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1、控制系统课程项目设计说明书项目名称：数控铣床控制系统设计系别:机械电子工程系专业：机械设计制造及其自动化姓 名：citycars学 号：指导教师：陈少波完成时间： 2012 年 6 月 8 日 至 2012 年 6 月 22 日目录1 概述 31.1 设计目的 31.2 使用设备 31.3 设计内容及要求 32 NUM1020 控制系统设计 42.1 功能概述 42.2 主要元器件选型 52.2.1 电机选型 52.2.2 伺服驱动器与变频器选型 72.3 电路原理设计 72.3.1 电源供电设计 72.3.2 驱动电路设计 92.3.3 电机编码器与伺服驱动器连接设计 92.3.4 手轮与轴
2、卡连接设计 92.3.5 铣床控制电路设计 102.4 控制系统设计 112.4.1 控制系统功能设计 122.4.2 参数设置 122.4.3 程序设计 143 总结 171.1 设计目的1）、掌握简单数控铣床控制系统的设计过程2）、掌握常用数控系统（NUM1020）的操作过程3）、掌握交流伺服电机的工作方式及应用过程4）、了解数控系统内置式 PLC 的实现原理及编程方式5）、掌握数控系统自动控制功能程序的设计及开发过程1.2 使用设备1）、 NUM1020 数控系统一套2）、安川交流伺服电机 3套3）、计算机及梯形图编辑软件一套1.3 设计内容及要求1）、以实验室现有的设备（NUM1020
3、数控系统）作为控制器，参照实验室现 有的数控铣床的功能，完成一台具有 3轴联动功能的数控铣床的电气系统设计过 程。2）、移动轴（3 轴）采用实验室现有的交流伺服电机进行驱动，采用半闭环 位置控制模式。3）、主轴采用实验室现有的变频调速器进行设计驱动，系统不要求具备自动 换刀功能。4）、完成 PLC 输入输出点的分配。5）、具有行程及其他基本的保护功能。6）、设计相关功能的梯形图控制程序（要求具有：手动进给功能、手轮进给 功能、 MDI 功能、自动控制功能及各种基本的逻辑保护功能）7）、完成设计报告。2 NUM1020 控制系统设计2.1 功能概述此三轴联动数控铣床由X、Y、Z轴三轴及主轴组成，
4、X、Y、Z轴采用伺服电 机传动，由伺服驱动器驱动。主轴采用普通三相异步电机，由变频器驱动。数控 系统采用 NUM1020 数控系统。由 NUM1020 数控系统作为控制核心，三台伺服 驱动器通过NUM1020系统的轴卡地址编码控制，主轴变频器由数控系统的PLC 输出模拟量控制，同时变频器反馈速度模拟量输入到PLC。系统框图如图1所示。图 1 功能概述图2.2 主要元器件选型2.2.1 电机选型性能参数设计指标：(1) 工作台质量m=510kg (所受的重力W=5000N)；(2) 主轴部分工作部件质量m=510kg (所受的重力W=5000N)；(3) 工作台的最大行程 Lp=600mm；p(
5、4) 工作台 X 轴和 Y 轴最大移动速度 V =9000mm/min；max(5) z 轴最大移动速度为 3000mm/min；(6) 主轴最大转速 n=2000n/min；(7) 最大切削力 F=1000N；(8) 铣刀最大直径 d=20mm；(9) 工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数“=0.1。( 10 )位置控制精度 0.01mm 。2211 X轴和Y轴驱动电机选型：X、Y 轴为平动，电机驱动力仅需要克服平动所受到的导轨的摩擦力，因此电 机所需功能较小。所需驱动功率 P=FV=WXp XV=5000X0.15X6000/(60X 1000X 1000)KW=0.12KW 假设电机传动
6、效率为n =0.9，则电机最小功率为P_1=P/n =0.13kW2.2.1.2 Z 轴驱动电机选型：Z 轴电机驱动主轴部件移动时，需要克服工作部件的重力，所需要电机功能 较大。所需驱动功率假设电机传动效率为n =0.9，则电机最小功率为P_2=P/n =0.28kW2.2.1.3 主轴轴驱动电机选型：依据性能参数设计指示，最大切削力F=1000N,铣刀最大直径d=20mm所需电机最大转矩 T由公式 得所需驱动功率查电机型号选型手册，低功率交流电机的转速较大，没有2840 n/min及以下 的，因此，此处电机扭矩计算按电机转速3000 n/min 计算：假设电机传动效率为 n =0.9，则电机
7、最小功率为 P_2=P/n =3.5Kw根据以上计算， X、Y、Z 轴的伺服电机选用日本安川品牌的交流伺服电机， 主轴选用西门子品牌的三相异步电机。电机型号如下表所示：轴型号转速功率扭矩编码器XSGMGH054AAA2S1500r/m in0.45KW490Nm17比特增量式YSGMGH054AAA2S1500r/m in0.45KW490Nm17比特增量式ZSGMGH20ACB2S1000r/m in2.0KW1176Nm17比特增量式主轴Y112M-22890r/m in4.0KW13.2 Nm2.2.1.4 控制精度验算：设齿轮传动比，丝杆导程为t=6mm，则控制精度为符合设计精度指示要
