数控铣床电气原理图设计与分析 毕业设计.doc

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1、 数控技术系毕业设计说明书（论文）题 目 数控铣床电气原理图设计与分析 专 业 数控设备应用与维护 年 级 109831 学生姓名 指导教师 2011年12月20日目 录摘 要1第一章 数控铣床的基本知识和特点21.1数控铣床的特性21.1.1主轴箱.2 1.1.2进给伺服系统.2 1.1.3控制系统.2 1.1.4辅助装置.2 1.1.5机床基础件.21.2数控铣床的工作原理21.2.1根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺21.2.2 数控铣床的性能指标21.2.3 点位控制功能21.2.4 连续轮廓控制功能21.2.5刀具半径补偿功能21.2.6 刀具度补偿功能21.

2、2.7 比例及镜像加工功能31.2.8 旋转功能31.2.9 子程序调用功能31.2.10 宏程序功能31.3数控铣床的坐标系31.3.1铣床相对运动的规定31.3.2机床坐标系的规定31.3.3 Z坐标41.3.4 X坐标41.3.5 Y坐标41.4数控铣床的的特点及组成51.4.1数控立式铣床51.4.2卧式数控铣床51.4.3立卧两用数控铣床51.4.4数控铣床按构造分类5第二章数控铣床电气控制62.1电气原理图62.1.1看电气控制电路图的方法62.1.2 电气原理图的组成72.1.3画电气原理图的一般规律如下8第三章数控铣床电气原理图分析93.3.1主轴电动机控制9致 谢11参考文献

3、12 摘 要数控机床是一种自动化程度较高、结构较复杂的先进加工设备，是企业的重点和关键设备。要发挥数控机床的高效益，就必须正确的操作和精心的维护，才能保证设备的利用率。正确的操作、使用能够防止机床非正常磨损，避免突发事故。做好日常维护、保养，可使设备保持良好的技术状态，延缓劣化进程，及时发现和消灭故障隐患，从而保证安全运行。本论文兼顾数控安装调试和维修两方面的内容，从电气控制元器件的选择、性能测试与安装、CNC控制单元的电气连接与调试、进给驱动系统和主轴变频控制系统的安装与调试等方面做了详细的介绍。关键词: 数控铣床;电气控制;原理图分析 第一章 数控铣床的基本知识和特点1.1数控铣床的特性数

4、控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两者的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别. 数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：1.1.1主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。1.1.2进给伺服系统 由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。1.1.3控制系统 数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。1.1.4辅助装置 如液压、气动、润滑、冷

5、却系统和排屑、防护等装置。1.1.5机床基础件 通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。1.2数控铣床的工作原理1.2.1根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺选择加工参数。通过手工编程或利用CAM 软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。伺服装置向伺服电机发出控制信号。主轴电机使刀具旋转，X、Y 和Z向的伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。 数控铣床主要由床身、铣头、纵向工作台、横向床鞍、升降台、电气控制系统等组成。能够完成基本的铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环等工作，可加工各

6、种形状复杂的凸轮、样板及模具零件等。数控铣床的床身固定在底座上，用于安装和支承机床各部件，控制台上有彩色液晶显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动，完成X、Y、Z坐标的进给。电器柜安装在床身立柱的后面，其中装有电器控制部分。1.2.2 数控铣床的性能指标1.2.3 点位控制功能 可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。 1.2.4 连续轮廓控制功能 可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。 1.2.5刀具半径补偿功能 可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸

7、，从而减少编程时的复杂数值计算。 1.2.6 刀具度补偿功能 可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。 1.2.7 比例及镜像加工功能 比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。 1.2.8 旋转功能 可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。 1.2.9 子程序调用功能 有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工。 1.2.10

8、宏程序功能 可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。 1.3数控铣床的坐标系1.3.1铣床相对运动的规定 在机床上，始终认为工件静止，而刀具是运动的。这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。1.3.2机床坐标系的规定 标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。 在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。 例如铣床上，有机床的纵

