學習單元控制電路設計

學習單元控制電路設計第一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二在機床數(shù)控改造中，電路設計是改造工程中最重要的環(huán)節(jié)之一。一方面，電路設計方案是否正確直接關系到機床改造的成敗，只有按照正確的設計電路施工，才能保證改造后的機床滿足改造的技術指標和要求；另一方面，電路設計方案是否合理、是否具有較佳的性能價格比，也直接決定著改造投入的成本。在數(shù)控改造中，電路設計需要解決的工作主要有以下幾個：（1）數(shù)控機床主電路的設計；（2）主軸驅動系統(tǒng)的電路設計；（3）進給驅動系統(tǒng)的電路設計；（4）交流控制電路的設計；（5）PLC控制電路的設計（I/O設計）；（6）刀具控制系統(tǒng)；（7）潤滑、冷卻、照明等輔助裝置的設計。第二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二1.主電路設計 進行數(shù)控機床主電路的設計時，一定要考慮改造機床能完成的功能，以此確定主電路設計中應該包含的環(huán)節(jié)。一般而言，在主電路設計中要解決以下幾個環(huán)節(jié)：1.數(shù)控系統(tǒng)的工作電源 目前國內外生產的數(shù)控系統(tǒng)其工作電源一般為DC24V，也有使用AC24V作為系統(tǒng)工作電源的。 目前較為常用的做法是利用開關電源（或者一體化電源）將交流220V轉換為直流24V，提供給數(shù)控系統(tǒng)。考慮到數(shù)控系統(tǒng)是這個數(shù)控機床的核心和大腦，而且數(shù)控系統(tǒng)價格較為昂貴，因此一般采用一個變壓器（系統(tǒng)變壓器）為開關電源供電，將數(shù)控系統(tǒng)和電網之間的直接的電聯(lián)系切斷（電氣隔離），以避免電網電壓波動及線路故障對數(shù)控系統(tǒng)產生的干擾和影響。第三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二1.1數(shù)控系統(tǒng)的工作電源電路設計方案示例1.主電路設計第四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二1.2主軸驅動裝置的電源供給機床主軸常用于給機床加工提供動力；對于最常見的車床和銑床，前者進行車削加工時利用機床主軸驅動被加工工件旋轉；而后者進行銑削加工則是由機床主軸驅動切削工件旋轉。就電氣控制而言，數(shù)控機床主軸的控制其實質是主軸電機的控制。在大多數(shù)情況下，數(shù)控機床主軸不需要做位置檢測和位置控制，只需要做速度檢測和速度控制即可。因此，主軸控制系統(tǒng)一般設計為速度控制系統(tǒng)。按照控制裝置的類型，數(shù)控機床主軸可以分為模擬主軸和數(shù)字主軸。數(shù)字主軸控制精度高、動態(tài)響應好，當機床主軸驅動單元使用了帶速度反饋的驅動裝置及標準主軸電機時，主軸可以根據(jù)需要工作在伺服狀態(tài)，但是在主軸功率較大，對控制精度和動態(tài)響應要求不高的情況下，采用數(shù)字主軸則凸顯成本偏高；在這種情況下可采用模擬主軸以提高性價比。目前，對于主軸不要求做控制的數(shù)控機床而言，采用變頻器做主軸驅動裝置的情況比較普遍。1.主電路設計第五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二對于主軸驅動裝置而言，在主電路設計中要解決的其實就是如何給主軸驅動裝置提供合適的電源。對于變頻器而言，其工作電源一般為220V(單相變頻器)或者380V（三相變頻器），一般在變頻器電源進線端采用一個空氣開關做通電控制、短路及嚴重過載保護及檢修用。如果需要控制變頻器的上電時間，可以在電源進線端采用一個接觸器來控制變頻器的上電。1.主電路設計第六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二1.3進給驅動裝置的電源供給數(shù)控機床所采用的伺服進給系統(tǒng)按控制系統(tǒng)的結構可以分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制以及混合控制四種。