设计说明书

项目名称：           数控铣床控制系统设计              

系    别：             机械电子工程系                  

专    业：          机械设计制造及其自动化              

姓    名：     city       学    号：    09128888     

组    员：            学    号：          

            学    号：         

指导教师：      陈少波                                       

完成时间：   2012 年  6 月 8 日 至  2012 年  6 月 22 日

目录

1 概述    3

1.1 设计目的    3

1.2使用设备    3

1.3设计内容及要求    3

2 NUM1020控制系统设计    4

2.1 功能概述    4

2.2 主要元器件选型    5

2.2.1电机选型    5

2.2.2 伺服驱动器与变频器选型    7

2.3 电路原理设计    7

2.3.1 电源供电设计    7

2.3.2 驱动电路设计    9

2.3.3 电机编码器与伺服驱动器连接设计    9

2.3.4 手轮与轴卡连接设计    9

2.3.5铣床控制电路设计    10

2.4 控制系统设计    11

2.4.1控制系统功能设计    12

2.4.2 参数设置    12

2.4.3 程序设计    14

3 总结    17

1 概述

1.1 设计目的 

1）、掌握简单数控铣床控制系统的设计过程

2）、掌握常用数控系统（NUM1020）的操作过程

3）、掌握交流伺服电机的工作方式及应用过程

4）、了解数控系统内置式 PLC 的实现原理及编程方式 

5)、掌握数控系统自动控制功能程序的设计及开发过程 

1.2使用设备

1)、NUM1020数控系统一套

2)、安川交流伺服电机3套

3)、计算机及梯形图编辑软件一套

1.3设计内容及要求

1）、以实验室现有的设备（NUM1020数控系统）作为控制器，参照实验室现有的数控铣床的功能，完成一台具有3轴联动功能的数控铣床的电气系统设计过程。

2）、移动轴（3轴）采用实验室现有的交流伺服电机进行驱动，采用半闭环位置控制模式。

3）、主轴采用实验室现有的变频调速器进行设计驱动，系统不要求具备自动换刀功能。

4）、完成PLC输入输出点的分配。

5）、具有行程及其他基本的保护功能。

6）、设计相关功能的梯形图控制程序（要求具有：手动进给功能、手轮进给功能、MDI功能、自动控制功能及各种基本的逻辑保护功能）

7）、完成设计报告。

2 NUM1020控制系统设计

2.1 功能概述

    此三轴联动数控铣床由X、Y、Z轴三轴及主轴组成，X、Y、Z轴采用伺服电机传动，由伺服驱动器驱动。主轴采用普通三相异步电机，由变频器驱动。数控系统采用NUM1020数控系统。由NUM1020数控系统作为控制核心，三台伺服驱动器通过NUM1020系统的轴卡地址编码控制，主轴变频器由数控系统的PLC输出模拟量控制，同时变频器反馈速度模拟量输入到PLC。系统框图如图1所示。