9、向运动、横向运动以及垂向运动，如图1所示。在数控加工中就应该用机床坐标系来描述，如图2所示。请按图2中按钮观察机床坐标系的相互关系。 标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定： 图1坐标系1、伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90度。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。 2、大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。 3、围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意一轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向。 请按图1中按钮观

10、察机床运动的方向4运动方向的规定 增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向。3坐标轴方向确定1.3.3 Z坐标 Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为 Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。 如果机床上有几个主轴，则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为Z坐标方向；如果主轴能够摆动，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向；如果机床无主轴，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向。图3 所示为数控车床的Z坐标。图2 Z坐标系1.3.4 X坐标 X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向； 如果

11、刀具做旋转运动，则分为两种情况： 1)Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方； 2)Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。 1.3.5 Y坐标 在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。 根据数控立式铣床结构图，试确定X、Y、Z直线坐标。 (1)Z坐标：平行于主轴，刀具离开工件的方向为正；(2)X坐标：Z坐标垂直，且刀具旋转，所以面对刀具主轴向立柱方向看，向右为正；(3)Y坐标：在Z、X坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。1.4数控铣床的的特点及组成1.4.1数控立式铣床立式数控铣床，主体部

12、分主要由底座、立柱、鞍座、工作台、主轴箱等部件组成，其中主体的五大件均采用高强度优质铸件且树脂砂造型，组织稳定，确保整机有良好的刚性和精度的保持性。三轴导轨副均采用高频淬火及贴塑导轨组合，保证机床运行精度、降低磨擦阻力及损耗，三轴传动系统由精密滚珠丝杆及伺服系统电机构成，并配有自动润滑装置。 机床三轴均采用不锈钢制导轨伸缩罩，防护性能好，整机全闭式护罩，门窗更大，外观整齐美观，操作控制箱置于机床右前方，且可旋转，操作方便。可进行各种铣削、镗孔、刚性攻丝等加工，且性价比高，是机械制造行业高质、高精、高效的理想设备。1.4.2卧式数控铣床与通用卧式铣床相同，其主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范围

13、和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5坐标加工。这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。1.4.3立卧两用数控铣床目前，这类数控铣床已不多见，由于这类铣床的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，而同时具备上述两类机床的功能，其使用范围更广，功能更全，选择加工对象的余地更大，且给用户带来不少方便。特别是生产批量小，品种较多，又需要立、卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。1.4.4数控铣床按构造分类工作台升降式数控铣床这类数控铣床采用工作台移动、

14、升降，而主轴不动的方式。小型数控铣床一般采用此种方式。 主轴头升降式数控铣床 这类数控铣床采用工作台纵向和横向移动，且主轴沿垂向溜板上下运动；主轴头升降式数控铣床在精度保持、承载重量、系 统构成等方面具有很多优点，已成为数控铣床的主流。龙门式数控铣床 这类数控铣床主轴可以在龙门架的横向与垂向溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。大型数控铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术上的问题，往往采用龙门架移动式。第二章数控铣床电气控制2.1电气原理图电气原理图是用来表明设备电气的工作原理及各电器元件的作用，相互之间的关系的一种表示方式。 运用电气原理图的方法和技巧，对于分析电气线路，排除

15、机床电路故障是十分有益的。电气原理图一般由主电路、控制电路、保护、配电电路等几部分组成。2.1.1看电气控制电路图的方法看电气控制电路图一般方法是先看主电路，再看辅助电路，并用辅助电路的回路去研究主电路的控制程序。 (1)看主电路的步骤 第一步：看清主电路中用电设备。用电设备指消耗电能的用电器具或电气设备，看图首先要看清楚有几个用电器，它们的类别、用途、接线方式及一些不同要求等。 第二步：要弄清楚用电设备是用什么电器元件控制的。控制电气设备的方法很多，有的直接用开关控制，有的用各种启动器控制，有的用接触器控制。 第三步：了解主电路中所用的控制电器及保护电器。前者是指除常规接触器以外的其他控制元