按伺服進給系統(tǒng)使用的伺服電動機類型，半閉環(huán)、閉環(huán)數(shù)控機床常用的伺服進給系統(tǒng)可以分直流伺服驅動和交流伺服驅動兩大類。在20世紀70年代至80年代的數(shù)控機床上，一般均采用直流伺服驅動；從80年代中、后期起，數(shù)控機床上多采用交流伺服驅動。1.主電路設計第七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二在開環(huán)控制中，由于執(zhí)行元件一般采用步進電機，驅動裝置一般采用步進驅動器。在主電路的設計中，主要考慮如何給步進驅動器供電。因此應根據(jù)所選用的步進驅動器的工作電源要求來進行設計。如西門子公司生產的五相步進驅動器STEPDRIVEC/C+，其工作電源為85v，因此在方案設計上可以采用一個380/85V的變壓器為步進驅動器供電，同時采用空氣開關做保護及檢修用。

1.主電路設計第八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二在半閉環(huán)控制中，由于執(zhí)行元件一般采用交流伺服電機，驅動裝置一般采用交流伺服驅動器。在主電路的設計中，要考慮如何給交流伺服驅動器供電。同樣應根據(jù)所選用的交流伺服驅動器的工作電源要求來進行設計。 （1）常用的做法是采用一個伺服變壓器為伺服驅動器供電； （2）大多數(shù)的驅動器其工作電源有主電源和控制電源兩種，這兩種電源在驅動器上電啟動過程中的時序是有要求的，一般要求先上控制電源，后上主電源；不能先上主電源后上控制電源。 （3）可以采用接觸器來解決主電源和控制電源之間上電時序的要求，通過控制接觸器的通斷時間來達到控制兩種電源上電的順序。1.主電路設計第九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二1.4數(shù)控系統(tǒng)PLC的I/O電源 數(shù)控機床PLC的輸入、輸出回路需要24V的直流電源，可以采用一個開關電源來提供，但是這個開關電源一定要和為數(shù)控系統(tǒng)供電的開關電源共地；如果為數(shù)控系統(tǒng)供電的開關電源容量足夠，也可以同時作為PLC的I/O電源。1.主電路設計第十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二1.5刀架電機電源供給 對于車床而言，T功能的實現(xiàn)是通過PLC控制刀架電機來實現(xiàn)的。刀架電機在換刀過程中設計旋轉方向的改變，因此主電路中刀架電機的電源供給就涉及到刀架方向的控制?？梢圆捎?個接觸器換相來實現(xiàn)，通過改變電源相序來達到控制刀架電機旋轉方向的目的。同時采用空氣開關刀架電機做保護及檢修用。1.主電路設計第十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二單相電機做刀架電機時的刀架控制主電路圖示例1.主電路設計第十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二1.6冷卻電機和潤滑電機的電源供給 在金屬切削過程中，對工件、刀具的冷卻和導軌的潤滑都是必不可少的環(huán)節(jié)。因此方案設計中務必考慮冷卻控制和潤滑控制。冷卻控制和潤滑控制的實質是對冷卻電機和潤滑電機的控制。在主電路的設計中，可以用接觸器來控制冷卻電機（需換相）和潤滑電機的電源（勿須換相），同時采用空氣開關對刀架電機做保護及檢修用。1.主電路設計第十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二1.7機床照明和電柜風扇的電源供給機床照明一般采用AC36V或AC24V,由于這兩個電壓都不是標準電壓，因此需采用照明變壓器為照明燈具供電。對于電柜風扇，在控制要求上應考慮在什么情況下啟動風扇電機，以解決及時散熱的問題。一般可以考慮在電柜內部大功率部件如變頻器、交流伺服驅動器一上電的時刻就啟動電柜風扇。