8、求。2.2.2 伺服驱动器与变频器选型因驱动电机选取的是安川品牌的伺服电机，为了使系统性能更优，方便维护 选取安川品牌的伺服驱动器，型号与伺服电机对应。变频器选型台达品牌的通用 型号。如下表所示： 伺服器与变频器型号轴品牌型号功率X安川SGDM 05AD0.45KWY安川SGDM 05AD0.45KWZ安川SGDM 20ADA2KW变频器台达VFD750B43A5KW2.3 电路原理设计2.3.1 电源供电设计图 2 所示是铣床数控系统输入电源电路部分。其中 L1、L2、L3 为火线，构成三相交流380V供电线；N为零线；PE为地线。一台伺服电机额定电流8A,整个系统估计30A，初定40A，选
9、用14平方铜线。电源总开关采用断路器，对电路过载及过流保护。通过三相隔离变压器，将三相交流 380V 电压转换成三相交流220V电压对伺服电机的供电，三台伺服电机的总功率是2.9KW，变压器功率选4.5KW。加入220VAC-24VDC电源模块，将两相220V交流电压转换成24V直流电压，对NUM系统及其PLC输入输出部分供电。汕頭大芈SELVG CU UN1VBRSI T YA73B0V QFONUM条统花严桂制冋路/PLCI：粽2E 、图 2 电源供电设计PE LI L2 LI LIC UC2A1何眼册动皤 別PS W V WQHS - asc Hlnu2QF2KA7心曲2QF3KA8AC
10、380VK L1 L3 LI LK LK2A2何康动器 *!PE tl U LJ ue US2QF5 备T *L 片 棉KA5斗-fNUM巔统模推昼输岀KA4主轴反转KA3主粕正转PE V v wCN32A3何眼骡动器呗P V wGW轴Z轴主轴图 3 驱动电路设计2.3.2 驱动电路设计如图3所示，X、Y、Z轴伺服电机连接伺服驱动器，主轴电机连接变频器， 变频器的电路接通及正反转控制由 NUM 系统的 PLC 输出电路控制。主轴电机由 接入变频器，由 AC380V 供电。冷却液泵采用三相 AC380V 的电机驱动，功率为 40W。电路中采用断路器对电路进行过载及短路保护。2.3.3 电机编码器
11、与伺服驱动器连接设计如图 4所示，为电机编码器与伺服驱动器连接，采用速度控制模式。 X、 Y、Z 轴的接线方式相同。图 4 电机编码器与伺服驱动器连接电路2.3.4 手轮与轴卡连接设计2.3.5 铣床控制电路设计冷却葢轴Y轴Z轴主轴主轴液开伺服伺服伺服正转反转启启动启动启动Q501.00501.10501.4Q5Q0-3Q500.4Q500.5强电允许外部运 行允许图 6 铣床控制电路OTBS130BTS216EST0P14EST0P317汕頭大芈SELVCICU liNlVliRSlTY如图6所示，继电器部分KA1KA1O为直流24V中间继电器，由输出开关量 控制，主要控制主轴正反转、冷却电
12、动机及伺服控制等。图中S1、S3分别为X 轴的正、反超程限位开关的常闭触点；S3、S4分别为Y轴的正、反超程限位开 关的常闭触点；S5、S6分别为Z轴的正、反超程限位开关的常闭触点，它们结 合伺服系统的运行标志位来控制系统的运行允许继电器。伺服ON是来自伺服电 源模块与伺服驱动模块的故障连锁。2.4 控制系统设计伺服也源系统启动 伺服电源关闭 z轴反向行程限位开关 Z轴正向行程限位开关 Y轴反向帶程唱位开关 轴正向行程限位开天 X轴反向行稈限位开关 X轴正向行程限惊开关 手轮反向进给 手轮正向逬给 选择Z轴 选择轴 选择X轴 伺服器ON 允许运行ovovCOM -%I5O2.1%Q500,2%
13、IS01.5COM%I5O1.3%Q500.3%I5O1.2COM%!501.1%Q500,4%I5O1.OCOM%IS00.7%Q500.5NC%i500.6COM%M01.1%Q5010%I1O1.OCOM%I100.2%Q5G1J%I100.1COM%I100.0%Q50t4%I5OO.124V%I500.024V运帶允许X轴娱幼上屯轴驱动上电Z轴驱动上电冷却液开关主軸电机正转主轴电机反转模拟量输出至变频器变频器模拟虽输入Aogw 囲密羽-ffiA图 7 PLC 接口如图7所示，根据系统控制对PLC的输入输出端口进行分配，输入开关量主 要有进给装置、主轴装置、冷却液等的状态信息，输出开关量控制是相应的继电 器工作。2.4.1 控制系统功能设计字段值定义%M存储型公共变量%V非存储型公共变量%I输入/输出（I/O）接口读变量%Q输入/输出（I/O）接口写变量%RCNC输入/输出（I/O）接口读变量%WCNC输入/输出（I/O）接口写变量%S公共字变量%Y局部变量2.4.2 参数设置数控机床存在很多的参数，