图1 功能概述图

2.2 主要元器件选型

2.2.1电机选型

性能参数设计指标：

（1）工作台质量m=510kg（所受的重力W=5000N）；

（2）主轴部分工作部件质量m=510kg（所受的重力W=5000N）；

（3）工作台的最大行程Lp=600mm；

（4）工作台X轴和Y轴最大移动速度Vmax=9000mm/min；

（5）z轴最大移动速度为3000mm/min；

（6）主轴最大转速n=2000n/min；

（7）最大切削力F=1000N；

（8）铣刀最大直径d=20mm；

（9）工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数μ=0.15。

（10）位置控制精度0.01mm。

2.2.1.1 X轴和Y轴驱动电机选型：

    X、Y轴为平动，电机驱动力仅需要克服平动所受到的导轨的摩擦力，因此电机所需功能较小。

    所需驱动功率

假设电机传动效率为 η=0.9，则电机最小功率为P_1=P/η=0.13kW

2.2.1.2 Z轴驱动电机选型：

    Z轴电机驱动主轴部件移动时，需要克服工作部件的重力，所需要电机功能较大。

    所需驱动功率

假设电机传动效率为 η=0.9，则电机最小功率为P_2=P/η=0.28kW

2.2.1.3 主轴轴驱动电机选型：

    依据性能参数设计指示，最大切削力F=1000N，铣刀最大直径d=20mm

    所需电机最大转矩T

由公式   得 

所需驱动功率

    查电机型号选型手册，低功率交流电机的转速较大，没有2840 n/min及以下的，因此，此处电机扭矩计算按电机转速3000 n/min计算：

假设电机传动效率为 η=0.9，则电机最小功率为P_2=P/η=3.5Kw

    根据以上计算，X、Y、Z轴的伺服电机选用日本安川品牌的交流伺服电机，主轴选用西门子品牌的三相异步电机。电机型号如下表所示：

设齿轮传动比，丝杆导程为t=6mm，则控制精度为

符合设计精度指示要求。

2.2.2 伺服驱动器与变频器选型

    因驱动电机选取的是安川品牌的伺服电机，为了使系统性能更优，方便维护，选取安川品牌的伺服驱动器，型号与伺服电机对应。变频器选型台达品牌的通用型号。如下表所示：

伺服器与变频器型号

2.3.1 电源供电设计

    图2所示是铣床数控系统输入电源电路部分。其中L1、L2、L3为火线，构成三相交流380V供电线；N为零线；PE为地线。一台伺服电机额定电流8A，整个系统估计30A，初定40A,选用14平方铜线。电源总开关采用断路器，对电路过载及过流保护。通过三相隔离变压器，将三相交流380V电压转换成三相交流220V电压对伺服电机的供电，三台伺服电机的总功率是2.9KW，变压器功率选4.5KW。加入220VAC-24VDC电源模块，将两相220V交流电压转换成24V直流电压，对NUM系统及其PLC输入输出部分供电。

图2 电源供电设计

图3 驱动电路设计

2.3.2 驱动电路设计

    如图3所示，X、Y、Z轴伺服电机连接伺服驱动器，主轴电机连接变频器，变频器的电路接通及正反转控制由NUM系统的PLC输出电路控制。主轴电机由接入变频器，由AC380V供电。冷却液泵采用三相AC380V的电机驱动，功率为40W。电路中采用断路器对电路进行过载及短路保护。

2.3.3 电机编码器与伺服驱动器连接设计

    如图4所示，为电机编码器与伺服驱动器连接，采用速度控制模式。X、Y、Z轴的接线方式相同。

图4电机编码器与伺服驱动器连接电路

2.3.4 手轮与轴卡连接设计

图5 手轮与轴卡连接电路

2.3.5铣床控制电路设计

图6 铣床控制电路

    如图6所示，继电器部分KA1~KA10为直流24V中间继电器，由输出开关量控制，主要控制主轴正反转、冷却电动机及伺服控制等。图中S1、S3分别为X轴的正、反超程限位开关的常闭触点；S3、S4分别为Y轴的正、反超程限位开关的常闭触点；S5、S6分别为Z轴的正、反超程限位开关的常闭触点，它们结合伺服系统的运行标志位来控制系统的运行允许继电器。伺服ON是来自伺服电源模块与伺服驱动模块的故障连锁。

2.4 控制系统设计

图7 PLC接口

    如图7所示，根据系统控制对PLC的输入输出端口进行分配，输入开关量主要有进给装置、主轴装置、冷却液等的状态信息，输出开关量控制是相应的继电器工作。

2.4.1控制系统功能设计

    数控机床存在很多的参数，不同的参数起到不同的控制作用，系统庞大，故在此只设置一些参数起到我们想要的参数，下面是NUM1020典型参数设置表:

（1）P2的意思是测量轴X、Y、Z轴，三个轴分别占有从低位到高位的三个位置。系统设置为07时，在X、Y、Z所占的位子上显示的数都为1，所以三轴都测量。当改成05时在Z的位置上显示的为0，所以只有X、Y轴测量