1.主電路設計第十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二 以模擬主軸的設計為例，數(shù)控機床主軸驅動系統(tǒng)電氣電氣線路的設計應在主軸電機和變頻器等硬件設備選配好的基礎上進行。在設計時應處理好以下幾方面的問題：主軸速度信號的處理主軸方向信號的處理主軸速度、方向檢測的處理主軸驅動器故障監(jiān)控處理主軸驅動器制動處理接地處理2.主軸驅動系統(tǒng)的設計第十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二2.1主軸速度信號的處理NC（數(shù)控裝置）在執(zhí)行來自控制面板或者零件加工程序中的主軸運行指令（如M03S1000）時，先將主軸運行指令進行編譯、運算和邏輯處理后從數(shù)控裝置的主軸驅動接口輸出主軸速度信號作為變頻器的模擬給定；主軸速度信號大小一般為0——+10V或者4——20mA的模擬信號。在設計時一定要充分考慮并解決好數(shù)控裝置主軸驅動接口和變頻器模擬給定信號輸入端之間信號匹配的問題；若在作硬件配置時出現(xiàn)失誤導致數(shù)控系統(tǒng)和變頻器二者之間的接口信號不匹配，則需單獨設計并制作信號轉換電路板以解決信號匹配的問題。另外，考慮到數(shù)控機床的工作環(huán)境存在較復雜的電磁現(xiàn)象和噪聲干擾，主軸速度信號的傳輸應采取一定的抗干擾措施，如采用雙絞線或屏蔽電纜進行傳輸，在變頻器模擬給定信號輸入端并接濾波電容等。

2.主軸驅動系統(tǒng)的設計第十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二主軸驅動控制系統(tǒng)設計示例2.主軸驅動系統(tǒng)的設計第十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二2.2主軸方向信號的處理按照數(shù)控裝置發(fā)出的主軸驅動信號的特點，數(shù)控機床模擬主軸可以分為單極性模擬主軸和雙極性模擬主軸。采用單極性模擬主軸時，數(shù)控裝置主軸驅動接口輸出的速度信號范圍一般為0——10V，這個速度信號的大小直接決定著變頻器輸出的頻率和主軸電機的速度，而主軸電機的旋轉方向則由PLC控制；因此對于單極性主軸而言，在對PLC做I/O統(tǒng)計和地址分配時應考慮主軸正轉和反轉兩個輸出點。對于雙極性模擬主軸，主軸驅動接口輸出的速度信號范圍一般為-10V——+10V，這個速度信號的大小同樣決定著變頻器輸出的頻率和主軸電機的速度，而主軸電機的旋轉方向不由PLC控制，而是由速度信號的正、負極性決定。對于單極性和雙極性主軸，除了有硬接線連接和控制方式上的區(qū)別外，還應注意在數(shù)控裝置中正確配置相關的主軸極性參數(shù)。2.主軸驅動系統(tǒng)的設計第十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二2.3主軸速度、方向檢測的處理主軸控制系統(tǒng)一般設計為速度控制系統(tǒng)，目前主軸速度檢測最常用的做法是采用脈沖編碼器作為檢測元件。主軸編碼器一般情況下不用于位置反饋和速度反饋，而僅僅作為主軸速度測量元件使用，其作用有三：其一是用于主軸速度測量其二是用于主軸與伺服軸配合運行的場合（如車床螺紋切削加工、恒線速加工等）；其三是用于主軸準停。主軸編碼器一般采用彈性聯(lián)軸器與主軸同軸安裝或采用1：1同步傳動安裝方式，使其能準確地向數(shù)控系統(tǒng)反映主軸的轉速、方向等信號。因此，在做方案設計時一定要合理選配主軸脈沖編碼器。2.主軸驅動系統(tǒng)的設計第十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二在設計編碼器連接線路時，主要考慮以下幾個方面：一是主軸驅動接口與編碼器輸出端口的信號是否匹配；二是傳輸距離的大小，以此確定傳輸電纜的長度；三是傳輸電纜應選擇屏蔽電纜，以提高抗干擾能力。示例：國產數(shù)控系統(tǒng)hnc-21TD做車床數(shù)控改造時主軸編碼器的連接方案2.主軸驅動系統(tǒng)的設計第二十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二2.4主軸驅動器故障監(jiān)控處理數(shù)控機床上使用的主軸驅動器主要有變頻器和交、直流伺服驅動器，現(xiàn)在使用的變頻器和交流伺服驅動器一般具有故障自診斷功能并提供有故障監(jiān)控可編程I/O端口，其輸出形式有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出等形式。