16、件，如电源开关（转换开关及空气断路器）、万能转换开关。后者是指短路保护器件及过载保护器件，如空气断路器中电磁脱扣器及热过载脱扣器的规格、熔断器、热继电器及过电流继电器等元件的用途及规格。一般来说，对主电路作如上内容的分析以后，即可分析辅助电路。 第四步：看电源。要了解电源电压等级，是380V还是220V，是从母线汇流排供电还是配电屏供电，还是从发电机组接出来的。 （2）看辅助电路的步骤 辅助电路包含控制电路、信号电路和照明电路。 分析控制电路。根据主电路中各电动机和执行电器的控制要求，逐一找出控制电路中的其他控制环节，将控制线路“化整为零”，按功能不同划分成若干个局部控制线路来进行分析。如果控

17、制线路较复杂，则可先排除照明、显示等与控制关系不密切的电路，以便集中精力进行分析。 第一步：看电源。首先看清电源的种类是交流还是直流。其次要看清辅助电路的电源是从什么地方接来的，及其电压等级。电源一般是从主电路的两条相线上接来，其电压为380V。也有从主电路的一条相线和一零线上接来，电压为单相220V；此外，也可以从专用隔离电源变压器接来，电压有140、127、36、6.3V等。辅助电路为直流时，直流电源可从整流器、发电机组或放大器上接来，其电压一般为24、12、6、4.5、3V等。辅助电路中的一切电器元件的线圈额定电压必须与辅助电路电源电压一致。否则，电压低时电路元件不动作；电压高时，则会把

18、电器元件线圈烧坏。 第二步：了解控制电路中所采用的各种继电器、接触器的用途，如采用了一些特殊结构的继电器，还应了解他们的动作原理。 第三步：根据辅助电路来研究主电路的动作情况。 分析了上面这些内容再结合主电路中的要求，就可以分析辅助电路的动作过程。 控制电路总是按动作顺序画在两条水平电源线或两条垂直电源线之间的。因此，也就可从左到右或从上到下来进行分析。对复杂的辅助电路，在电路中整个辅助电路构成一条大回路，在这条大回路中又分成几条独立的小回路，每条小回路控制一个用电器或一个动作。当某条小回路形成闭合回路有电流流过时，在回路中的电器元件(接触器或继电器)则动作，把用电设备接人或切除电源。在辅助电

19、路中一般是靠按钮或转换开关把电路接通的。对于控制电路的分析必须随时结合主电路的动作要求来进行，只有全面了解主电路对控制电路的要求以后，才能真正掌握控制电路的动作原理，不可孤立地看待各部分的动作原理，而应注意各个动作之间是否有互相制约的关系，如电动机正、反转之间应设有联锁等。 第四步：研究电器元件之间的相互关系。电路中的一切电器元件都不是孤立存在的而是相互联系、相互制约的。这种互相控制的关系有时表现在一条回路中，有时表现在几条回路中。 第五步：研究其他电气设备和电器元件。如整流设备、照明灯等。2.1.2 电气原理图的组成电气电路图有原理图、方框图、元件装配以及符号标记图等： (1) 原理图 电气

20、原理图是用来表明设备的工作原理及各电器元件间的作用，一般由主电路、控制执行电路、检测与保护电路、配电电路等几大部分组成。这种图，由于它直接体现了电子电路与电气结构以及其相互间的逻辑关系，所以一般用在设计、分析电路中。分析电路时，通过识别图纸上所画各种电路元件符号，以及它们之间的连接方式，就可以了解电路的实际工作时情况。 电原理图又可分为整机原理图，单元部分电路原理图，整机原理图是指所有电路集合在一起的分部电路图。 （2）方框图（框图） 方框图是一种用方框和连线来表示电路工作原理和构成概况的电路图。从某种程度上说，它也是一种原理图，不过在这种图纸中，除了方框和连线，几乎就没有别的符号了。它和上面

