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小型数控机床主轴控制系统设计姓名：吴高学号：130154278班级：13级机械设计制造及其自动化《机电系统设计》期末考核论文要求请介绍一个机电一体化系统，该系统需包含机电一体化的5个基本组成要素的设计：机械本体、传感器及信号调理电路、包含控制器的控制系统硬件电路和软件流程图、执行装置选型和能源系统电路。该设计需要提供提交一份技术报告。技术报告格式如下:A4纸7-15页，小四字体，固定行距，20磅，宋体。本次考核论文同学分组要求：每组同学可以由1-4个人，一人一组的同学可通过检索学习资料，完成机电一体化系统的介绍，只需提交技术报告；多人一组的分组论文需要自主设计一个机电一体化系统，需要整组同学一起答辩，每个组员同学需要介绍自己在该项目中的任务执行情况，组员之间需要相互评价其他组员在项目中的贡献排名，该排名供教师评分时作为参考。评分标准如下：（1）有整个机电系统的整体设计框图5分（2）有合理的机械本体介绍15分（3）有传感器及信号调理电路介绍15分（4）有控制系统硬件电路和软件设计流程图介绍20分（5）有对执行装置的选型15分（6）有能源系统电路设计15分（7）技术报告排版文本制作精良，结构严谨，逻辑性强，论述或设计说明层次清晰，语言准确，文字流畅。标点、符号、计量单位使用准确，图纸、框图、表格、曲线等符合国家标准或工程要求；内容完整。15分《机械系统设计》期末论文评分表机电系统的整体设计框图5分机械本体介绍15分传感器及信号调理电路15分控制系统硬件电路和软件20分执行装置的选型15分能源系统电路设计15分论文排版15分总分100分1.1课题的背景及意义国内外数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是数控车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。从手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，从有触点的继电－接触器控制系统发展到以计算机为核心的软件控制系统，电气控制技术是随着元器件的不断更新和计算机技术的发展，并且综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等先进科技成果而迅速发展起来的。由于PLC可靠性很高，平均无故障运行时间可达10万小时以上，可以大大减少设备维修费用和停产造成的经济损失。当前PLC已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置，在工业自动控制领域占有十分重要的地位1.2数控机床主轴控制系统简介目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调速电机，他们与逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，多恭喜自动换刀的数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床的变速时按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。1.3主轴控制系统结构和原理主轴是车床最主要的部件之一，整个机器的性能很大程度上决定于主轴的性能，主轴直接承受切屑力，转速的范围很大。所以我们引入主轴控制系统,利用CNC控制器监控主轴的转动速度和方向来完成对工件的精确加工。主轴控制系统由五个部分组成：控制器CNC、变频器、编码器、主轴电机、主轴。主轴控制系统原理图如图1-1所示图1-1主轴控制系统原理图2.电气原理图的设计电气原理图是表达所有电器元件的导电部件和接线端子之间的相互关系。根椐便于阅读和分析线路及简单清晰的原则，电气原理图应该采用标准电气元件图形符号绘制。电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分。主电路是从电源到电动机等通过大电流的电路。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路和保护电路等，辅助电路中流过的是小电流。2.1CNC电路的设计本课题采用FANUC公司POWERMATE0数控系统，该系统有以下性能。1）可控制2台性能价格比好的FANUCβ系列交流伺服电动机。2）采用最新的新硬件技术，控制器小型、紧凑、可靠性更高。3）内置PLC，可简化外部强电线路。具有螺纹切削、恒线速控制、刀尖半径补偿等车削特有的功能。此外为了简便地制定加工程序，配备了用户宏程序功能，提高加工精度的补偿功能。4）显示器CRT/MDI画面清晰，操作方便。CNC电路见下图，W1-A1为CNC装置。CNC装置控制变频器（JA11）、主轴位置编码器(JA12)、手摇脉冲发生器（W1-GP）及强电柜；M1-K1为接通/断开继电器。2.2电源电路的设计电源电路下图,其中D1-QF1为电源总断路器，电源AC380V供给变频器。D1-TC1为控制变压器，一次侧为AC380V，二次侧为220V，为交流接触器提供电源；D1-VC1为开关电源，为CNC、CRT/MDI、中间继电器提供DC24V电源。D1-FU1、-FU2、-FU3、-FU4、-FU5为电路的断路保护。2.3主轴电路的设计主轴电路见下雨，采用变频器（H1-A1）控制，配置3.7KW、2890r/min的交流异步电动机（H1-M1），这是一个速度开环控制系统。