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1、数控机床的电气控制系统的设计毕业设计报告数控机床的电气控制系统的设计系 部： 电气工程系专 业：机电一体化技术班 级： 机电091姓 名：学 号：指导老师：20151033目 录摘要：I第一章 序言21.1 选题背景与意义21.2 数控机床电气控制系统的发展与现状21.3 数控机床的组成与基本工作原理51.4 本文所做的工作6第二章 电气控制系统总体方案设计72.1 数控机床电气控制系统的控制要求72.2 伺服控制系统的主要功能102.3 电气控制系统总体设计方案的提出13第三章 主设备的电气控制系统设计143.1 主轴电机的电气控制系统设计143.1.1 主轴电机的电气控制原理143.1.2
2、 主轴的异常保护方案设计153.1.3 主轴参数的设定153.2 进给轴的电气控制系统设计173.2.1 进给轴的控制原理203.2.2 进给轴电机伺服驱动控制系统设计213.2.3 进给轴限位控制及异常情况处理243.3 电气系统开关与紧急停止系统设计253.4 电气布局与安装26第四章 电气控制系统的安装与调试284.1 安装注意事项与要点284.2电气控制系统调试方案294.3 控制系统调试的结果与说明32第五章 总结33谢 辞35参考文献36附录38数据机床的电气控制系统的设计摘要：数控机床是现在制造工业的核心母机，数控系统又是数控机床的核心，而数控系统的性能保障是数控机床的电气控制系
3、统。可以说数控机床电气控制系统的优劣，决定了控制系统的性能。广义上说数控机床电气控制系统包括数控系统，本文所提及的系统，要控制机床实现高速高精度高可靠的加工，所以电气控制系统的性能至关重要。本文主要是在阅读大量有关数控机床电气控制的文献的基础上完成了以下几个方面的内容：首先提出了TK40A数控机床电气控制设计的总体方案，并阐述了数控机床电气控制系统的控制要求以及伺服控制系统的主要功能；其次阐述了机床电气控制系统详细设计，本文主要分析了数控机床电气控制主设备中的主轴电机的电气控制原理、参数设计以及异常保护方案设计；电气控制给进轴的控制原理、电机伺服驱动控制系统设计以及限位控制；电气系统开关与紧急
4、停止系统设计以及电气布局与安装；最后论述了电气控制系统安装与调试应注意的事项与要点，调试方案以及调试的结果。关键词：数控机床电气控制，电气柜设计，PLC 第一章 序言1.1 选题背景与意义人类发展和文明进步的主要动力之一便是人类的经济活动，而人类经济活动的重要基石就是制造，它的发展水平标志着一个国家工业的发达程度。随着科学技术的发展，传统的机电制造业正在经历着深刻的变革，取而代之的是以微电子计算机、信息科学技术等为支撑的现代化制造业，这些高科技信息技术为机械制造业带来了翻天覆地的变化。科学技术的快速发展为制造行行业注入了新的活力，也为人类的提供了多样化的产品，人们也对产品多样化的要求越来越高，
5、产品的更换周期也越来越短，使多品种、小批量生产的比重明显增加;同时，随着航空航天、造船、军工、汽车、农业机械等行业对产品性能要求的不断提高，产品中形状复杂的零件越来越多，加工质量要求也不断提高。而传统的加工制造业已经不能够完成这种产品多样化、柔性化以及高精度化、高质量的加工要求，为此，必须探寻一种能够解决上述问题、实现精度高、效率高的自动化制造生产设备数控机床。数控机床的关键性能之一是控制数控机床的电气控制方式。总所周知，数控机床原本就是一台电能量转换装置，其功能是将电能转换成加工工艺所需机械能。而其中的电气控制对于整个数控机床来说，就像人类的心脏，使整个机床正常工作的能源保障。机床电气控制系
