三軸數(shù)控銑床設(shè)計報告.docx

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控 制 系 統(tǒng) 課 程 項 目 設(shè)計說明書 項目名稱： 數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計 系 別： 機(jī)械電子工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 姓 名： citycars 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 陳少波 完成時間： 2012 年 6 月 8 日 至 2012 年 6 月 22 日 目錄 1 概述 3 1.1 設(shè)計目的 3 1.2使用設(shè)備 3 1.3設(shè)計內(nèi)容及要求 3 2 NUM1020控制系統(tǒng)設(shè)計 4 2.1 功能概述 4 2.2 主要元器件選型 5 2.2.1電機(jī)選型 5 2.2.2 伺服驅(qū)動器與變頻器選型 7 2.3 電路原理設(shè)計 7 2.3.1 電源供電設(shè)計 7 2.3.2 驅(qū)動電路設(shè)計 9 2.3.3 電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動器連接設(shè)計 9 2.3.4 手輪與軸卡連接設(shè)計 9 2.3.5銑床控制電路設(shè)計 10 2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計 11 2.4.1控制系統(tǒng)功能設(shè)計 12 2.4.2 參數(shù)設(shè)置 12 2.4.3 程序設(shè)計 14 3 總結(jié) 17 1 概述 1.1 設(shè)計目的 1）、掌握簡單數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設(shè)計過程 2）、掌握常用數(shù)控系統(tǒng)（NUM1020）的操作過程 3）、掌握交流伺服電機(jī)的工作方式及應(yīng)用過程 4）、了解數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置式 PLC 的實(shí)現(xiàn)原理及編程方式 5)、掌握數(shù)控系統(tǒng)自動控制功能程序的設(shè)計及開發(fā)過程 1.2使用設(shè)備 1)、NUM1020數(shù)控系統(tǒng)一套 2)、安川交流伺服電機(jī)3套 3)、計算機(jī)及梯形圖編輯軟件一套 1.3設(shè)計內(nèi)容及要求 1）、以實(shí)驗室現(xiàn)有的設(shè)備（NUM1020數(shù)控系統(tǒng)）作為控制器，參照實(shí)驗室現(xiàn)有的數(shù)控銑床的功能，完成一臺具有3軸聯(lián)動功能的數(shù)控銑床的電氣系統(tǒng)設(shè)計過程。 2）、移動軸（3軸）采用實(shí)驗室現(xiàn)有的交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，采用半閉環(huán)位置控制模式。 3）、主軸采用實(shí)驗室現(xiàn)有的變頻調(diào)速器進(jìn)行設(shè)計驅(qū)動，系統(tǒng)不要求具備自動換刀功能。 4）、完成PLC輸入輸出點(diǎn)的分配。 5）、具有行程及其他基本的保護(hù)功能。 6）、設(shè)計相關(guān)功能的梯形圖控制程序（要求具有：手動進(jìn)給功能、手輪進(jìn)給功能、MDI功能、自動控制功能及各種基本的邏輯保護(hù)功能） 7）、完成設(shè)計報告。 2 NUM1020控制系統(tǒng)設(shè)計 2.1 功能概述 此三軸聯(lián)動數(shù)控銑床由X、Y、Z軸三軸及主軸組成，X、Y、Z軸采用伺服電機(jī)傳動，由伺服驅(qū)動器驅(qū)動。主軸采用普通三相異步電機(jī)，由變頻器驅(qū)動。數(shù)控系統(tǒng)采用NUM1020數(shù)控系統(tǒng)。由NUM1020數(shù)控系統(tǒng)作為控制核心，三臺伺服驅(qū)動器通過NUM1020系統(tǒng)的軸卡地址編碼控制，主軸變頻器由數(shù)控系統(tǒng)的PLC輸出模擬量控制，同時變頻器反饋速度模擬量輸入到PLC。