数控车床电气设计毕业设计

数控车床的电气设计

摘 要

为实现数控车床的自动化，根据FANUC 0i Mate-DB数控系统的电气控制特点和数控车床的电气控制要求, 运用FANUC PLC的使用和编程技术来完成冷却、润滑、刀架、主轴的PLC控制程序设计。其设计思路和方法可为其他机电一体化产品控制系统设计提供借鉴。

关键词：可编程控制器；FANUC；电气控制

To achieve automation of CNC lathes, according to CNC FANUC 0i Mate-DB electric control system for electrical characteristics and control requirements of CNC lathe, using FANUC PLC programming techniques to the use and completion of cooling, lubrication, tool holder, spindle design of PLC control program . The design ideas and methods for other mechatronic control system design for reference.

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目 录

摘 要????????????????????????????????? 1 引 言????????????????????????????????? 3 第一章 数控车床主要控制电路计?????????????????????4 1.1 数控车床常用电气元件??????????????????? 4

1.2 380V强电控制回路????????????????????? 12

1.3 电源回路????????????????????????? 15 1.4 交流控制回路??????????????????????? 16 1.5 直流控制回路???????????????????????17 第二章 PLC控制部分???????????????????????????19 2.1可编程控制器概述?????????????????????? 19 2.2 FANUC 0i Mate-DB PLC程序????????????????? 21 结论 ????????????????????????????????? 34 参考文献??????????????????????????????? 35 致 谢????????????????????????????????? 35

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引 言

数控机床是典型的机电一体化产品，它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动以及精密机床等方面的技术。数控机床的高精度、高效率决定了发展数控机床是当前中国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础，是制造业现代化的基础，是一个国家综合国力的重要体现。我国在从制造大国向制造强国转变的过程中，大力发展数控技术具有重要意义。

随着各种学科的交叉发展，原来的纯机械加工已经发展为机电一体化的加工机床，现在随着各种控制技术的日趋完善，机电一体化的加工系统——数控机床已经毫无 疑问成为了工业生产的主力装备。一方面，调查表明，我国要成为“世界工厂”，需要培训和造就数十万数控技术应用领域的操作人员、编程人员和维修人员，另一 方面，来自机电一体化专业在实践方面对于专门的教学用的仪器设备的需求，是本课题产生的主要的原因。 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。该机床能实现单轴定位及两轴联动联动，从而可以完成对塑料制品的铣、铰等基本的切削运动，并能加工形状简单的零件。

而对于数控车床的电气设计我们主要从它的电路设计以及PMC的程序设计着手。 FANUC 0i Mate-TD数控车床的硬件连接图如下：

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数控车床主要控制电路设计

1.1 数控车床常用电气元件

1．低压断路器

低压断路器又称为自动空气开关，是将控制和保护的功能合为一体的电器。它常作为不频繁接通和断开的电路的总电源开关或部分电路的电源开关，当发生过载、短路或欠压等故障时能自动切断电路，有效地保护串接在他后面的电器设备，并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件。

（1）塑料外壳式断路器

图2-1 塑料外壳式断路器外形图、电气图形及文字符号

塑料外壳式断路器由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统组成，均安装在塑料外壳内组成一体，如图2-1所示。

机床作为配电、电动机的过载及短路保护用，亦可作为线路不频繁转换及电动机不频繁启动之用。

（2）小型断路器 如图2-2所示

图2-2 小型断路器外形图、电气图形及文字符号

机床作为过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁的通断电器装置和照明线路。

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2．接触器

接触器是一种用来频繁地接通或分断电路带有负载（如电动机）的自动控制电器。接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。如图2-3（a）、2-3(b)所示，其工作原理是当线圈通电后，铁芯产生电磁吸力将衔铁吸合。衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触点系统随之复位。

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

图2-3(a) 交流接触器外形图

图2-3(b) 交流接触器电气图形及文字符号

3．继电器

继电器是一种根据输入信号的变化接通或断开控制电路的电器。继电器的输入信号可以是电流、电压、等电量，也可以是温度、速度、等非电量，输出为相应的触点动作。

继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器等。按工作原理可分为：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器等。