6、统包括机床供配电系统、主轴控制系统、进给轴控制系统、冷却油泵控制系统以及其他的辅助设备控制系统。PLC的引入为电气控制，尤其是电器开关量的控制是有重大改进的。在本文中PLC主要是用来控制冷却电机，油泵电机以及其他的辅助电气控制系统。用PLC来替代继电器接触器控制系统，提高了系统的可靠性和柔性，使控制性能产生了一个质的飞跃。1.2 数控机床电气控制系统的发展与现状一直以来，机床工业在德国政府看来都具有极其显著的战略意义，并在许多领域极力推动其发展。它的突出特点表现在极其看重实际效果，极其看重人力资源建设，一切为了人，一切依靠人，极为重视师傅与徒弟之间技艺上的承接，花很大的精力用于工人素质的培训提
7、高。同时，科学研究方面的投入在德国也得到特别重视，科学理论都重视投身于相关生产实践，既重视发挥基础科研的作用，也重视应用科学的研究。德国还特别重视让高校走出校门开展校企联合，极力推动高校科技成果转化，在诸如产品设计、数控机床加工等相关研究领域，充分地、深入地进行双方相互间的优势互补，严格控制并追求更高更好的产品质量。正因为其在产品细节、实用性和质量等方面的极致追求，由此才会有德国的此类精密和大型数控机床产品闻名并畅销全世界，其领先其他同类产品，并且性能品质得到充分一致的认可，获得了极大的成功，尤其是其主机和光、液、刀具、电、测量等相关配套功能部件的先进性和实用性，一直以来更是令人津津乐道，达到
8、了世界顶尖水平。人们都知道的著名的西门子公司就是其中典型代表和佼佼者，该公司生产的数控系统在全世界范围内都受到了极大欢迎和使用。基础工业在日本所受到的重视也不亚于德国，政府制定“机振法”和“机信法”等相关法律法规对行业发展进行合理规划和引导。其高度重视在企业员工素质建设，充分借鉴世界上其他国家的先进经验，特别是学习德国在相关配套功能部件的先进技术，以及美国在数控机床和质量管理方面的先进技术，并最终在很多方面甚至已经超越了它们。因此，日本与其他两个国家一样，其数控机床生产自动化发展都经历了从大批量的到全面柔性的中小批的过程。日本是在1958年开始能自己研制数控机床，并在此后的20年后以7342台
9、的生产数量开始超越美国的5688台，一直到今天其生产数量乃至出口数量都牢牢占据世界第一的位置，例如在2001年其生产的超过一半的数控机床都出口销往世界其他国家。日本在数控机床上的发展战略可以概括为：先模仿美德两国，然后自己研发创新；在其开始自主研制性能较高的数控机床之前，首先注重发展可以大批量生产的中档产品用于开拓占领是世界市场。它的发展表现得很有计划：目标明确，主要发展数控系统；其生产管理经历了以下这么一个过程，从学习模仿美国的TQC管理模式，到提倡发挥整个员工集体自发的创造力，并最终依靠电子电脑科技领先世界上其他国家，从而开创了一条机电一体化的发展道路。尽管当前我国采用了较为成熟的电路控制
10、系统，但由于大多数还是采用相对滞后的传统方式，即继电器接触器电路，而只有少数用的较为先进的PLC控制，当然，采用其他更为先进的虚拟PLC系统的就更少了。因此，在肯定我国数控机床发展成绩的同时，也不能否认其相对落后的电子控制系统的事实。历经4个“五年计划”的关键发展时期，我国的数控机床在其50年左右的发展过程中取得了一定的成绩，主要表现以下几个方面：（1）已经有了基本的数控技术。当前，我国大多数数控技术已能充分应用于商业开发方面，并开始在产业化方向做出努力。这些都是在我国已基本具备数控技术发展的相关技术的基础上取得的，这些技术包括伺服驱动及配套部件等方面。（2）数控产业基地基本成型。已经开始形成