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 圖1 功能概述圖 2.2 主要元器件選型 2.2.1電機(jī)選型 性能參數(shù)設(shè)計指標(biāo)： （1） 工作臺質(zhì)量m=510kg（所受的重力W=5000N）； （2） 主軸部分工作部件質(zhì)量m=510kg（所受的重力W=5000N）； （3）工作臺的最大行程Lp=600mm； （4）工作臺X軸和Y軸最大移動速度Vmax=9000mm/min； （5）z軸最大移動速度為3000mm/min； （6）主軸最大轉(zhuǎn)速n=2000n/min； （7）最大切削力F=1000N； （8）銑刀最大直徑d=20mm； （9）工作臺采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動摩擦系數(shù)μ=0.15。 （10）位置控制精度0.01mm。 2.2.1.1 X軸和Y軸驅(qū)動電機(jī)選型： X、Y軸為平動，電機(jī)驅(qū)動力僅需要克服平動所受到的導(dǎo)軌的摩擦力，因此電機(jī)所需功能較小。 所需驅(qū)動功率P=FV=WμV=50000.156000/(6010001000)KW=0.12KW 假設(shè)電機(jī)傳動效率為 η=0.9，則電機(jī)最小功率為P_1=P/η=0.13kW 2.2.1.2 Z軸驅(qū)動電機(jī)選型： Z軸電機(jī)驅(qū)動主軸部件移動時，需要克服工作部件的重力，所需要電機(jī)功能較大。 所需驅(qū)動功率 假設(shè)電機(jī)傳動效率為 η=0.9，則電機(jī)最小功率為P_2=P/η=0.28kW 2.2.1.3 主軸軸驅(qū)動電機(jī)選型： 依據(jù)性能參數(shù)設(shè)計指示，最大切削力F=1000N，銑刀最大直徑d=20mm 所需電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T 由公式 得 所需驅(qū)動功率 查電機(jī)型號選型手冊，低功率交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速較大，沒有2840 n/min及以下的，因此，此處電機(jī)扭矩計算按電機(jī)轉(zhuǎn)速3000 n/min計算： 假設(shè)電機(jī)傳動效率為 η=0.9，則電機(jī)最小功率為P_2=P/η=3.5Kw 根據(jù)以上計算，X、Y、Z軸的伺服電機(jī)選用日本安川品牌的交流伺服電機(jī)，主軸選用西門子品牌的三相異步電機(jī)。電機(jī)型號如下表所示： 軸 型號 轉(zhuǎn)速 功率 扭矩 編碼器 X SGMGH054AAA2S 1500r/min 0.45KW 490Nm 17比特 增量式 Y SGMGH054AAA2S 1500r/min 0.45KW 490Nm 17比特 增量式 Z SGMGH20ACB2S 1000r/min 2.0KW 1176Nm 17比特 增量式 主軸 Y112M-2 2890r/min 4.0KW 13.2 Nm 2.2.1.4 控制精度驗算： 設(shè)齒輪傳動比，絲桿導(dǎo)程為t=6mm，則控制精度為 符合設(shè)計精度指示要求。 2.2.2 伺服驅(qū)動器與變頻器選型 因驅(qū)動電機(jī)選取的是安川品牌的伺服電機(jī)，為了使系統(tǒng)性能更優(yōu)，方便維護(hù)，選取安川品牌的伺服驅(qū)動器，型號與伺服電機(jī)對應(yīng)。變頻器選型臺達(dá)品牌的通用型號。如下表所示： 伺服器與變頻器型號 軸 品牌 型號 功率 X 安川 SGDM 05AD 0.45KW Y 安川 SGDM 05AD 0.45KW Z 安川 SGDM 20ADA 2KW 變頻器 臺達(dá) VFD750B43A 5KW 2.3 電路原理設(shè)計 2.3.1 電源供電設(shè)計 圖2所示是銑床數(shù)控系統(tǒng)輸入電源電路部分。其中L1、L2、L3為火線，構(gòu)成三相交流380V供電線；N為零線；PE為地線。一臺伺服電機(jī)額定電流8A，整個系統(tǒng)估計30A，初定40A,選用14平方銅線。電源總開關(guān)采用斷路器，對電路過載及過流保護(hù)。通過三相隔離變壓器，將三相交流380V電壓轉(zhuǎn)換成三相交流220V電壓對伺服電機(jī)的供電，三臺伺服電機(jī)的總功率是2.9KW，變壓器功率選4.5KW。加入220VAC-24VDC電源模塊，將兩相220V交流電壓轉(zhuǎn)換成24V直流電壓，對NUM系統(tǒng)及其PLC輸入輸出部分供電。 圖2 電源供電設(shè)計 圖3 驅(qū)動電路設(shè)計 2.3.2 驅(qū)動電路設(shè)計 如圖3所示，X、Y、Z軸伺服電機(jī)連接伺服驅(qū)動器，主軸電機(jī)連接變頻器，變頻器的電路接通及正反轉(zhuǎn)控制由NUM系統(tǒng)的PLC輸出電路控制。