c.
29
n.c.
45
n.c.
13
n.c.
30
n.c.
46
n.c.
14
SE1.1
K
31
n.c.
47
SE1.2
K
15
SE2.1
K
32
n.c.
48
SE2.2
K
16
SE3.1
K
33
n.c.
49
SE3.2
K
17
SE4.1
K
50
SE4.2
K
(2)测量系统的连接(X3—X6),采用15芯D型插座,插座X3—X6引脚如表2-2所示。
表2-2X3—X6引脚
X3…X6
引脚
信号
型号
引脚
信号
型号
1
n.c.
9
M
VO
2
n.c.
10
Z
I
3
n.c.
11
Z_N
I
4
P5_MS
VO
12
B_N
I
5
n.c.
13
B
I
6
P5_MS
VO
14
A_N
I
7
M
VO
15
A
I
8
n.c.
信号名称
A,A_N
A相信号
B,B_N
B相信号
Z,Z_N
零脉冲信号
P5_MS
电源+5.2V
M
电源接地
信号电平
RS422
信号类型
VO
电压输出(电源)
I
5V输入(5V信号)
(3)数字输出端的连接(X200—X201),采用10芯接线端子,插座X200—X201引脚如表2-3所示。
表2-3插座X200—X201引脚
X200
引脚
信号
类型
1
IP24
VI
2
DO0/CW
O
3
DO1/CCW
O
4
DO2
O
5
DO3
O
6
DO4
O
7
DO5
O
8
DO6
O
9
DO7
O
10
M
VI
X201
引脚
信号
类型
1
2P24
VI
2
DO8
O
3
DO9
O
4
DO10
O
5
DO11
O
6
DO12
O
7
DO13
O
8
DO14
O
9
DO15
O
10
M
VI
信号说明
DO0...DO15
数字输出0...15,最大电流500mA
DO0/CW
数字输出0/单级主轴,顺时针方向,最大电流500mA
DO1/CCW
数字输出1/单级主轴,逆时针方向,最大电流500mA
1P24,M
数字输出0...7供电
2P24,M
数字输出8...15供电
信号类型
VI电压输入
(4)CNC电源,CNC所需的24VDC负载电源接到接线端子X1上。
24V直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性。
表2-4负载电源电气参数
参数
最小值
最大值
单位
条件
电压平均值
20.4
28.8
V
波动性
3.6
Vss
非周期性过压
35
V
500ms持续时间
50s恢复时间
额定消耗电流
1.5
A
启动电流
4
A
表2-5接线端子X1端子分配
端子
1
PE
PE
2
M
接地
3
P24
DC24V
2.7.4802C与SIMDDRIVE
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数控车床 电气控制 系统 设计