21、的原理图主要的区别就在于原理图上具体地绘制了电路的全部的元器件和它们的连接方式，而方框图只是简朴地将电路按照功能划分为几个部分，将每一个部分描绘成一个方框，在方框中加上简朴的文字说明，在方框间用连线（有时用带箭头的连线）说明各个方框之间的关系。所以方框图只能用来体现电路的大致工作原理，而原理图除了具体地表明电路的工作原理之外，还可以用来作为采集元件、制作电路的依据。 （3）元件装配以及符号标记图 它是为了进行电路装配而采用的一种图纸，图上的符号往往是电路元件的实物的形状图。这种电路图一般是供原理和实物对照时使用的。印刷电路板是在一块绝缘板上先覆上一层金属箔，再将电路不需要的金属箔腐蚀掉，剩下的

22、部分金属箔作为电路元器件之间的连接线，然后将电路中的元器件安装在这块绝缘板上，利用板上剩余的导电金属箔作为元器件之间导电的连线，完成电路的连接。元器件装配图和原理图中大不一样。它主要考虑所有元件的分布和连接是否合理，要考虑元件体积、散热、抗干扰、抗耦合等等诸多因素，综合这些因素设计出来的印刷电路板，从外观看很难和原理图完全一致。2.1.3画电气原理图的一般规律如下： (1) 画主电路绘制主电路时，应依规定的电气图形符号用粗实线画出主要控制、保护等用电设备，如断路器、熔断器、变频器、热继电器、电动机等，并依次标明相关的文字符号 (2) 画控制电路控制电路一般是由开关、按钮、信号指示、接触器、继电

23、器的线圈和各种辅助触点构成，无论简单或复杂的控制电路，一般均是由各种典型电路(如延时电路、联锁电路、顺控电路等)组合而成，用以控制主电路中受控设备的“起动”、“运行”、“停止”使主电路中的设备按设计工艺的要求正常工作。对于简单的控制电路：只要依据主电路要实现的功能，结合生产工艺要求及设备动作的先、后顺序依次分析，仔细绘制。对于复杂的控制电路，要按各部分所完成的功能，分割成若干个局部控制电路，然后与典型电路相对照，找出相同之处，本着先简后繁、先易后难的原则逐个画出每个局部环节，再找到各环节的相互关系第三章数控铣床电气原理图分析 数控铣床工作台左右运动为X坐标，前后运动为Y坐标，均由GK6062-

24、6AF31交流永磁伺服电动机通过同步齿形带、带轮、滚珠丝杠和螺母实现；主轴箱上下运动为Z坐标，其运动由GK6063-6AF31带抱闸的交流永磁伺服电动机通过同步齿形带、带轮、滚珠丝杠和螺母实现。 机床主轴旋转运动则由YPNC-50-5.5-A主轴电动机经同步带及带轮传至主轴。主轴电动机为变频调速三相异步电动机，由数控系统控制变频器的输出频率实现主轴无级调速。3.1 动力电路 图3是数控铣床的380V动力电路。图中QF1、QF3、QF2、QF4分别为电源总开关以及主轴强电、伺服强电、冷却电动机所在电路的断路器，在各自的电路中起接通电源及短路保护、过流保护等作用，其中QF4断路器还带有辅助触头，该

25、触头信号输进到PLC中作为报警信号。 KM1为控制伺服电动机、主轴电动机、冷却泵电动机的交流接触器的主触头，分别控制相应的电动机。TC1则是将380V电压变换为交流220V电压的主变压器，采用三角-星连接，输出的220V交流电供给伺服电源模块。 RC1为阻容吸收器，当相应的电路断开后，可吸收伺服电源模块、主轴变频器、冷却电动机的瞬时开释能量，进行过电压保护。3.2 电源控制线路 图3是数控铣床的电源控制线路。图中TC2是控制变压器，一次侧接进来自动力电路U、V真个AC380交流电源，二次侧则输出AC110V、AC24V 、AC220V三路。 AC110V供给交流控制线路、电柜热交换器电源； A

26、C24V 供给工作灯线路；AC220V供给主轴风扇电动机、润滑电动机和24V直流稳压电源VC1，并通过低通滤波器滤波后再供给伺服模块、电源模块和24V直流稳压电源VC2。 VC1直流稳压电源将给数控装置、PLC输进输出接口、24V继电器线圈、伺服模块、电源模块、悬挂风扇提供电源；VC2直流稳压电源则给Z轴电动机提供24V的Z轴抱闸装置。QF7、QF10、QF11单极断路器为各自所在支路提供短路保护。3.3交直流控制线路 图4是数控铣床的直流控制线路， KA1KA9等继电器线圈的通断状态由PLC的输出信号控制。 图4是XK714A数控铣床交流控制线路，所需110V电源由电源控制电路接进，线路中与