主軸電機(jī)由接入變頻器，由AC380V供電。冷卻液泵采用三相AC380V的電機(jī)驅(qū)動，功率為40W。電路中采用斷路器對電路進(jìn)行過載及短路保護(hù)。 2.3.3 電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動器連接設(shè)計 如圖4所示，為電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動器連接，采用速度控制模式。X、Y、Z軸的接線方式相同。 圖4電機(jī)編碼器與伺服驅(qū)動器連接電路 2.3.4 手輪與軸卡連接設(shè)計 圖5 手輪與軸卡連接電路 2.3.5銑床控制電路設(shè)計 圖6 銑床控制電路 如圖6所示，繼電器部分KA1~KA10為直流24V中間繼電器，由輸出開關(guān)量控制，主要控制主軸正反轉(zhuǎn)、冷卻電動機(jī)及伺服控制等。圖中S1、S3分別為X軸的正、反超程限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)；S3、S4分別為Y軸的正、反超程限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)；S5、S6分別為Z軸的正、反超程限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，它們結(jié)合伺服系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)志位來控制系統(tǒng)的運(yùn)行允許繼電器。伺服ON是來自伺服電源模塊與伺服驅(qū)動模塊的故障連鎖。 2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計 圖7 PLC接口 如圖7所示，根據(jù)系統(tǒng)控制對PLC的輸入輸出端口進(jìn)行分配，輸入開關(guān)量主要有進(jìn)給裝置、主軸裝置、冷卻液等的狀態(tài)信息，輸出開關(guān)量控制是相應(yīng)的繼電器工作。 2.4.1控制系統(tǒng)功能設(shè)計 字段值 定義 %M 存儲型公共變量 %V 非存儲型公共變量 %I 輸入/輸出（I/O）接口讀變量 %Q 輸入/輸出（I/O）接口寫變量 %R CNC輸入/輸出（I/O）接口讀變量 %W CNC輸入/輸出（I/O）接口寫變量 %S 公共字變量 %Y 局部變量 2.4.2 參數(shù)設(shè)置 數(shù)控機(jī)床存在很多的參數(shù)，不同的參數(shù)起到不同的控制作用，系統(tǒng)龐大，故在此只設(shè)置一些參數(shù)起到我們想要的參數(shù)，下面是NUM1020典型參數(shù)設(shè)置表: 參數(shù)序號 系統(tǒng)設(shè)置值 觀察到的結(jié)果 更改值 更改后的對系統(tǒng)的影響 備注 P2 07 三軸都有測量誤差 05 Y軸不再顯示測量誤差 Y軸被關(guān)閉 P0 07 三軸都有顯示值 03 Z軸不再有顯示值 Z軸被關(guān)閉顯示 P10 04 X與Z軸同向 Y軸與X、Y軸反向 01 Z與y軸同向 X軸與Y、Z軸反向 方向是相對機(jī)床的安裝來定的 P12 01 顯示為負(fù)數(shù) 00 顯示為正數(shù) 用的是手輪方向變換 P23 N0 12000 N1 80000 N2 80000 最大跟隨： X -13165 Y-87916 Z+87925 N0 12000 N1 80000 N2 80000 N3 8000 最大跟隨： X 13110 Y 87927 Z-8772（+8798） 不改變的參數(shù)其顯示結(jié)果值保持不變，改變參數(shù)其顯示值相應(yīng)減少。 詳細(xì)說明： （1） P2的意思是測量軸X、Y、Z軸，三個軸分別占有從低位到高位的三個位置。系統(tǒng)設(shè)置為07時，在X、Y、Z所占的位子上顯示的數(shù)都為1，所以三軸都測量。當(dāng)改成05時在Z的位置上顯示的為0，所以只有X、Y軸測量 （2） P0是指在顯示屏中顯示的軸。同理當(dāng)三軸都顯示的時候系統(tǒng)設(shè)置為07。當(dāng)改為03時，Z軸不顯示。 （3） P10是指軸的測量方向，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為04時，Z軸是1、X、Y軸是0。應(yīng)該X、Y軸的轉(zhuǎn)動方向一致。但由于決定電機(jī)轉(zhuǎn)動方向的還有電機(jī)的三根線的接線方式。所以會導(dǎo)致在觀察的時候X、Z軸的轉(zhuǎn)動方向一致。 （4） P11軸的測量單位轉(zhuǎn)換系數(shù)、俗稱電子齒輪。