CNC输出的模拟信号（0～10V）到变频器13、14端，从而控制电动机的转速，通过设置变频器的参数，实现从最低速到最高速的调速；H1-K1为主轴交流接触器，接通/断开主轴动力电源；主轴上的位置编码器H1-GP使主轴能给驱动同步控制，以便加工螺纹；M3-K2、M3-K3为主轴正反转继电器，通过PLC实现正反转；M1-K2为急停继电器，当按下急停按钮时，断开主轴电路；当变频器有异常情况时，通过1、2端子输出报警信号到PLC。2.4强电控制电路的设计强电控制电路见下图.当按下急停按钮M1-SB1时，SB2、SB3为CNC接通/断开按钮，发出急停信号-K2停止主轴转动，打开电源钥匙M1-SA1,接通中间继电器-K3，AC220V上电，M3-K1为通过PLC接通主轴电动机接触器H1-K1的信号。2.5PLC输入/输出电路的设计PLC的输入电路见下图，M2-SB1、-SB2为主电动机接通/断开按钮；按下急停按钮时发出急停信号M1-K2，机床立即停止工作；当机床设备异常，出现一个报警信号时，报警灯亮。PLC的输出电路见下图，M3-K1为接通主轴电动机继电器，-K2、-K3为主轴正反转继电器。2电气元件参数的设定2.1熔断器的选择主要是根据熔断器的种类、额定电压、额定电流、熔体额定电流以及现在电路负载性质决定，具体可按如下原则选择。1）熔断器的额定电压应大于或等于电路工作电压。2）电路上、下两级都设熔断器保护时，其上、下两级熔体电流大小的比值不小于1：6：1。3）对于电感性负载的电动机电路，只做短路保护而不宜做过载保护。4）在电动机回路中作短路保护时，熔体的额定电流可按下列情况确定。对于单台直接起动电动机，应按下式计算Ifu=（1.5～2.5）IN式中Ifu————熔体的额定电流;IN---------电动机的额定电流。对于多台直接起动电动机，应按下式计算Ifu=（1.5～2.5）ImaxN+∑IN式中ImaxN---功率最大的一台电动机的额定电流；∑IN-------其余电动机的额定电流之和。根据接触器所控制负载回路的电压,电流及所需触电的数量来选择接触器.本设计中D1-FU1对用主轴电动机H1-M1短路保护,H1-M1的额定电流为10.5A。经计算，D1-FU5选用额定电流为6A的熔断器。2.2接触器的选择接触器是用来接通或断开电动机或其它负载主电路的控制元件，它是利用电磁力来使开关打开或闭合的电气，适用于频繁操作、远距离控制大电流电路。接触器按其主触点通过电流的种类不同，分为直流、交流两种，机床上应用最多的是交流接触器。工作原理是当电磁线圈通电后，在铁心产生磁通，将衔铁吸和。主触点在衔铁带动下闭合，接通了主电路，于此同时，辅助触点的动合触点闭合，而动断触点断开，当电磁线圈失电时或电压显著降低时，由于反力弹簧的作用，衔铁被释放，所有触体恢复常态。2．交流接触器的选择选择交流接触器时主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率等。1）根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器。2）交流接触器的额定电压（指主触点的额定电压）一般为500V或380V两种，应大于或等于负载电路的电压。3）根据电动机的功率和操作情况来确定接触器主触点的电流等级。4接触器线圈的电流种类（交流和直流两种）和电压等级应与控制电路相同。交流接触器线圈电压一般为36V、110V、127V、220V、280V等几种。触点数量和种类应满足主电路和控制电路。本设计中，M1-K1控制强电电路220V电源，需要主触点三对、辅助触点一对，主触点电流为5A，线圈电压为220V。依此类推，H1-K1需要主触点三对，主触点电流为10A，线圈电压为220V。2.3继电器的选择它是一种自动操纵远程设备的电器，广泛应用于自动控制系统、遥控、遥测系统、电力保护系统以及通信系统中，起着控制、检测、保护和调节的作用，是现在电器装置中最基本的电器之一。虽然继电器与接触器都是用来自动接通或断开电路，但是他们仍有很多不同之处。继电器可以对各种电量或非电量的变化作出反应，而接触器只有在一定的电压信号下动作；继电器用于切换小电流的控制电路，而接触器则用来控制大电流电路，因此继电器触点容量较下（不大于5A）。继电器用途广泛，种类繁多。按反应的参数可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等；按动作原理可分为电磁式、电动式、电子式等。按输入信号的不同可以分为电压继电器、中间继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器等。本设计中，采用的中间继电器M3-K3、-K4控制主轴电动机H1-M1的正反转，M1-K2控制主轴电机的急停；变频器的速度设定电压指令为0～10V。所以M3-K3、-K4选用的中间继电器常开常闭触点各四对，额定电流为5A，吸引线圈额定电压为24V，M1-K2选用的中间继电器常开常闭触点各四对，额定电流为5A，吸引线圈额定电压为24V。M1-K1控制NC的起动/停止，选用的中间继电器常开常闭触点各四对，额定电流为5A，吸引线圈额定电压为24V；控制电机接通的M3-K1选用的中间继电器常开常闭触点各四对，额定电流为5A，吸引线圈额定电压为24V。2.4控制变压器的选择变压器式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。选择变压器的主要依实际情况选择。1)根据实际情况选择一次额定电压U1（380V、220V），在选择二次额定电压U2(二次额定值是指初级加额定电压时，二次的空载输出电压，二次带有额定负载时输出电压下降5%，因此选择输出额定电压时应略高于份额在额定电压)。2)根据实际负载情况，确定各二次绕组额定电流I2。一般绕组的额定输出电流应大于或等于额定负载电流。二次额定容量由总容量确定。根据经验公式P=K∑Pi式中Pi------电磁元件的吸持功率和灯等负载消耗的功率，单位为kW；K-------变压器的容量储备系数，K=1.1～1.