I/O端口之間實質上是一種開關關系，開、關的狀態(tài)分別對應驅動器正常與否；由于數(shù)控機床的M、S、T三大輔助功能都是由PLC來控制的，故可以將這一開關量作為數(shù)控系統(tǒng)PLC的一個輸入點，以此監(jiān)控驅動器是否正常或就緒。在設計時要充分利用這一功能，將主軸驅動器的運行狀況準確、及時地傳送給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將以此確定是否向主軸驅動器發(fā)控制信號（速度信號和方向信號），即是否終止主軸的運動。2.主軸驅動系統(tǒng)的設計第二十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二2.5主軸驅動器制動處理主軸驅動器一般都內置有制動組件，在機床主軸要求快速制動時，若內置的制動單元或電阻不足以消耗、吸收再生電能而導致直流部分過壓時，應考慮外接制動組件，以加快消耗再生電能的速度；因此應正確的選配制動組件。制動組件的計算、選配可采用工程估算的方法，按照估算制動轉矩、計算制動電阻阻值、選擇制動單元、計算制動電阻標稱功率這幾個步驟進行。2.主軸驅動系統(tǒng)的設計第二十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二2.6接地處理數(shù)控機床工作環(huán)境中的電磁和噪聲干擾是很嚴重的，作為精密加工設備的數(shù)控機床，其主軸驅動器必須采取有效的抗干擾措施。對變頻器而言，其自身就是一個較強的干擾源同時也受其他電氣設備的電磁干擾。接地是抑制電磁干擾，提高電氣設備電磁兼容性的重要手段；因此對變頻器采取正確的接地措施，不僅可以有效抑制外來干擾，同時能降低變頻器本身對外界的干擾。變頻器的接地處理主要做好兩個方面，一是對變頻器主回路PE端子正確接地，以提高變頻器抑制噪聲干擾的能力并減小變頻器對外界電氣設備的干擾；為保證接地的可靠性和效果，變頻器主回路PE端子必須嚴格地接入PE線，若無公共PE線，可采用就近接地的方式，但是應保證接地體導電性能良好及與大地接觸可靠。二是將變頻器的控制信號線（采用雙絞線或屏蔽線）屏蔽層接地，以減小外界對控制信號傳輸?shù)母蓴_。2.主軸驅動系統(tǒng)的設計第二十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二2.主軸驅動系統(tǒng)的設計接地處理第二十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二3.進給驅動系統(tǒng)設計

以交流伺服驅動系統(tǒng)（半閉環(huán)控制）的設計為例，數(shù)控機床主進給驅動系統(tǒng)電氣線路的設計應在交流伺服電機和交流伺服驅動器等硬件設備選配好的基礎上進行，在設計時應處理好以下幾方面的問題：交流伺服驅動器的電源控制指令信號的處理編碼器反饋信號的處理交流伺服驅動器故障監(jiān)控處理交流伺服驅動器的制動處理接地處理第二十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二進給驅動系統(tǒng)設計以松下A4的通用伺服驅動器和西門子SimoDrive611為例講述第二十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二松下A4的端口第二十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二SimoDrive611第二十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二3.進給驅動系統(tǒng)設計3.1交流伺服驅動器的電源控制 交流伺服驅動器的電源控制主要解決以下2個問題：一是如何給交流伺服驅動器提供合適的工作電源電壓。在設計時應考慮交流伺服驅動器的工作電源電壓等級，一般可以采用伺服變壓器給交流伺服驅動器提供合適的工作電壓。二是工作電源的上電時序問題。交流伺服驅動器的工作電源一般有兩個：控制電源和主電源。