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（1）电磁式继电器，如图2-4(a)、2-4(b)所示

图2-4（a） 电磁继电器外形图

图2-4（b） 电磁式继电器电气图形及文字符号

电磁式继电器的结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是有电磁机构、触点系统和释放弹簧等部分组成。根据外来信号（电压或电流）实衔铁产生闭合动作，从而带动触点动作，使控制电路接通或断开，实现控制电路的状态改变。但是，继电器的触点不能用来接通和分断负载电路。

由于电磁式继电器具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等一系列优点，故在数控车床电气控制系统中应用最为广泛。

电磁式继电器按吸引线圈电源种类不同，有交流和直流两种。按功能分分为电流继电器、电压继电器和中间继电器。

（2）时间继电器 如图2-5所示

时间继电器是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器，按其动作原理与构造不同，可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等类型。机床控制电路中应用较多的是空气阻尼式时间继电器，晶体管式时间继电器也获得愈来愈广泛的应用。数控机床中一般由计算机软件实现时间控制，而不采用时间继电器方式来进行时间控制。

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KTKTKTKT（a）线圈一般符号（b）通电延时线圈（c）断电延时线圈KTKTKT（d）延时闭合 常开触点KT（e）延时断开 （f）延时断开 （g）延时闭合 常开触点 常开触点 常闭触点 （h）瞬时常开 （i）瞬时常闭 触点 触点

图2-5 时间继电器电气图形及文字符号

（3）热继电器 如图2-6(a)、2-6(b)所示

图2-6(a) 热继电器外形图

图2-6(b) 热继电器电气图形及文字符号

热继电器是一种利用电流热效应工作的保护电器。热继电器由发热元件（电阻丝）、双金属片、传导部分和常闭触点组成，当电动机过载时，通过热继电器中发热元件的电流增加，使双金属片受热弯曲，带动常闭触点动作。热继电器用于电动机的长期过载保护。

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（4）固态继电器 如图2-7所示

图2-7 固态继电器电气图形及文字符号

固态继电器，简称SSR,是一种新发展起来的新型无触点继电器。固态继电器使用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。

4．变压器

变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器。

（1）机床控制变压器 如图2-8(a)、2-8(b)所示

机床控制变压器适用于频率50Hz～60Hz，输入电压不超过交流660V的电路。常作为各类机床、机械设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器、局部照明及指示灯的电源。

图2-8(a) 机床控制变压器外形图

图2-8(b) 双绕组变压器电气图形及文字符号

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（2）三相变压器 如图2-9(a)、2-9(b)所示

在三相交流系统中，三相电压的变换可用三台单相变压器也可用一台三相变压器来实现。从经济性和缩小安装体积等方面考虑，可优先选择三相变压器。在数控机床中三相变压器主要是给伺服驱动系统供电。

图2-9(a) 三相变压器外形图

图2-9(b) 三相变压器电气图形及文字符号

5．直流稳压电源 如图2-10(a)、2-10(b)所示

直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。

在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器、信号指示灯等提供直流电源。

图2-10(a) 开关电源外形图

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图2-10(b) 直流稳压电源电气图形及文字符号

6．熔断器

熔断器是一种广泛应用的最简单的有效的保护电器。在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔断体能自动迅速的熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏。

熔断器主要由熔断体（俗称保险丝）和熔座（俗称保险座）两部分组成。如图2-11(a)、2-12(b)所示。

图2-11(a) 熔断器及熔断隔离器外形图

图2-11(b) 熔断器电气图形及文字符号

7．开关电器

（1）行程开关 如图2-12(a)、2-12(b)所示

行程开关是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器，用来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护。

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图2-12(a) 行程开关外形图

图2-12(b) 行程开关电气图形及文字符号

（2）接近开关 如图2-13(a)、2-14(b)所示

接近开关是非接触式的监测装置，当运动着的物体接近它到一定距离范围内，就能发出信号。

从工作原理看，接近开关有高频振荡型、感应电桥型、霍尔效应型、光电型、永磁及磁敏元件型、电容型、超声波型等多形式。

图2-13(a) 接近开关外形图

图2-13(b) 接近开关电气图形及文字符号

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1.2 380V强电控制回路

图2-14 380V强电回路(a)

