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1、-控控 制制 系系 统统 课课 程程 项项 目目设计说明书项目名称：项目名称：数控铣床控制系统设计数控铣床控制系统设计系系别：别：机械电子工程系机械电子工程系专专业：业：机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化姓姓名：名：city学学号：号：09128888组组员：员：学学号：号：学学号：号：指导教师：指导教师：陈少波完成时间：完成时间：2012 年年6 月月 8 日日 至至2012 年年6 月月 22 日日目录目录1 概述.21.1 设计目的.21.2 使用设备.21.3 设计内容及要求.32 NUM1020 控制系统设计.32.1 功能概述.32.2 主要元器件选型.42.2.1 电机
2、选型.4-2.2.2 伺服驱动器与变频器选型.62.3 电路原理设计.62.3.1 电源供电设计.62.3.2 驱动电路设计.82.3.3 电机编码器与伺服驱动器连接设计.82.3.4 手轮与轴卡连接设计.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.112.4.2 参数设置.122.4.3 程序设计.133 总结.161 1 概述概述1.11.1 设计目的设计目的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
3、5)、掌握数控系统自动控制功能程序的设计及开发过程1.21.2使用设备使用设备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-1.31.3 设计内容及要求设计内容及要求1）、以实验室现有的设备（NUM1020 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
4、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 NUM10202 NUM1020 控制系统设计控制系统设计2.12.1 功能概述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，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
5、输入到 PLC。系统框图如图 1 所示。-图 1 功能概述图2.22.2 主要元器件选型主要元器件选型2.2.12.2.1 电机选型电机选型性能参数设计指标：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；（4）工作台 X 轴和 Y 轴最大移动速度 Vmax=9000mm/min；（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）
6、工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数=0.15。-（10）位置控制精度 0.01mm。2.2.1.1X2.2.1.1X 轴和轴和 Y Y 轴驱动电机选型：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。所需驱动功率假设电机传动效率为=0.9，则电机最小功率为 P_1=P/=0.13kW2.2.1.2Z2.2.1.2Z 轴驱动电机选型：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=0.9，则电机最小功率为 P_2=P/=0.28kW2.2.1.32.2.1.3 主轴轴
7、驱动电机选型：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=0.9，则电机最小功率为 P_2=P/=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X型号SGMGH054AAA2S转速1500r/min功率0.45KW扭矩490Nm编码器17 比特增量式-
8、YZ主轴SGMGH054AAA2SSGMGH20ACB2SY112M-21500r/min1000r/min2890r/min0.45KW2.0KW4.0KW490Nm1176Nm13.2 Nm17 比特增量式17 比特增量式2.2.1.42.2.1.4 控制控制精度验算精度验算：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求。2.2.22.2.2 伺服驱动器与变频器选型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XY
9、Z变频器品牌安川安川安川台达型号SGDM 05ADSGDM 05ADSGDM 20ADAVFD750B43A功率0.45KW0.45KW2KW5KW2.32.3 电路原理设计电路原理设计2.3.12.3.1 电源供电设计电源供电设计图 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
10、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。图 2 电源供电设计-图 3 驱动电路设计2.3.22.3.2 驱动电路设计驱动电路设计如图 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。2.3.32.3.3 电机编码
11、器与伺服驱动器连接设计电机编码器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2.3.42.3.4 手轮与轴卡连接设计手轮与轴卡连接设计图 5 手轮与轴卡连接电路-2.3.52.3.5 铣床控制电路设计铣床控制电路设计图 6 铣床控制电路如图 6 所示，继电器部分 KA1KA10 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；