（2）P0是指在显示屏中显示的轴。同理当三轴都显示的时候系统设置为07。当改为03时，Z轴不显示。

（3）P10是指轴的测量方向，当系统设置为04时，Z轴是1、X、Y轴是0。应该X、Y轴的转动方向一致。但由于决定电机转动方向的还有电机的三根线的接线方式。所以会导致在观察的时候X、Z轴的转动方向一致。

（4）P11轴的测量单位转换系数、俗称电子齿轮。通过改变其的设置值可以改变电机的转速。

（5）P12是手轮的测量方向，在系统中给首轮分配了两个位。当设置值为00时，顺时针转动手轮时显示轴转动方向的值为正值。当设置值为01时，顺时针转动手轮时显示轴转动方向的值为负值。

    （6）P23是参数的设置可改变最大跟随误差，当超过跟随误差时，屏幕出现报警。

2.4.3 程序设计

程序初始化：

%w5.7为屏幕保护功能选择，设定其为0即禁止屏幕保护。%w4.0当其为1时允许所有轴进给，不为1时所有轴都不能进给。%w100.0为控制轴组1（X、Y、Z）的进给，%w100.1复位时，处于MDI模式或自动模型，其运行后其他指令不再运行，直接回到原来程序继续运行。其中%w4.0、%w4.3、%w100.5、%100.2、%100.1等均为无条件执行，梯形图：

MDI手轮和手动选择程序

采用%M10.w作为分支条件，根据其等于1或者2转到相关的子程序执行。图中%16.B代表手动方式和回零方式。%15.B代表手动增量类型和手轮进给。

手轮控制

%I100.0手动进给轴选择x，%I101.0代表手动正向进给，%I501.0代表正向行程开关，%w9.0代表手动正向进给（电机正转）；%I101.0代表手动负向进给，%I501.1代表负向行程开关，%w9d.0代表手动负向进给（电机反转）。Y、Z轴的方向控制同X轴。此外，为了解决正转和反转同时转动的问题，用了互锁原理，当%101.0作用时，只有正转；当%101.1作用时，只有反转，当两个同时按下时两个都不转，控制X、Y、Z方向梯形图如下：

主轴控制

①%R122.0、%R122.1、%R122.2分别代表主轴的顺时、逆时转动和主轴停；%Q501.0代表主轴顺时转动的灯亮，%Q501.1逆时针转动的灯亮；%I503.6代表出故障，%w100.5代表系统至于等待状态，不处理正在执行的程序段中的下一个功能。

自动加工循环程序

%I103.1循环启动按钮输入，当输入为1时，循环启动模型开启；%W3.2动作向NC系统提出循环加工请求；%R3.2为PLC检测到NC系统响应了循环加工请求后就动作，梯形图：

电机报警

要%R5.0显示息，%Q500.3才有效。

且%500.2、%500.3 %500.4都不工作，%M700.1运行。

3 总结 

这个课程设计项目综合了《数控技术》和《机电传动控制》两门课和内容，是一个综合的应用。通过本次课程设计，使我了解熟悉了简单的数控铣床控制系统的设计过程和常用数控系统（NUM1020）的设计过程。

由于临近期末考试，时间紧迫，设计的准备工作内容量较大，因此这个课程

设计由我和另两位同学组队完成。项目中，我负责电机的选型及电气原理图设计。

    这次课程项目设计，极大的提高了我能力。因为时间问题，这个项目在两天时间内基本完成了，组员分工明确，及时交流查找到的信息，互相帮助解决各自遇到的问题，有效的提高了项目进程。

    项目设计中，核心部件选用的是外国的产品，因国产的伺服电机运行不稳定，可靠性远比不上外国的产品，数控系统可靠性较差等等这些原因使我们放弃选用国产的产品。我们都知道，核心零部件的价值是最高的，这对于我国的工业化生产带来极大的损失。下载本文