毕业设计CNC3136数控车床电气系统设计
CNC3136数控车床电气系统设计摘 要数控技术发展飞速的今天，数控技术在现代制造业发挥越来越重要的作用，数控机床是数控制造业的核心，本文主要介绍了对数控车床的电气系统设计的过程CNC6136A 是基于华中数控系统HNC-21的基础上设计制造的新一代的数控车床，对其电气系统设计使尤为重要的，其内容包括强电设计、弱点设计、PLC输入输出及接口设计，绘制出整个机床的电气系统原理图等本设计给出了整个机床的原理图绘制过程，重点部分模块化，较详细地介绍了各个部分的功能及用途分为 380V强电回路，控制回路，PLC输入输出控制，主轴驱动模块和进给伺服驱动模块，并介绍了相关的电气知识通过本设计说明书可以基本上掌握数控车床的电气原理，以及基本的电气常识，使读者无论是从整体上还是各个模块中都能够了解到数控车床相关的一系列电气知识关键词：数控系统；数控车床；主电路；控制电路；PLC控制；电气原理图 ABSTRACTThe numberical controls that the technique development fast today, the numberical controls technique at the modern manufacturing industry exertive more and more importance function, numberical control tool machine is number control a manufacturing industry of core, this text mainly introduced logarithms to control the processceed that the electricity system of lather design.CNC6136 As is according to Hua number control the system HNC-21 of the number of the new generation of the foundation top design manufacturing control lather, as to its the electricity system design make is important, its contents includes a strong electricaly design, weakness design, PLC importation output and Interface design, draw the electricity system principle diagram of a the whole tool machine etc..This principle diagram which designs to the whole tool machine draws process and the point parts of mold piece turn and compared to in detail introduce each function and use of part.Is divided into the 380 Vs strong electricity back track, control back track, the PLC importation outputs a control, the principal axis drives a mold piece and enters to servo drive a mold piece, and introduced related electronic knowledge.Through this design systerm can basically control numberical control the electricity principle of lather, and basic electronic common sense, make the reader regardless can understand numbrical control the lather related series of electricity knowledge from wholely the top still each mold piece.Key Words：NC system; NC lathe ; Main circuit; Control circuit; PLC control; Electric principle charts目 录第一章 绪论 11.1 引言 11.2 数控车床的现状与发展方向 11.3主要技术 5第二章 数控车床主要控制电路设计 62.1 数控车床常用电气元件 62.2 380V强电控制回路 142.3 电源回路 162.4 交流控制回路 162.5 直流控制回路 17第三章 PLC输入输出控制 193.1 可编程控制器概述 193.2 PLC输入/输出与通信接口 21第四章 伺服驱动进给系统设计 244.1 概述 244.2伺服驱动进给装置的接口设计 25第五章 主轴控制系统设计 275.1 概述 275.1.1 主轴驱动变速的三种形式 275.1.2调速的主要指标 285.2 交流主轴驱动装置的特性 285.3 主轴驱动装置的接口设计 28结 论 30参考文献 31附 录1：CNC6136A数控车床电气原理图 32附 录2：翻译 42致 谢 6473第一章 绪论1.1 引言机床是对金属或其它材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何精度和表面质量的机器，机床是用以制造一切机械(包括能制造机床自身)的机器，机床是机械制造业的基本加工装备。