12、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。-2.42.4 控制系统设计控制系统设计图 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。2.4.12.4.1 控制系统功能设计控制系统功能设计字段值%M%V定义存储型公共变量非存储型公共变量-%I%Q%R%W%S%Y输入/输出（I/O）接口读变量输入/输出（I/O）接口写变量CNC 输入/输出（I/O）接
13、口读变量CNC 输入/输出（I/O）接口写变量公共字变量局部变量2.4.22.4.2参数设置参数设置数控机床存在很多的参数，不同的参数起到不同的控制作用，系统庞大，故在此只设置一些参数起到我们想要的参数，下面是 NUM1020 典型参数设置表:参数序号P2系统设置值07观察到的更改值结果三轴都有测量误差三轴都有P007显示值X 与 Z 轴同P1004向Y 轴与 X、Y轴反向P1201显示为负数00显示为正数用的是手轮方向变换不改变的参N0 12000P23N1 80000N2 80000最大跟随：N0 12000X-13165Y-87916Z+87925N1 80000N2 80000N3 8
14、000最大跟随：X 13110Y 87927Z-8772（+8798）数其显示结果值保持不变，改变参数其显示值010305统的影响Y 轴不再显示测量误差Z 轴不再有显示值Z 与 y 轴同向X 轴与 Y、Z 轴反向Y 轴被关闭Z 轴被关闭显示方向是相对机床的安装来定的更改后的对系备注-相应减少。详细说明：详细说明：（1）P2 的意思是测量轴 X、Y、Z 轴，三个轴分别占有从低位到高位的三个位置。系统设置为07 时，在X、Y、Z 所占的位子上显示的数都为 1，所以三轴都测量。当改成 05 时在 Z 的位置上显示的为 0，所以只有 X、Y轴测量（2）P0 是指在显示屏中显示的轴。同理当三轴都显示的时
15、候系统设置为07。当改为 03 时，Z 轴不显示。（3）P10 是指轴的测量方向，当系统设置为04 时，Z 轴是 1、X、Y 轴是 0。应该 X、Y 轴的转动方向一致。但由于决定电机转动方向的还有电机的三根线的接线方式。所以会导致在观察的时候X、Z 轴的转动方向一致。（4）P11 轴的测量单位转换系数、俗称电子齿轮。通过改变其的设置值可以改变电机的转速。（5）P12 是手轮的测量方向，在系统中给首轮分配了两个位。当设置值为00 时，顺时针转动手轮时显示轴转动方向的值为正值。当设置值为 01时，顺时针转动手轮时显示轴转动方向的值为负值。（6）P23 是参数的设置可改变最大跟随误差，当超过跟随误差
16、时，屏幕出现报警。2.4.32.4.3 程序设计程序设计程序初始化：程序初始化：%w5.7 为屏幕保护功能选择，设定其为 0 即禁止屏幕保护。%w4.0 当其为 1 时允许所有轴进给，不为 1 时所有轴都不能进给。%w100.0 为控制轴组 1（X、Y、Z）的进给，%w100.1 复位时，处于 MDI 模式或自动模型，其运行后其他指令不再运行，直接回到原来程序继续运行。其中%w4.0、%w4.3、%w100.5、%100.2、%100.1等均为无条件执行，梯形图：-MDIMDI 手轮和手动选择程序手轮和手动选择程序采用%M10.w 作为分支条件，根据其等于 1 或者 2 转到相关的子程序执行。
17、图中%16.B 代表手动方式和回零方式。%15.B 代表手动增量类型和手轮进给。手轮控制手轮控制%I100.0 手动进给轴选择 x，%I101.0 代表手动正向进给，%I501.0 代表正向行程开关限制，%w9.0 代表手动正向进给（电机正转）；%I101.0 代表手动负向进给，%I501.1 代表负向行程开关限制，%w9d.0 代表手动负向进给（电机反转）。Y、Z 轴的方向控制同 X 轴。此外，为了解决正转和反转同时转动的问题，用了互锁原理，当%101.0 作用时，只有正转；当%101.1 作用时，只有反转，当两个同时按下时两个都不转，控制 X、Y、Z 方向梯形图如下：-主轴控制主轴控制%R
18、122.0、%R122.1、%R122.2 分别代表主轴的顺时、逆时转动和主轴停；%Q501.0代表主轴顺时转动的灯亮，%Q501.1 逆时针转动的灯亮；%I503.6 代表出故障，%w100.5 代表系统至于等待状态，不处理正在执行的程序段中的下一个功能。自动加工循环程序自动加工循环程序%I103.1 循环启动按钮输入，当输入为 1 时，循环启动模型开启；%W3.2 动作向NC 系统提出循环加工请求；%R3.2 为 PLC 检测到 NC 系统响应了循环加工请求后就动作，梯形图：-电机报警电机报警要%R5.0 显示息，%Q500.3 才有效。且%500.2、%500.3%500.4 都不工作，
19、%M700.1 运行。3 3 总结总结这个课程设计项目综合了数控技术和机电传动控制两门课和内容，是一个综合的应用。通过本次课程设计，使我了解熟悉了简单的数控铣床控制系统的设计过程和常用数控系统（NUM1020）的设计过程。由于临近期末考试，时间紧迫，设计的准备工作内容量较大，因此这个课程设计由我和另两位同学组队完成。项目中，我负责电机的选型及电气原理图设计。这次课程项目设计，极大的提高了我能力。因为时间问题，这个项目在两天时间内基本完成了，组员分工明确，及时交流查找到的信息，互相帮助解决各自遇到的问题，有效的提高了项目进程。项目设计中，核心部件选用的是外国的产品，因国产的伺服电机运行不稳定，可靠性远比不上外国的产品，数控系统可靠性较差等等这些原因使我们放弃选用-国产的产品。我们都知道，核心零部件的价值是最高的，这对于我国的工业化生产带来极大的损失。-