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1、.毕业设计 (论文)题 目 数控立式车床主轴控制装置设计 专 业 电气自动化技术 专业班级 自动化092 学生姓名 杨烁 指导教师 刘 烨 成 绩 2012年 02 月 14 日摘 要 随着科学的发展，机床已经从过去的手动机床发展成自动机床，现在数控机床应用非常广泛。数控立式车床是主要的数控产品，国内外需求量也非常大。其高精度的关键部分就体现在主轴的控制上。本设计是用德国SIEMENS公司的可编程控制器（PLC）S7-200，作为主控制器；德国SIEMENS公司的6RA7075直流调速器、 Z4直流电机组成的直流调速装置，采用直流调速实现高效、准确的机床主轴控制，并给出了电气原理图 以及操作说
2、明。本设计控制简单，实现功能强大，调速范围宽，力矩大，过载能力强。可以应用于重型立式车床，提高重型立车主轴的控制精度，进而保证其加工精度。关键词： 数控立车；直流调速装置；可编程控制器 AbstractWith the development of science, machine tools, manual machine tools have been developed from the past into the automatic machine tools, CNC machine tools are now widely used. CNC vertical lathe CNC
3、products are the major domestic and foreign demand is also very large. A key part of its precision is reflected in the control of the spindle.This design is the German company SIEMENS PLC S7-200, as the main controller; German company SIEMENS 6RA7075 DC converter, Z4 DC motor comprising DC converter
4、, DC speed control for efficient and accurate machine tools of various spindle control, and gives the electrical diagrams and instructions. The design of simple control, to achieve powerful, wide speed range, torque, strong overload capacity. Can be applied to heavy-duty vertical lathes, heavy duty
5、vertical lathe spindle to improve the control precision, and thus guarantee its accuracy.Keywords: CNC Vertical Lathe; DC converter; Programmable Controller目录摘 要Abstract第一章 绪论11 课题背景12数控立车主轴控制装置的发展现状23 课题研究的主要内容3第二章 数控立车主轴控制装置硬件设计32.1 方案选择31 方案二 交流调速22 方案二 直流调速42.2 方案选择52.3 可编程序控制器接口设计51 可编程控制器的选择52
6、 可编程控制器接口电路的设计及其功能62.4 数控立车主轴速度控制装置设计81 主轴电机的选择82 数控立车主轴控制装置设计92.5速度环122.6急停按钮的设计132.7 直流调速装置的参数设定141 简易操作控制面板（PUM）142 舒适性操作控制面板（OP1S）15第三章数控立车主轴控制软件设计181 程序流程图182 程序19第四章主轴操作说明211 主轴启动前准备工作212 主轴操作说明213 元器件目录23结论24参考文献25致谢26第一章 绪论1 课题背景数控技术被广泛用于世界各国制造业，以提高制造能力和生产水平，提高对动态多变市场的竞争力和适应力。数控机床的技术水平高低及其在金
7、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。数控立车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。主轴控制是数控立车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。机床主轴控制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，机床主轴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
