CNC3136数控车床电气系统设计.doc

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1、河北工业职业技术学院毕 业 论 文论文题目： CNC3136数控车床电气系统设计一、 任务情况描述：人类进入21世纪以后，信息化的社会使得各行各业都在突飞猛进地发展，尤其是计算机和网络的发展使得传统的机械制造业走向了更高的一个台阶。这就有了数控技术的诞生。旧形式的生产技术与新一代的自动化技术是不可比拟的，所以要想产生更多、更快、更安全的生产力，我们必须对数控技术的发展有所了解、有所研究。二、任务完成计划：7月 1日7月10日 选取论文的题目。7月 11日8月20日 搜集与论文题目相关的资料。8月21日8月31日 对所搜集资料进行系统的整合，拟出论文的框架。9月1日9月20日 依据论文的框架，充

2、分利已有资料，完成论文的初稿。9月20日9月22日 指导老师审阅并提出修改建议，与老师商定论文的定稿工作。9月22日30日 做好论文的修改及完善工作，定稿。三、 计划答辩时间：2011年10月实习指导教师（签字）： 系学生顶岗实习领导小组组长（签字）： 年 月 日 年 月 日目 录一、 引言1二、 数控车床主要控制电路设计1（一） 数控车床常用电气元件1（二）、 380V强电控制回路4（三）、 电源回路7三、 PLC输入输出控制7（一） 可编程控制器概述7（二） PLC输入/输出与通信接口10四、 伺服驱动进给系统设计12（一）、伺服驱动进给装置的接口设计12五、结 论15参考文献16CNC3

3、136数控车床电气系统设计摘要：数控技术发展飞速的今天，数控技术在现代制造业发挥越来越重要的作用，数控机床是数控制造业的核心，本文主要介绍了对数控车床的电气系统设计的过程。CNC6136A 是基于华中数控系统HNC-21的基础上设计制造的新一代的数控车床，对其电气系统设计使尤为重要的，其内容包括强电设计、弱点设计、PLC输入输出及接口设计，绘制出整个机床的电气系统原理图等。本设计给出了整个机床的原理图绘制过程，重点部分模块化，较详细地介绍了各个部分的功能及用途。分为 380V强电回路，控制回路，PLC输入输出控制，主轴驱动模块和进给伺服驱动模块，并介绍了相关的电气知识。通过本设计说明书可以基本

4、上掌握数控车床的电气原理，以及基本的电气常识，使读者无论是从整体上还是各个模块中都能够了解到数控车床相关的一系列电气知识关键词：数控系统；数控车床；主电路；控制电路；PLC控制；电气原理图一、 引言机床是对金属或其它材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何精度和表面质量的机器，机床是用以制造一切机械(包括能制造机床自身)的机器，机床是机械制造业的基本加工装备。它的品种、性能、质量和技术水平直接影响着其它机电产品的性能、质量、生产技术水平和企业的经济效益。随着科学技术的高速发展，以电子信息技术为主体，世界机床产业已进入机电一体化时代，其代表产品就是数控机床。CNC6136A数控车床就是典型

5、的现代化设备，它的出现是机械加工设备的新突破。随着科学技术和市场经济的不断发展，人们对机械产品的质量、生产率和新产品开发的周期提出了越来越高的要求，所以，新一代的数控车床便应运而生。CNC6136A 数控车床是基于华中数控“世纪星”HNC-21TD系统的数控车床，其中一个主要的环节就是电气系统设计,其中包括强电设计，弱电设计，以及PLC接口设计等。电气系统是整个车床的控制中心，所以设计工作尤为重要。二、 数控车床主要控制电路设计（一） 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

6、，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。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 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

7、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。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。5直流稳压电源 如图2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直流稳压电源电气图形及文字符号6

8、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所示。图 熔断器电气图形及文字符号7开关电器（1）行程开关 如图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。图 行程开关电气图形及文字符号（2）接近开关 如图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

9、、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 接近开关电气图形及文字符号（二）、 380V强电控制回路图 380V强电回路(a)图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，在动

10、、静触点间产生强烈电弧，烧坏主触点。图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 380V强电回路(b)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 互锁控制线路

11、如图所示，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。（三）、 电源回路图 电源回路图图为机床的电源线路，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。三、 PLC输入输出控制（一） 可编程控制器概述可编程控制器（以下简称PLC）是20世纪60年代

12、发展起来的一种新型自动化控制装置，目前已广泛应用于各种工业设备。可编程控制器是计算机技术与自动控制技术有机结合的一种通用工业控制器。在此之前，机床的顺序控制是以机床当前运行状态为依据，使机床按预先规定好的动作依次地工作，这种控制方式的实现，是由传统的继电器逻辑电路RLC完成的。RLC是将继电器、接触器、按钮、开关等机电式控制器件用导线、端子等连接起来的电路，以实现规定的顺序控制功能。可编程控制器是一种数字运算电子系统，专为在工业环境下运用而设计。它采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或

