三軸數(shù)控銑床設(shè)計(jì)報(bào)告

1、控 制 系 統(tǒng) 課 程 項(xiàng) 目設(shè)計(jì)說明書 項(xiàng)目名稱： 數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別： 機(jī)械電子工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： citycars 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 陳少波 完成時(shí)間： 2012 年 6 月 8 日 至 2012 年 6 月 22 日目錄1 概述31.1 設(shè)計(jì)目的31.2使用設(shè)備31.3設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求32 NUM1020控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.1 功能概述42.2 主要元器件選型52.2.1電機(jī)選型52.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器選型72.3 電路原理設(shè)計(jì)72.3.1 電源供電設(shè)計(jì)72.3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)92.3.3 電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接設(shè)計(jì)92.3.4

2、手輪與軸卡連接設(shè)計(jì)92.3.5銑床控制電路設(shè)計(jì)102.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)112.4.1控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)122.4.2 參數(shù)設(shè)置122.4.3 程序設(shè)計(jì)143 總結(jié)171 概述1.1 設(shè)計(jì)目的 1）、掌握簡(jiǎn)單數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程2）、掌握常用數(shù)控系統(tǒng)（NUM1020）的操作過程3）、掌握交流伺服電機(jī)的工作方式及應(yīng)用過程4）、了解數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置式 PLC 的實(shí)現(xiàn)原理及編程方式 5)、掌握數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)控制功能程序的設(shè)計(jì)及開發(fā)過程 1.2使用設(shè)備1)、NUM1020數(shù)控系統(tǒng)一套2)、安川交流伺服電機(jī)3套3)、計(jì)算機(jī)及梯形圖編輯軟件一套1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1）、以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備（NUM1020數(shù)控系

3、統(tǒng)）作為控制器，參照實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的數(shù)控銑床的功能，完成一臺(tái)具有3軸聯(lián)動(dòng)功能的數(shù)控銑床的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。2）、移動(dòng)軸（3軸）采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用半閉環(huán)位置控制模式。3）、主軸采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的變頻調(diào)速器進(jìn)行設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)不要求具備自動(dòng)換刀功能。4）、完成PLC輸入輸出點(diǎn)的分配。5）、具有行程及其他基本的保護(hù)功能。6）、設(shè)計(jì)相關(guān)功能的梯形圖控制程序（要求具有：手動(dòng)進(jìn)給功能、手輪進(jìn)給功能、MDI功能、自動(dòng)控制功能及各種基本的邏輯保護(hù)功能）7）、完成設(shè)計(jì)報(bào)告。2 NUM1020控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 功能概述此三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床由X、Y、Z軸三軸及主軸組成，X、Y、Z軸采用伺服電機(jī)傳動(dòng)，

4、由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。主軸采用普通三相異步電機(jī)，由變頻器驅(qū)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)采用NUM1020數(shù)控系統(tǒng)。由NUM1020數(shù)控系統(tǒng)作為控制核心，三臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器通過NUM1020系統(tǒng)的軸卡地址編碼控制，主軸變頻器由數(shù)控系統(tǒng)的PLC輸出模擬量控制，同時(shí)變頻器反饋速度模擬量輸入到PLC。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 功能概述圖2.2 主要元器件選型2.2.1電機(jī)選型性能參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)：（1） 工作臺(tái)質(zhì)量m=510kg（所受的重力W=5000N）；（2） 主軸部分工作部件質(zhì)量m=510kg（所受的重力W=5000N）；（3）工作臺(tái)的最大行程Lp=600mm；（4）工作臺(tái)X軸和Y軸最大移動(dòng)速度Vmax=9000mm/mi

5、n；（5）z軸最大移動(dòng)速度為3000mm/min；（6）主軸最大轉(zhuǎn)速n=2000n/min；（7）最大切削力F=1000N；（8）銑刀最大直徑d=20mm；（9）工作臺(tái)采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦系數(shù)=0.15。（10）位置控制精度0.01mm。2.2.1.1 X軸和Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型：X、Y軸為平動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力僅需要克服平動(dòng)所受到的導(dǎo)軌的摩擦力，因此電機(jī)所需功能較小。所需驅(qū)動(dòng)功率P=FV=W××V=5000×0.15×6000/(60×1000×1000)KW=0.12KW假設(shè)電機(jī)傳動(dòng)效率為 =0.9，則電機(jī)最小功率為P_1=P/=0.