27、KM1、KM2、KM3接触器线圈并联连接的RC4、RC5、RC6为RC阻容吸收器。 3.3.1主轴电动机控制直流控制线路中，当X、Y、Z、W各轴的正负限位开关未被压下、伺服未报警（即伺服OK有信号）、SB1急停开关未被压下、主轴未报警时（110外部答应有信号），直流24V继电器的线圈KA2、KA3通电伺服答应支路中的常开辅助触头KA2、KA3闭合，一旦PLC输出伺服强电答应信号，KA1直流24V继电器线圈立即通电，交流控制线路中的KA1常开触头闭合，使KM1、KM2线圈通电，机床动力电路中因主轴强电电路中的QF3合上、KM2主触头闭合，380V三相交流供给主轴变频器。 当PLC发出Y10主轴正

28、转（或Y11主轴反转）信号以及主轴转速指令时，代表主轴转速的直流电压值就会送进主轴变频器，主轴变频器按代表主轴转速的直流电压值控制主轴转速进行正转（或反转）起动。 主轴正转（或反转）起动至指定转速时，主轴变频器输出主轴速度到过信号给PLC，完成主轴起动过程。主轴的起动时间、制动时间由主轴变频器内部参数设定。3.3.2冷却电动机控制 当有手动或自动冷却指令时，PLC将输出Y05有效的信号，直流控制线路中的KA6直流24V继电器线圈通电，交流控制线路中因KA6常开辅助触头闭合而使KM3线圈通电，导致动力电路中的KM3主触头闭合，若QF4低压断路器合上，则冷却泵电动机M2起动带动冷却泵工作。3.3.

29、3换刀控制 当有手动或自动刀具松开指令时，PLC将输出Y06有效信号，直流控制线路中的KA4直流24V继电器线圈通电，终极将使刀具松/紧电磁阀通电，刀具松开，此时可手动将刀具拔下。 延时一段时间后，PLC将输出Y12有效信号，直流控制线路中的KA7直流24再经一段时间延时，PLC输出Y12撤消信号，主轴吹气电磁阀断电，此时可将加工所需刀具放进主轴锥孔。然后机床CNC装置控制PLC输出Y06撤消信号，使刀具松/紧电磁阀断电，刀具重新夹紧而完成装刀过程。 V继电器线圈通电，导致主轴吹气电磁阀通电，清除主轴锥孔内灰尘。致 谢三年的学习生活即将结束，回顾三年的学习生活，感受颇深，收获丰厚。在论文的写作

30、过程中，有很多困难，无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查四询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会我向导师表示衷心的感谢！同时，我要感谢包头职业技术学院授课的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。同时我也要感谢我的同学给予我的帮助，他们为我撰写论文提供了不少建议和帮助。我要感谢，非常感谢我的导师卢彦林老师。他为人随和热情，治学严谨细心。在闲聊中他总是能像知心朋友一样鼓励你，在论文的写作和措辞等方面他也总会以“专业标准”严格要求你，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，卢老

31、师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。正是卢老师的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢卢彦林老师！还要感谢三年的大学生活，感谢我的家人和那些永远也不能忘记的朋友，他们的支持与情感，是我永远的财富。最后，衷心感谢于百忙之中评阅论文的各位老师！谢谢！参考文献1 张建民.机电一体化系统设计M.北京:机械工业出版社.20012 张训文. 机电一体化系统设计与应用M.北京：北京理工大学出版社.20063 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书. 北京:机械工业出版社.20074 张立勋等.机电一体化系统设计M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.5 文怀兴、夏田.数控机床系统设计M.北京：化学工业出版社.20086 李发海、王岩.电机与拖动基础（第三版）.北京：清华大学出版社.20057 张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社.2010