它的品种、性能、质量和技术水平直接影响着其它机电产品的性能、质量、生产技术水平和企业的经济效益随着科学技术的高速发展，以电子信息技术为主体，世界机床产业已进入机电一体化时代，其代表产品就是数控机床CNC6136A数控车床就是典型的现代化设备，它的出现是机械加工设备的新突破随着科学技术和市场经济的不断发展，人们对机械产品的质量、生产率和新产品开发的周期提出了越来越高的要求，所以，新一代的数控车床便应运而生CNC6136A 数控车床是基于华中数控“世纪星”HNC-21TD系统的数控车床，其中一个主要的环节就是电气系统设计,其中包括强电设计，弱电设计，以及PLC接口设计等电气系统是整个车床的控制中心，所以设计工作尤为重要1.2 数控车床的现状与发展方向数控车床的现状：1．床身和导轨(1)床身机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件，床身的结构对机床的布局有很大的影响一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少平床身工艺性好，易于加工制造由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难；刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。
平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大2)导轨车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生 行现象目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点导轨刚度的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状 2．主轴变速系统经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩 3．刀架系统数控车床的刀架是机床的重要组成部分刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。
在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平随着数控车床的不断发展，刀具结构形式也在不断翻新刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式4．进给传动系统数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统机械传动部件和执行元件组成机械传动系统检测元件与反馈电路组成检测系统进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。
前者把丝杠包括在位置环内， 后者则完全置机械传动部件于位置环之外全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用数控车床发展趋势：数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
当前数控车床呈现以下发展趋势1．高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒的目标随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题采用电_乇轴结构可使主轴转速达到10000r／min以上直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙(包括反向间隙)，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极人地提高了伺服精度直线滚动导轨副，由于其具有各向问隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。
通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的10～20m／min提高到60～80m／min，甚至高达120m／min2．高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低3．数控车床设计CAD化、结构设计模块化随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期4．功能复合化功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少通过功能的复合化可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。
5．智能化 网络化、柔性化和集成化21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容、以方便系统的诊断及维修等网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS，分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。
CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展网络系统向开放、集成和智能化方向发展1.3主要技术此研究课题在现代数控机床的技术核心基础上，对采用华中数控“世纪星”HNC-21T系统的数控车床的电气系统设计，此设计本着在最大限度地实现数控车床机械设计和工艺的要求，保证数控车床稳定、可靠地运行，便于组织生产、降低生产成本、保证产品质量和加工过程安全的基础上进行设计包括380V强电回路设计，交流、直流控制回路设计，PLC输入、输出以及接口设计、主轴驱动单元以及伺服驱动进给单元设计整台数控车床全部的电气控制系统如图1-1所示图1-1 数控机床电气控制系统第二章 数控车床主要控制电路设计2.1 数控车床常用电气元件1．低压断路器低压断路器又称为自动空气开关，是将控制和保护的功能合为一体的电器它常作为不频繁接通和断开的电路的总电源开关或部分电路的电源开关，当发生过载、短路或欠压等故障时能自动切断电路，有效地保护串接在他后面的电器设备，并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件1）塑料外壳式断路器图2-1 塑料外壳式断路器外形图、电气图形及文字符号塑料外壳式断路器由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统组成，均安装在塑料外壳内组成一体，如图2-1所示。