6、13kW2.2.1.2 Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型：Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸部件移動(dòng)時(shí)，需要克服工作部件的重力，所需要電機(jī)功能較大。所需驅(qū)動(dòng)功率假設(shè)電機(jī)傳動(dòng)效率為 =0.9，則電機(jī)最小功率為P_2=P/=0.28kW2.2.1.3 主軸軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型：依據(jù)性能參數(shù)設(shè)計(jì)指示，最大切削力F=1000N，銑刀最大直徑d=20mm所需電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T由公式 得 所需驅(qū)動(dòng)功率查電機(jī)型號(hào)選型手冊(cè)，低功率交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速較大，沒有2840 n/min及以下的，因此，此處電機(jī)扭矩計(jì)算按電機(jī)轉(zhuǎn)速3000 n/min計(jì)算：假設(shè)電機(jī)傳動(dòng)效率為 =0.9，則電機(jī)最小功率為P_2=P/=3.5Kw根據(jù)以上計(jì)算，X、Y、Z軸的伺服電機(jī)選用日本

7、安川品牌的交流伺服電機(jī)，主軸選用西門子品牌的三相異步電機(jī)。電機(jī)型號(hào)如下表所示：軸型號(hào)轉(zhuǎn)速功率扭矩編碼器XSGMGH054AAA2S1500r/min0.45KW490Nm17比特增量式Y(jié)SGMGH054AAA2S1500r/min0.45KW490Nm17比特增量式ZSGMGH20ACB2S1000r/min2.0KW1176Nm17比特增量式主軸Y112M-22890r/min4.0KW13.2 Nm2.2.1.4 控制精度驗(yàn)算：設(shè)齒輪傳動(dòng)比，絲桿導(dǎo)程為t=6mm，則控制精度為符合設(shè)計(jì)精度指示要求。2.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器選型因驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取的是安川品牌的伺服電機(jī)，為了使系統(tǒng)性能更優(yōu)，方

8、便維護(hù)，選取安川品牌的伺服驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)與伺服電機(jī)對(duì)應(yīng)。變頻器選型臺(tái)達(dá)品牌的通用型號(hào)。如下表所示：伺服器與變頻器型號(hào)軸品牌型號(hào)功率X安川SGDM 05AD0.45KWY安川SGDM 05AD0.45KWZ安川SGDM 20ADA2KW變頻器臺(tái)達(dá)VFD750B43A5KW2.3 電路原理設(shè)計(jì)2.3.1 電源供電設(shè)計(jì)圖2所示是銑床數(shù)控系統(tǒng)輸入電源電路部分。其中L1、L2、L3為火線，構(gòu)成三相交流380V供電線；N為零線；PE為地線。一臺(tái)伺服電機(jī)額定電流8A，整個(gè)系統(tǒng)估計(jì)30A，初定40A,選用14平方銅線。電源總開關(guān)采用斷路器，對(duì)電路過載及過流保護(hù)。通過三相隔離變壓器，將三相交流380V電壓轉(zhuǎn)換成三

9、相交流220V電壓對(duì)伺服電機(jī)的供電，三臺(tái)伺服電機(jī)的總功率是2.9KW，變壓器功率選4.5KW。加入220VAC-24VDC電源模塊，將兩相220V交流電壓轉(zhuǎn)換成24V直流電壓，對(duì)NUM系統(tǒng)及其PLC輸入輸出部分供電。圖2 電源供電設(shè)計(jì)圖3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)2.3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示，X、Y、Z軸伺服電機(jī)連接伺服驅(qū)動(dòng)器，主軸電機(jī)連接變頻器，變頻器的電路接通及正反轉(zhuǎn)控制由NUM系統(tǒng)的PLC輸出電路控制。主軸電機(jī)由接入變頻器，由AC380V供電。冷卻液泵采用三相AC380V的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率為40W。電路中采用斷路器對(duì)電路進(jìn)行過載及短路保護(hù)。2.3.3 電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接設(shè)計(jì)如圖4所示，為