13、生产过程。可编程控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工业控制系统，且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计。数控机床的控制由数控装置和可编程控制器协调配合共同完成：数控装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等； 可编程控制器（以下简称PLC）主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有实现轨迹运动上的具体要求。1可编程控制器（PLC）具有如下特点：（1）PLC是一种专用于工业顺序控制的微机系统。为了适应顺序控制的要求，PLC省去了微机的一些数字运算功能，而强化了逻辑运算控制功能，是一种介于继电器控制和微机控制之间的自动控制装置；（2）PLC是专为在恶

14、劣的工业环境下使用而设计的，所以具有很强的抗干扰能力。除输入/输出部分采用光电隔离的措施外，对电源、运算器、控制器、存储器等也设置了多种保护和屏蔽。PLC没有继电器那种机械触点，因此，不存在触点的接触不良、熔焊、磨损和线圈损坏等故障；（3）相对于RLC，PLC采用软件实现用户控制逻辑，结构紧凑、体积小，很容易装入机床内部或电气箱内，便于实现动作复杂的控制逻辑和数控机床的机电一体化；（4）目前大多数的PLC，均采用梯形图编程方式。梯形图与继电器逻辑控制电路图十分相似，图形符号形象直观、工作原理易于理解和掌握、编程简单、操作方便、改变程序灵活；（5）PLC可与编程器、个人计算机等联接，可以很方便地

15、实现程序的显示、编辑、诊断、存储和传送等操作。2可编程控制器的分类：从数控机床应用的角度可编程控制器可分为两类：一类是CNC的生产厂家专为数控机床顺序控制而将数控装置（CNC）和PLC综合起来而设计制造的“内装型”PLC。另一类是专业的PLC生产厂家的产品，它们的输入/输出信号接口技术规范，输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能均能满足数控机床的控制要求，称为“独立型”PLC。3可编程控制器的组成及工作方式：PLC实质是一种专用计算机，它的组成形式基本上与微机相同，主要包括：微处理器（CPU）、存储器、用户输入/输出部分、输入/输出扩展接口、外围设备以及电源等。对于内装型PLC，CPU

16、、存储器、外围设备、电源等部分一般与CNC装置共用。PLC的基本工作方式是顺序执行用户程序，每一时刻执行一条指令，由于相对于外部电气信号有足够的执行速度，从宏观上看是实时响应的。对用户程序的执行一般有循环扫描和定时扫描两种，扫描过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，图10为数控车床中的PLC系统。图10 数控车床中的PLC（二） PLC输入/输出与通信接口1PLC输入开关量定义：X10（ 输入接口I0-I19）表1 输入开关量定义引脚号信号名标号信号定义13I00X0.0X 轴正超程限位开关，常开点，闭合有效。25I01X0.1X 轴负超程限位开关，常开点，闭合有效。1

17、2I02X0.2Z 轴正超程限位开关，常开点，闭合有效。24I03X0.3Z 轴负超程限位开关，常开点，闭合有效。11I04X0.423I05X0.510I06X0.622I07X0.79I08X1.021I09X1.1主轴电机报警，常闭点，断开有效。8I10X1.2X 轴回参考点开关，常开点，闭合有效。20I11X1.3Z 轴回参考点开关，常开点，闭合有效。7I12X1.4刀架电机过热报警，常闭点，断开有效。19I13X1.5冷却系统报警，常闭点，断开有效。6I14X1.618I15X1.75I16X2.01号刀到位，常开点，闭合有效。17I17X2.12号刀到位，常开点，闭合有效。4I18

18、X2.23号刀到位，常开点，闭合有效。16I19X2.34号刀到位，常开点，闭合有效。3空1，2，14，1524V地外部直流24V 电源接地2PLC输出开关量定义：X20（输出接口00-015）表2 输出开关量定义引脚号信号名标号信号定义13000Y0.0运行允许， 低电平有效。25001Y0.1系统复位， 低电平有效。12002Y0.2伺服允许 ，低电平有效。24003Y0.311004Y0.423005Y0.5冷却开，低电平有效。10006Y0.6刀库正转，低电平有效。22007Y0.7刀库反转，低电平有效。9008Y1.0主轴正转，（主轴使能）， 低电平有效。21009Y1.1主轴反转，

19、（主轴使能）， 低电平有效。8010Y1.220011Y1.37012Y1.419013Y1.56014Y1.618015Y1.75空17ESTOP3急停回路驱动KA ，继电器控制动力电源的输出端子4ESTOP1急停回路与超程回路的串联的接入端子16OTBS2超程限位开关的接入端子3OTBS1超程限位开关的接入端子1，2，14，1524V地外部直流24V 电源接地3通讯接口数控机床PLC主要包括两类接口信息：（1）硬件电气接口信息：PLC与数控装置、机床及机床电气设备之间的电气连接部分；（2）软件寄存器接口信息：PLC为了运算和实现某些特殊功能的需要，以及内装式PLC与NC间，数据交换的需要设