一般先給伺服驅動器上控制電源，伺服驅動器進行自檢，若內部完全正常，再給伺服驅動器上主電源。在伺服驅動器上一般都提供有晶體管輸出或繼電器輸出形式的一些信號接口，可以利用其上的伺服就緒或者伺服報警信號接口來解決交流伺服驅動器工作電源的上電時序問題。第二十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二3.2指令信號的處理NC（數(shù)控裝置）在執(zhí)行來自控制面板或者零件加工程序中的進給指令（如G01X100Z-20F200）時，先將進給指令進行編譯、運算和邏輯處理后從數(shù)控裝置的進給驅動接口輸出指令信號給驅動器；指令信號可以是指令脈沖信號，也可以是大小為0——+10V或者4——20mA的模擬信號。所以在設計時一定要充分考慮并解決好數(shù)控裝置進給驅動接口和交流伺服驅動器指令信號端口之間信號匹配的問題另外，考慮到數(shù)控機床的工作環(huán)境存在較復雜的電磁現(xiàn)象和噪聲干擾，指令信號的傳輸應采取一定的抗干擾措施，如采用雙絞線或屏蔽電纜進行傳輸。3.進給驅動系統(tǒng)設計第三十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二3.3編碼器反饋信號的處理合理選配編碼器的類型 在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用的位置檢測裝置一般采用編碼器。應注意所選配的編碼器輸出信號應與數(shù)控系統(tǒng)上的編碼器反饋接口匹配。給編碼器合理提供工作電源 編碼器的工作電源一般為5V，其工作電源一般由數(shù)控系統(tǒng)的編碼器反饋接口提供。確定編碼器輸出信號的反饋方式 編碼器輸出信號的反饋方式主要有2種：可以將編碼器輸出信號直接送入數(shù)控系統(tǒng)的編碼器反饋接口；也可以將將編碼器的輸出信號先送至交流伺服驅動器，再由交流伺服驅動器反饋至數(shù)控系統(tǒng)的編碼器反饋接口。3.進給驅動系統(tǒng)設計第三十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二3.4交流伺服驅動器故障監(jiān)控處理在交流伺服驅動器上一般都提供有晶體管輸出或者繼電器輸出形式的能反映驅動器工作狀態(tài)的端口，在設計時可以充分利用這些端口來監(jiān)控驅動器的運行情況和狀態(tài)。如在車床數(shù)控改造中，可以將X、Z兩軸的驅動器報警輸出端口串聯(lián)起來作為PLC的一個輸入信號，以便數(shù)控系統(tǒng)在工作過程中能及時的監(jiān)控驅動器的運行狀況并以此為依據(jù)確定是否繼續(xù)向驅動器發(fā)指令控制信號。3.進給驅動系統(tǒng)設計第三十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二松下A4外圍原理圖第三十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二SimoDrive611接口第三十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二3.5交流伺服驅動器的制動處理交流伺服驅動器一般都內置有制動組件，在機床主軸要求快速制動時，若內置的制動單元或電阻不足以消耗、吸收再生電能而導致直流部分過壓時，應考慮外接制動組件，以加快消耗再生電能的速度；因此應正確的選配制動組件。制動組件的計算、選配可采用工程估算的方法，按照估算制動轉矩、計算制動電阻阻值、選擇制動單元、計算制動電阻標稱功率這幾個步驟進行。3.進給驅動系統(tǒng)設計第三十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期二3.6接地處理數(shù)控機床工作環(huán)境中的電磁和噪聲干擾是很嚴重的，作為精密加工設備的數(shù)控機床，交流伺服驅動器必須采取有效的抗干擾措施。交流伺服驅動器的接地處理主要做好兩個方面，一是對交流伺服驅動器主回路PE端子正確接地，以提高交流伺服驅動器抑制噪聲干擾的能力并減小交流伺服驅動器對外界電氣設備的干擾；為保證接地的可靠性和效果，交流伺服驅動器主回路PE端子必須嚴格地接入PE線，若無公共PE線，可采用就近接地的方式，但