10、電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，采用速度控制模式。X、Y、Z軸的接線方式相同。圖4電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)器連接電路2.3.4 手輪與軸卡連接設(shè)計(jì)圖5 手輪與軸卡連接電路2.3.5銑床控制電路設(shè)計(jì)圖6 銑床控制電路如圖6所示，繼電器部分KA1KA10為直流24V中間繼電器，由輸出開關(guān)量控制，主要控制主軸正反轉(zhuǎn)、冷卻電動(dòng)機(jī)及伺服控制等。圖中S1、S3分別為X軸的正、反超程限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)；S3、S4分別為Y軸的正、反超程限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)；S5、S6分別為Z軸的正、反超程限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，它們結(jié)合伺服系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)志位來控制系統(tǒng)的運(yùn)行允許繼電器。伺服ON是來自伺服電源模塊與伺服驅(qū)動(dòng)模塊的故障連鎖。2.

11、4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖7 PLC接口如圖7所示，根據(jù)系統(tǒng)控制對(duì)PLC的輸入輸出端口進(jìn)行分配，輸入開關(guān)量主要有進(jìn)給裝置、主軸裝置、冷卻液等的狀態(tài)信息，輸出開關(guān)量控制是相應(yīng)的繼電器工作。2.4.1控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)字段值定義 %M存儲(chǔ)型公共變量 %V非存儲(chǔ)型公共變量 %I輸入/輸出（I/O）接口讀變量 %Q輸入/輸出（I/O）接口寫變量 %RCNC輸入/輸出（I/O）接口讀變量 %WCNC輸入/輸出（I/O）接口寫變量 %S公共字變量 %Y局部變量2.4.2 參數(shù)設(shè)置數(shù)控機(jī)床存在很多的參數(shù)，不同的參數(shù)起到不同的控制作用，系統(tǒng)龐大，故在此只設(shè)置一些參數(shù)起到我們想要的參數(shù)，下面是NUM1020典型參數(shù)設(shè)置表

12、:參數(shù)序號(hào)系統(tǒng)設(shè)置值觀察到的結(jié)果更改值更改后的對(duì)系統(tǒng)的影響備注P207三軸都有測(cè)量誤差05Y軸不再顯示測(cè)量誤差Y軸被關(guān)閉P007三軸都有顯示值03Z軸不再有顯示值Z軸被關(guān)閉顯示P1004X與Z軸同向Y軸與X、Y軸反向01Z與y軸同向X軸與Y、Z軸反向方向是相對(duì)機(jī)床的安裝來定的P1201顯示為負(fù)數(shù)00顯示為正數(shù)用的是手輪方向變換P23N0 12000N1 80000N2 80000最大跟隨：X -13165Y-87916Z+87925N0 12000N1 80000N2 80000N3 8000最大跟隨：X 13110Y 87927Z-8772（+8798）不改變的參數(shù)其顯示結(jié)果值保持不變，改變

13、參數(shù)其顯示值相應(yīng)減少。詳細(xì)說明：（1） P2的意思是測(cè)量軸X、Y、Z軸，三個(gè)軸分別占有從低位到高位的三個(gè)位置。系統(tǒng)設(shè)置為07時(shí)，在X、Y、Z所占的位子上顯示的數(shù)都為1，所以三軸都測(cè)量。當(dāng)改成05時(shí)在Z的位置上顯示的為0，所以只有X、Y軸測(cè)量（2） P0是指在顯示屏中顯示的軸。同理當(dāng)三軸都顯示的時(shí)候系統(tǒng)設(shè)置為07。當(dāng)改為03時(shí)，Z軸不顯示。（3） P10是指軸的測(cè)量方向，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為04時(shí)，Z軸是1、X、Y軸是0。應(yīng)該X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。但由于決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的還有電機(jī)的三根線的接線方式。所以會(huì)導(dǎo)致在觀察的時(shí)候X、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。（4） P11軸的測(cè)量單位轉(zhuǎn)換系數(shù)、俗稱電子齒輪。通過改變