8、来的。 2数控立车主轴控制装置的发展现状数控机床的主轴控制装置主要是由控制系统和调速装置这两大部分组成。数控机床是制造装备的装备，被称为“工作母机”；数控系统是数控机床的“大脑”，是数控机床的核心,机床的各种功能都由数控系统来控制实现。随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了本质性的变革，所有工业发达国家都投入巨资，对现代制造技术进行研究、开发，并提出了新的制造模式。在现代制造系统中，关键技术是数控技术，它将计算机、微电子、自动检测、信息处理、自动控制等高新技术集成于一体，具有高效率、高精度、柔性自动化等特点。对制造业实现柔性自动化、智能化、集成化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生
9、重大性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超小型化、超薄型；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、神经网络、模糊控制等多学科技术，数控系统实现了高精、高效、高速控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。近几年来，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，为交流调速技术的发展创造了有利条件,使交流电动机调速和控制提高到了一个新的水平。并且国内外都十分重视开发研究交流电动机的调速技术。大功率交流传动控制方面的研究，得到突飞猛进的发展。近来来，国际上又推出谐振式逆变器，使开关元件在零
10、电流或零电压时导通或者关断，降低开头损耗，减小回路体积。这种电源最大已达到100KW。由于直流调速具有优越性的可控性能,及高性能调速特性,因此其广泛地应用于机床主轴，尤其在大型、重型机床主轴的拖动。直流调速具有调速平滑,方便,易于在大范围内平滑调速,过载能力大,能受频繁的冲击负载,可实现频繁无级快速起制动和反转。能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。所以,直流调速系统至今仍被广泛用于自动控制要求较高的各种生产部门,是调速系统的主要形式。3 课题研究的主要内容本课题要求设计数控立车主轴控制装置，来实现主轴速度的精确控制。主轴控制设有手动和自动（程序实现）两种控制方式。手动操作设有主轴
11、正反转的启动、停止、点动、长动。并设有急停按钮。主轴的转速控制，采用直流调速装置与PLC相配合。在6003000r/min范围内连续可调。绘出了控制电源原理图，调速装置连接原理图，可编程控制器接口原理图，操作面板接线图等。第二章 数控立车主轴控制装置硬件设计数控立车的主轴控制中，主要是主轴电机速度的控制方式，控制电机速度的变化有多的方式，下面说明两种常用的调速方案，并将其进行对比，则其优，作为本次设计的调速方案。2.1 方案选择1 方案二 交流调速交流电动机变压变频调速系统中所配备的静止式变压变频主要由主电路和控制回路两部分组成。对于异步电动机来说目前工业生产中所使用的变频器可分为交直交电压源
12、型SPWM变频器和交直交电流源型SPWM变频器两种，而工业中应用最多、最广泛的变频器是交直交电压源型SPWM变频器。其主电路用不可控整流、用SPWM逆变器，其输出电压波形接近正弦波。如图2-1所示变频器主电路中的中间直流环节是采用大电容滤波，。由于采用了SPWM控制，因而使其输出电压波形接近于正弦波型。电压源型变压变频调速系统主电路有两个功率变换环节构成，及整流桥和逆变桥，整流桥是由二极管组成的三相桥式不可控电路。调压与调频通过逆变器来完成，其给定值来源于同一个给定环节。图2-1 电压源型变频器主电路及SPWM控制框图该系统用SPWM控制技术实现变压变频控制，通过改变IGBT的占空比（脉冲宽度
13、）来控制交流电压逆变器输出的大小，从而改变电机转速。而输出频率通过控制逆变桥的工作周期就可以实现。交流调速，价格低，维护简单，维护成本低。交流变频调速就可以了，已经得到迅猛的发展其应用范围越来越广泛。2 方案二 直流调速随着计算机技术快速发展，数字控制系统在逐渐地取代过去的模拟控制系统。带有微型计算机的全数字直流调速装置中,在不改变硬件，或者改动很少的情况下,依靠软件支持,就可以方便地实现各种调节和控制功能，所以，通用全数字直流调速装置的应用灵活性和可靠性就明显优于模拟控制系统。目前，以德国SIEMENS公司的6RA70系列通用全数字直流调速装置在中国的应用最为广泛。直流电机的调速不需要其它设
14、备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速。直流调速装置采用德国SIEMENS的6RA70直流调速装置来控制直流电机调速，而调速方式又分为改变电枢端电压调速和改变磁通调速。直流电动机采用他励励磁方式。他励直流电动机电路原理图如图2-2所示，图中电枢回路串接附加电阻，电枢内阻Ra，此时电枢回路总电阻.图2-2 他励直流电动机电路原理图由图2-2可知，直流电动机的电压平衡方程式为 （2-1）式中U为电源电压，单位V；R是电枢回路总电阻，单位。由电压平衡方程式和感应电动势公式，就可以得到直流电动机的转速特性 有电磁转矩方程式带入转速特性方程，即得到机械特性方程式 （2-2）由电压平衡方程式（2-1）可知 ()=（U-）-=