通過改變其的設(shè)置值可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （5） P12是手輪的測量方向，在系統(tǒng)中給首輪分配了兩個位。當(dāng)設(shè)置值為00時，順時針轉(zhuǎn)動手輪時顯示軸轉(zhuǎn)動方向的值為正值。當(dāng)設(shè)置值為01時，順時針轉(zhuǎn)動手輪時顯示軸轉(zhuǎn)動方向的值為負(fù)值。 （6）P23是參數(shù)的設(shè)置可改變最大跟隨誤差，當(dāng)超過跟隨誤差時，屏幕出現(xiàn)報警。 2.4.3 程序設(shè)計 程序初始化： %w5.7為屏幕保護(hù)功能選擇，設(shè)定其為0即禁止屏幕保護(hù)。%w4.0當(dāng)其為1時允許所有軸進(jìn)給，不為1時所有軸都不能進(jìn)給。%w100.0為控制軸組1（X、Y、Z）的進(jìn)給，%w100.1復(fù)位時，處于MDI模式或自動模型，其運(yùn)行后其他指令不再運(yùn)行，直接回到原來程序繼續(xù)運(yùn)行。其中%w4.0、%w4.3、%w100.5、%100.2、%100.1等均為無條件執(zhí)行，梯形圖： MDI手輪和手動選擇程序 采用%M10.w作為分支條件，根據(jù)其等于1或者2轉(zhuǎn)到相關(guān)的子程序執(zhí)行。圖中%16.B代表手動方式和回零方式。%15.B代表手動增量類型和手輪進(jìn)給。 手輪控制 %I100.0手動進(jìn)給軸選擇x，%I101.0代表手動正向進(jìn)給，%I501.0代表正向行程開關(guān)限制，%w9.0代表手動正向進(jìn)給（電機(jī)正轉(zhuǎn)）；%I101.0代表手動負(fù)向進(jìn)給，%I501.1代表負(fù)向行程開關(guān)限制，%w9d.0代表手動負(fù)向進(jìn)給（電機(jī)反轉(zhuǎn)）。Y、Z軸的方向控制同X軸。此外，為了解決正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)同時轉(zhuǎn)動的問題，用了互鎖原理，當(dāng)%101.0作用時，只有正轉(zhuǎn)；當(dāng)%101.1作用時，只有反轉(zhuǎn)，當(dāng)兩個同時按下時兩個都不轉(zhuǎn)，控制X、Y、Z方向梯形圖如下： 主軸控制 ①%R122.0、%R122.1、%R122.2分別代表主軸的順時、逆時轉(zhuǎn)動和主軸停；%Q501.0代表主軸順時轉(zhuǎn)動的燈亮，%Q501.1逆時針轉(zhuǎn)動的燈亮；%I503.6代表出故障，%w100.5代表系統(tǒng)至于等待狀態(tài)，不處理正在執(zhí)行的程序段中的下一個功能。 自動加工循環(huán)程序 %I103.1循環(huán)啟動按鈕輸入，當(dāng)輸入為1時，循環(huán)啟動模型開啟；%W3.2動作向NC系統(tǒng)提出循環(huán)加工請求；%R3.2為PLC檢測到NC系統(tǒng)響應(yīng)了循環(huán)加工請求后就動作，梯形圖： 電機(jī)報警 要%R5.0顯示息，%Q500.3才有效。 且%500.2、%500.3 %500.4都不工作，%M700.1運(yùn)行。 3 總結(jié) 這個課程設(shè)計項目綜合了《數(shù)控技術(shù)》和《機(jī)電傳動控制》兩門課和內(nèi)容，是一個綜合的應(yīng)用。通過本次課程設(shè)計，使我了解熟悉了簡單的數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設(shè)計過程和常用數(shù)控系統(tǒng)（NUM1020）的設(shè)計過程。 由于臨近期末考試，時間緊迫，設(shè)計的準(zhǔn)備工作內(nèi)容量較大，因此這個課程 設(shè)計由我和另兩位同學(xué)組隊完成。項目中，我負(fù)責(zé)電機(jī)的選型及電氣原理圖設(shè)計。 這次課程項目設(shè)計，極大的提高了我能力。因為時間問題，這個項目在兩天時間內(nèi)基本完成了，組員分工明確，及時交流查找到的信息，互相幫助解決各自遇到的問題，有效的提高了項目進(jìn)程。 項目設(shè)計中，核心部件選用的是外國的產(chǎn)品，因國產(chǎn)的伺服電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，可靠性遠(yuǎn)比不上外國的產(chǎn)品，數(shù)控系統(tǒng)可靠性較差等等這些原因使我們放棄選用國產(chǎn)的產(chǎn)品。我們都知道，核心零部件的價值是最高的，這對于我國的工業(yè)化生產(chǎn)帶來極大的損失。