14、其的設(shè)置值可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（5） P12是手輪的測(cè)量方向，在系統(tǒng)中給首輪分配了兩個(gè)位。當(dāng)設(shè)置值為00時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)顯示軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的值為正值。當(dāng)設(shè)置值為01時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)顯示軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的值為負(fù)值。 （6）P23是參數(shù)的設(shè)置可改變最大跟隨誤差，當(dāng)超過跟隨誤差時(shí)，屏幕出現(xiàn)報(bào)警。2.4.3 程序設(shè)計(jì)程序初始化：%w5.7為屏幕保護(hù)功能選擇，設(shè)定其為0即禁止屏幕保護(hù)。%w4.0當(dāng)其為1時(shí)允許所有軸進(jìn)給，不為1時(shí)所有軸都不能進(jìn)給。%w100.0為控制軸組1（X、Y、Z）的進(jìn)給，%w100.1復(fù)位時(shí)，處于MDI模式或自動(dòng)模型，其運(yùn)行后其他指令不再運(yùn)行，直接回到原來程序繼續(xù)運(yùn)行。其中%w4.0

15、、%w4.3、%w100.5、%100.2、%100.1等均為無條件執(zhí)行，梯形圖：MDI手輪和手動(dòng)選擇程序采用%M10.w作為分支條件，根據(jù)其等于1或者2轉(zhuǎn)到相關(guān)的子程序執(zhí)行。圖中%16.B代表手動(dòng)方式和回零方式。%15.B代表手動(dòng)增量類型和手輪進(jìn)給。手輪控制%I100.0手動(dòng)進(jìn)給軸選擇x，%I101.0代表手動(dòng)正向進(jìn)給，%I501.0代表正向行程開關(guān)限制，%w9.0代表手動(dòng)正向進(jìn)給（電機(jī)正轉(zhuǎn)）；%I101.0代表手動(dòng)負(fù)向進(jìn)給，%I501.1代表負(fù)向行程開關(guān)限制，%w9d.0代表手動(dòng)負(fù)向進(jìn)給（電機(jī)反轉(zhuǎn)）。Y、Z軸的方向控制同X軸。此外，為了解決正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，用了互鎖原理，當(dāng)%101

16、.0作用時(shí)，只有正轉(zhuǎn)；當(dāng)%101.1作用時(shí)，只有反轉(zhuǎn)，當(dāng)兩個(gè)同時(shí)按下時(shí)兩個(gè)都不轉(zhuǎn)，控制X、Y、Z方向梯形圖如下：主軸控制%R122.0、%R122.1、%R122.2分別代表主軸的順時(shí)、逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)和主軸停；%Q501.0代表主軸順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的燈亮，%Q501.1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的燈亮；%I503.6代表出故障，%w100.5代表系統(tǒng)至于等待狀態(tài)，不處理正在執(zhí)行的程序段中的下一個(gè)功能。自動(dòng)加工循環(huán)程序%I103.1循環(huán)啟動(dòng)按鈕輸入，當(dāng)輸入為1時(shí)，循環(huán)啟動(dòng)模型開啟；%W3.2動(dòng)作向NC系統(tǒng)提出循環(huán)加工請(qǐng)求；%R3.2為PLC檢測(cè)到NC系統(tǒng)響應(yīng)了循環(huán)加工請(qǐng)求后就動(dòng)作，梯形圖：電機(jī)報(bào)警要%R5.0顯示息，%Q500.3才有效。且%500.2、%500.3 %500.4都不工作，%M700.1運(yùn)行。3 總結(jié) 這個(gè)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目綜合了數(shù)控技術(shù)和機(jī)電傳動(dòng)控制兩門課和內(nèi)容，是一個(gè)綜合的應(yīng)用。通過本次課程設(shè)計(jì)，使我了解熟悉了簡(jiǎn)單的數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程和常用數(shù)控系統(tǒng)（NUM1020）的設(shè)計(jì)過程。由于臨近期末考試，時(shí)間緊迫，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作內(nèi)