20、置的寄存器变量或功能函数。PLC常用的电气接口一般有开关量输入接口、开关量输出接口和模拟量输出接口等三种。主轴控制接口：XS9如图11所示。图11主轴控制接口模拟接口式、脉冲接口式伺服驱动器控制接口：XS30-XS33如图12所示。 图12 伺服驱动器控制接口四、 伺服驱动进给系统设计（一）、伺服驱动进给装置的接口设计在数控机床上进给驱动装置根据来自CNC的指令，控制电动机的运行，以满足数控机床工作的要求。因此进给驱动装置至少要求具备工作电源接口、接收CNC或其他设备指令以及控制电动机运行的接口，这些都是最基本的接口，如图13所示，标出最简单地进给驱动器接线图。此外，为了伺服系统的安全，进给驱

21、动装置一般提供了工作状态信息和报警接口；为了方便，有些进给驱动装置还提供了通信接口等，根据不同的伺服类型和功能的强弱，除了基本接口外，进给驱动装置的接口会相差很多，例如，交流伺服驱动装置一般比步进电动机驱动装置具有更丰富的接口。图13 进给驱动装置的基本接口进给驱动装置的接口，按照功能不同可分为： 1、电源接口 2、指令接口 3、控制接口 4、状态与安全报警接口 5、通信接口 6、反馈接口 7、电动机电源接口如图14是X轴伺服模块的连接图图14 X轴伺服模块图中体现了X 轴伺服模块的强电回路即反馈回路接线图，电源接口R1,T1进给驱动装置的电源一般分为动力电源和逻辑电源电路，对于交流伺服进给驱

22、动装置，还需要控制电源。进给驱动装置提供了一系列的接口装置。指令接口一般采用脉冲接口或模拟量接口，有些还提供通信和总线的方式作为接口。控制接口对进给驱动伺服装置而言是输入信号接口，用于接受CNC、PLC以及其他设备的控制指令，以便调整驱动装置的工作状态、工作特性或对驱动装置和电动机驱动的机床设备进行保护。状态与安全报警接口对进给驱动装置而言是输出信号接口，用于通知CNC、PLC以及其他设备驱动装置目前的工作状态。反馈接口一般分为来自位置、速度检测元件、和输出到CNC的位置反馈接口。电动机电源接口一般采用端子的形式，小功率的电动机也会采用插接件的形式。伺服系统接线分为三个模块，即，电源模块标准接

23、线，位置控制方式标准接线，速度控制方式标准接线。五、结 论在这次毕业设计中，我在对数控车床的工作原理以及内部结构的分析研究的基础上，进行了CNC6136A数控车床的电气系统设计，此车床是基于华中数控HNC-21系统的基础上的新一代数控车床，它具有高速、精密、可靠、经济等特点。车床的电气系统设计是整个车床的核心部分，主要分为强电回路设计、控制回路设计、PLC输入输出设计、伺服驱动进给设计和主轴驱动设计五个方面，要求绘制出整个车床的电器原理图。通过此次设计，也使我受益非浅，不仅是我了解了一台数控车床的电气系统工作原理，更是我学会了很多电气设计方面的知识，不仅丰富了我自己，而且也弥补了以前学习过程中

24、的漏洞，虽然时间不长，但是收获颇丰，但是由于时间的关系，以及本人的能力有限，此次设计中也存在着需要改进的地方和不足之处，希望各位老师给与点拨和指教。参考文献1 陈吉红，杨克冲 .数控机床实验指南 .武汉：华中科技大学出版社，2003.52 毕承恩，丁乃建.现代数控机床.北京：机械工业出版社，1991.3 龚仲华主编.数控机床故障诊断与维修500例.北京：机械工业出版社,20054 秦鹏飞现代制造工程M上海：中国纺织大学出版社，19985 杨叔子，杨克冲机械工程控制基础.武汉：华中理工大学出版社，1993.6 叶济忠，余胜天.电子机械运动控制技术.武汉：华中理工大学出版社,19937 毕承恩，丁

25、乃建.现代数控机床.北京：机械工业出版社，1991.8 杨叔子，杨克冲机械工程控制基础.武汉：华中理工大学出版社，19939 武友得.数控设备故障诊断与维修技术.北京:化学工业出版社,2004.10 严爱珍，李宏胜.机床数控原理与系统.北京：机械工业出版社，199911 王润孝，秦现生. 机床数控原理与系统.西安：西北工业大学出版社，1997.12 王贵成.数控机床故障诊断技术.北京:化学工业出版社,2005.13 廖效果，朱启裘数字控制机床.武汉：华中科技大学出版社，1992.14 齐占庆. 机床电气自动控制.北京：机械工业出版社.1997.15 廖兆荣机床电气自动控制北京：化学工业出版社，200416 韩鸿鸾,荣维芝.数控机床的结构与维修.北京：机械工业出版社,2004.17 王也仿.可编程控制器应用技术.北京:机械工业出版社,2001.18 贺哲荣.机床电气控制线路图识图技巧.北京：机械工业出版社，2002.19 BEIJING-FAUNC 0i-TC操作说明书 (电子版)20 任志锦电机与电气控制. 北京:机械工业出版社，2002.