机床作为配电、电动机的过载及短路保护用，亦可作为线路不频繁转换及电动机不频繁启动之用2）小型断路器 如图2-2所示图2-2 小型断路器外形图、电气图形及文字符号机床作为过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁的通断电器装置和照明线路2．接触器接触器是一种用来频繁地接通或分断电路带有负载（如电动机）的自动控制电器接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成如图2-3（a）、2-3(b)所示，其工作原理是当线圈通电后，铁芯产生电磁吸力将衔铁吸合衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触点系统随之复位按其主触点通过电流的种类不同，可分为直流、交流两种机床上应用最多的是交流接触器 图2-3(a) 交流接触器外形图图2-3(b) 交流接触器电气图形及文字符号3．继电器继电器是一种根据输入信号的变化接通或断开控制电路的电器继电器的输入信号可以是电流、电压、等电量，也可以是温度、速度、等非电量，输出为相应的触点动作继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器等。
按工作原理可分为：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器等 （1）电磁式继电器，如图2-4(a)、2-4(b)所示图2-4（a） 电磁继电器外形图图2-4（b） 电磁式继电器电气图形及文字符号电磁式继电器的结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是有电磁机构、触点系统和释放弹簧等部分组成根据外来信号（电压或电流）实衔铁产生闭合动作，从而带动触点动作，使控制电路接通或断开，实现控制电路的状态改变但是，继电器的触点不能用来接通和分断负载电路由于电磁式继电器具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等一系列优点，故在数控车床电气控制系统中应用最为广泛电磁式继电器按吸引线圈电源种类不同，有交流和直流两种按功能分分为电流继电器、电压继电器和中间继电器2）时间继电器 如图2-5所示时间继电器是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器，按其动作原理与构造不同，可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等类型机床控制电路中应用较多的是空气阻尼式时间继电器，晶体管式时间继电器也获得愈来愈广泛的应用数控机床中一般由计算机软件实现时间控制，而不采用时间继电器方式来进行时间控制图2-5 时间继电器电气图形及文字符号（3）热继电器 如图2-6(a)、2-6(b)所示图2-6(a) 热继电器外形图图2-6(b) 热继电器电气图形及文字符号热继电器是一种利用电流热效应工作的保护电器。
热继电器由发热元件（电阻丝）、双金属片、传导部分和常闭触点组成，当电动机过载时，通过热继电器中发热元件的电流增加，使双金属片受热弯曲，带动常闭触点动作热继电器用于电动机的长期过载保护4）固态继电器 如图2-7所示图2-7 固态继电器电气图形及文字符号固态继电器，简称SSR,是一种新发展起来的新型无触点继电器固态继电器使用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关4．变压器变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器1）机床控制变压器 如图2-8(a)、2-8(b)所示机床控制变压器适用于频率50Hz～60Hz，输入电压不超过交流660V的电路常作为各类机床、机械设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器、局部照明及指示灯的电源图2-8(a) 机床控制变压器外形图图2-8(b) 双绕组变压器电气图形及文字符号（2）三相变压器 如图2-9(a)、2-9(b)所示在三相交流系统中，三相电压的变换可用三台单相变压器也可用一台三相变压器来实现从经济性和缩小安装体积等方面考虑，可优先选择三相变压器。
在数控机床中三相变压器主要是给伺服驱动系统供电图2-9(a) 三相变压器外形图图2-9(b) 三相变压器电气图形及文字符号5．直流稳压电源 如图2-10(a)、2-10(b)所示直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器、信号指示灯等提供直流电源图2-10(a) 开关电源外形图图2-10(b) 直流稳压电源电气图形及文字符号6．熔断器熔断器是一种广泛应用的最简单的有效的保护电器在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔断体能自动迅速的熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏熔断器主要由熔断体（俗称保险丝）和熔座（俗称保险座）两部分组成如图2-11(a)、2-12(b)所示图2-11(a) 熔断器及熔断隔离器外形图图2-11(b) 熔断器电气图形及文字符号7．开关电器（1）行程开关 如图2-12(a)、2-12(b)所示行程开关是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器，用来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护图2-12(a) 行程开关外形图图2-12(b) 行程开关电气图形及文字符号（2）接近开关 如图2-13(a)、2-14(b)所示接近开关是非接触式的监测装置，当运动着的物体接近它到一定距离范围内，就能发出信号。