11、能实现一些技术商品化的产业基地，这个基地包括从能实现大批量生产的华中数控等，到专门生产伺服系统和伺服电机的兰州电机厂等，另外有北京第一机床厂、济南第一机床厂等几个数控生产厂。（3）拥有一批数控技术研发和管理人员。由此可以看出，我国在数控技术的研发、数控技术商品化等方面取得了很大的成长，但这仍远远无法达到相应需求，特别是在其高端技术部分还有很多成长空间。 尽管从发展时间来看，我国的数控技术发展取得了很大的发展，但与世界上其他先进国家相比，仍有很长的路要走，因为无论是在发展速度上，还是在技术研发领域都还相对落后，特别是在一些高端的技术领域。我们大致可以从以下几个方面，看出我国与世界先进水平的差距到
12、底有多大：（1）落后世界先进水平在十年到十五年之间，尤其在高端技术领域表现更有突出。（2）产业化水平低。没办法规模化生产；产品种类少；功能套件生产滞后；质量控制不稳定；技术成果转化能力低；市场销售份额低；相关产品及其品牌在用户中的认可度不高；（3）发展后续乏力。这表现在：没法大力拓展其应用领域的研究；产业发展没有相应的标准化、制度化；数控技术还无法形成系统化、模块化发展。（4）电子控制系统的开放兼容做得不好。对开放式系统的研发方面，仍存在概念模糊的问题，其研发平台的仍没能得到有效解决。在我国仍存在好很多不一样的开发系统，而这些系统又大都没有相同的体系结构，又没能有效相互兼容，更不要说互换。它们
13、对各自体系结构的表达仍处在表面上，还无法形成较高层次的理论化和抽象化，因此，它们也就不可能具备相互间的移植，也就根本不用说要进行相关操作。（5）开放性控制系统的操作仍没能采用计算机上通行的Windows和LINUX等一样的新型系统。相关软件开发仍处在一个较低水平上，相关的理论和技术滞后，无法满足相关需要，没能有效利用相关软件工程方面的新技术和新理论。（6）相关产品出厂后，其以后的所有更新维护过程都需要在生产厂家全程帮助下完成，客户对厂家的依赖性太强，而相对应的，客户也没办法把其他任何在产品使用过程中的意见想法，提供给厂家，在这里面有一个沟通不畅的问题，因此产品也就无法得到有效的开发和发展。1.
14、3 数控机床的组成与基本工作原理一般，零件在普通的数控机床上加工主要是按照零件的设计图纸，由操作人员手动去改变刀具与被加工零件的相对加工轨迹，然后再由刀具对加工件进行切割来完成零件的加工。而现代化科技引入的数控机床在进行零件加工时，是通过计算机编程人员将整个零件加工的工艺程序以及机床运动的轨迹要求编程，然后再将编程好的计算机语言导入到CNC装置，再经过工序的转换和处理后，CNC装置向数控机床的伺服驱动机床发出指令，从而完成整个零部件的加工。下图1-1为整个数控机床的具体工作流程：图1-1 数控机床的工作流程图1.4 本文所做的工作本文主要是在阅读大量有关数控机床电气控制的文献的基础上完成了以下
15、几个方面的内容：第一，提出了数控机床电气控制设计的总体方案，并阐述了数控机床电气控制系统的控制要求以及伺服控制系统的主要功能；第二，机床电气控制系统详细设计，本文主要分析了数控机床电气控制主设备中的主轴电机的电气控制原理、参数设计以及异常保护方案设计；电气控制给进轴的控制原理、电机伺服驱动控制系统设计以及限位控制；电气系统开关与紧急停止系统设计以及电气布局与安装；第三，电气控制系统安装与调试应注意的事项与要点，调试方案以及调试的结果。第二章 电气控制系统总体方案设计2.1 数控机床电气控制系统的控制要求根据数控机床电气控制(第二版)4，数控机床电气控制系统的设计主要要遵循以下几方面的原则：首先，要尽可能的满足整个系统的机械设计和工艺加工的要求。尽管数控机床是科技发展的产物，但其仍然属于机电一体化产品，其主要包含了控制系统的主轴控制系统和进给轴伺服控制系统，而这些系统大多数都是机电式的，他们的输出部分的机械环节和元件是控制系统必不可少的重要组成部分，直接影响着数控机床性能的好坏。这些机械环节和元件不同于电气部分，他们不能够灵活的变化，一旦加工完成，其性能的提高几乎是不可能的了。所以，数控机床的机械设计人员以及数控机床控制系统的人员必须深刻地认识到这一点