图2-14为数控车床的主电路的一部分，也是机床的动力电路，断路器QF1为机床电源的总开关，亦用来对整个动力线路进行过载及短路保护，交流接触器KM2和KM3采用互锁连接用来控制主轴电动机M1的正反转，断路器QF3作为主轴电动机的过载及短路保护；伺服变压器TC1是将交流380V电压转换为交流220V电压给伺服模块供电，QF2作为伺服强电的过载及短路保护，KM3用作开关控制，灭弧器RC1、RC2用来保护交流接触器的主触点，防止当主触点断开时，

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在动、静触点间产生强烈电弧，烧坏主触点。

图2-15为数控车床的主电路的另一部分，断路器QF4和QF5分别作为冷却电机和刀架电机的过载及短路保护；交流接触器KM6用来控制冷却电动机M2的启动和停止，KM4和KM5也是采用互锁电路控制刀架电机的M3的正反转，灭弧器RC3、RC4用来保护交流接触器的主触点，防止当主触点断开时，在动、静触点间产生强烈电弧，烧坏主触点。

图2-15 380V强电回路(b)

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典型电路控制分析：

实际生产中考虑到经济、高效、准确等因素，此次设计中采用了互锁电路控制实现主轴和刀架电动机的正反转，有三相异步电动机的原理可知，只要将电动机接到三相电源中的任意两根连线对调，即可使电动机反转。

图2-16 互锁控制线路

如图2-16所示，启动按钮SB2、SB3使用复合按钮，复合按钮的常闭触点用来断开转向相反的接触器线圈的通电回路，两个接触器的常闭触点KM1、KM2起互锁作用，即当一个接触器通电时，其常闭触点断开，使另一个接触器线圈不能通电。

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1.3 电源回路

图2-17 电源回路图

图2-17为机床的电源线路，图中变压器TC1 原边接三相AC380V，副边三组绕组分别提供AC220V、AC24V、AC110V电压，AC220V给开关电源供电，AC24V给工作灯供电，AC110V给电柜风扇供电，熔断器FU1-FU3用来对线路进行过载及短路保护。

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2.2 FANUC 0i Mate-DB的一些主要程序

1.主轴参数的设置

（1）、主轴速度参数：在3741中设定10V对应的主轴速度。

（2）、主轴控制电压极性参数：系统提供的主轴模拟控制电压必须于连接的变频器的控制极性相匹配。当使用单极性变频器时可通过参数3760：#7（TCW）#6（CWM）来控制主轴速度输出时的电压极性（采用默认设置即可） （3）、速度误差调整

当主轴的实际速度合理论速度存在误差时，往往是由于主轴倍率不正确或者输出电压存在零点漂移而引起的。如是后者的原因可通过相关参数进行调整。先将指令转速设为“0”，测量JA40电压输出端，调整参数3731（主轴速度偏移补偿值），使得万用表上的显示值为0MV。设定值=-1891*偏执电压

再将指令速度设为主轴最高转速（参数3741设定的值）测量JA40的电压输出端，调整参数3730（主轴速度增益），先设定1000，然后测量输出电压，调整的设定值=10V*参数3730的设定值/测定的电压值，使得万用表的显示值为10V.再次执行S指令,确认输出电压是否正确。 主轴程序如下：

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2.润滑泵

润滑泵在这是一个辅助的功能，在这里我们的要求是： （1）、每次开机自动打油15S。

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（2）、正常时打油30S，间隙5分钟。 （3）、可手动打油（每次大有时间为25S）。 （4）、可通过M15打油（每次打油5S）。 润滑泵的程序如下：

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3.刀架功能调试 （1）、刀架的操作：

刀架换刀有两种模式，一种是手动换刀，一种是通过T指令进行自动换刀。

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（2）、刀架控制原理：

系统发出换刀信号通过PMC输出一个刀架正传的信号，刀架电机正向旋转，刀架开始找刀。刀架的刀位检测电路在正向旋转地过程中输出刀位信号，每个刀位各有一个霍尔位置检测开关，各刀具按顺序依次经过发磁体位置产生相应的刀位信号输入到PMC中，当实际刀位和目的刀位寄存器中的刀位相一致时，刀具刀位。系统通过PMC输出刀架锁紧信号，刀架反转，锁紧时间可通过程序进行设定，时间不宜过长或过短。过长就有可能烧坏电机或造成电机过热空开跳闸，时间过短有可能造成刀架不能够锁紧。刀架锁紧以后，整个刀架过长结束。 刀架的程序如下：

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