从工作原理看，接近开关有高频振荡型、感应电桥型、霍尔效应型、光电型、永磁及磁敏元件型、电容型、超声波型等多形式图2-13(a) 接近开关外形图图2-13(b) 接近开关电气图形及文字符号2.2 380V强电控制回路图2-14 380V强电回路(a)图2-14为数控车床的主电路的一部分，也是机床的动力电路，断路器QF1为机床电源的总开关，亦用来对整个动力线路进行过载及短路保护，交流接触器KM2和KM3采用互锁连接用来控制主轴电动机M1的正反转，断路器QF3作为主轴电动机的过载及短路保护；伺服变压器TC1是将交流380V电压转换为交流220V电压给伺服模块供电，QF2作为伺服强电的过载及短路保护，KM3用作开关控制，灭弧器RC1、RC2用来保护交流接触器的主触点，防止当主触点断开时，在动、静触点间产生强烈电弧，烧坏主触点图2-15为数控车床的主电路的另一部分，断路器QF4和QF5分别作为冷却电机和刀架电机的过载及短路保护；交流接触器KM6用来控制冷却电动机M2的启动和停止，KM4和KM5也是采用互锁电路控制刀架电机的M3的正反转，灭弧器RC3、RC4用来保护交流接触器的主触点，防止当主触点断开时，在动、静触点间产生强烈电弧，烧坏主触点。
图2-15 380V强电回路(b)典型电路控制分析：实际生产中考虑到经济、高效、准确等因素，此次设计中采用了互锁电路控制实现主轴和刀架电动机的正反转，有三相异步电动机的原理可知，只要将电动机接到三相电源中的任意两根连线对调，即可使电动机反转图2-16 互锁控制线路如图2-16所示，启动按钮SB2、SB3使用复合按钮，复合按钮的常闭触点用来断开转向相反的接触器线圈的通电回路，两个接触器的常闭触点KM1、KM2起互锁作用，即当一个接触器通电时，其常闭触点断开，使另一个接触器线圈不能通电2.3 电源回路图2-17 电源回路图图2-17为机床的电源线路，图中变压器TC1 原边接三相AC380V，副边三组绕组分别提供AC220V、AC24V、AC110V电压，AC220V给开关电源供电，AC24V给工作灯供电，AC110V给电柜风扇供电，熔断器FU1-FU3用来对线路进行过载及短路保护2.4 交流控制回路图2-18为机床的交流控制线路，图中交流接触器KM2线圈和KM3一对常闭辅助触点串接，交流接触器KM3线圈和KM2一对常闭辅助触点串接，从而实现主轴电动机正反向接触器间的互锁控制；交流接触器KM4线圈和KM5一对常闭辅助触点串接，交流接触器KM5线圈和KM4一对常闭辅助触点串接，从而实现刀架电动机正反向接触器间的互锁控制；交流接触器KM1线圈和KM6线圈分别用来控制KM1和KM6的主触点吸合。
继电器KA1-KA8触点由可编程控制器或数控装置I/O口控制，用来控制交流接触器KM1-KM6的线圈通电或断电图2-18 交流控制回路2.5 直流控制回路图2-19为机床的直流控制线路，在伺服强电和主轴强电通电的条件下，当机床未压限位开关、伺服未报警、急停未压下、主轴未报警时，KA2、KA3继电器线圈通电，继电器触点吸合，并且PLC输出点Y00发出伺服允许信号，KA1继电器线圈通电，继电器触点吸合当主轴交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，主轴变频器上加上AC380V电压，若有主轴正转或主轴反转转速指令时，PLC输出主轴正转Y10和主轴反转Y11有效，主轴转速指令输出对应于主轴转速的直流电压值（0-10V）至主轴变频器上，主轴按指令值的转速正转或反转当有换刀指令时，经过系统处理转变为换刀信号，PLC输出Y06有效，KA6继电器线圈通电，继电器触点闭合，交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电动机正转；当PLC输出Y07有效时，KA7继电器线圈通电，继电器触点闭合，交流接触器线圈通电，交流接触器主触点吸合，刀架电动机反转，延时一定时间后,PLC输出Y07有效撤销，交流接触器主触点断开，刀架电动机反转停止，换刀过程完成。
图2-19 直流控制回路第三章 PLC输入输出控制3.1 可编程控制器概述可编程控制器（以下简称PLC）是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置，目前已广泛应用于各种工业设备可编程控制器是计算机技术与自动控制技术有机结合的一种通用工业控制器在此之前，机床的顺序控制是以机床当前运行状态为依据，使机床按预先规定好的动作依次地工作，这种控制方式的实现，是由传统的继电器逻辑电路RLC完成的RLC是将继电器、接触器、按钮、开关等机电式控制器件用导线、端子等连接起来的电路，以实现规定的顺序控制功能1969年，美国DEC 公司研制出世界上第一台型号为“PDP-14”的可编程控制器，在通用汽车公司的自动装配线上使用，获得了成功因为这种装置当时称为“可编程逻辑控制器”（Programmable Logic Controller），故简称PLC可编程控制器是一种数字运算电子系统，专为在工业环境下运用而设计它采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程可编程控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工业控制系统，且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计。
数控机床的控制由数控装置和可编程控制器协调配合共同完成：数控装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等； 可编程控制器（以下简称PLC）主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有实现轨迹运动上的具体要求1．可编程控制器（PLC）具有如下特点：（1）PLC是一种专用于工业顺序控制的微机系统为了适应顺序控制的要求，PLC省去了微机的一些数字运算功能，而强化了逻辑运算控制功能，是一种介于继电器控制和微机控制之间的自动控制装置；（2）PLC是专为在恶劣的工业环境下使用而设计的，所以具有很强的抗干扰能力除输入/输出部分采用光电隔离的措施外，对电源、运算器、控制器、存储器等也设置了多种保护和屏蔽PLC没有继电器那种机械触点，因此，不存在触点的接触不良、熔焊、磨损和线圈损坏等故障；（3）相对于RLC，PLC采用软件实现用户控制逻辑，结构紧凑、体积小，很容易装入机床内部或电气箱内，便于实现动作复杂的控制逻辑和数控机床的机电一体化；（4）目前大多数的PLC，均采用梯形图编程方式梯形图与继电器逻辑控制电路图十分相似，图形符号形象直观、工作原理易于理解和掌握、编程简单、操作方便、改变程序灵活；（5）PLC可与编程器、个人计算机等联接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断、存储和传送等操作。
2．可编程控制器的分类：从数控机床应用的角度可编程控制器可分为两类：一类是CNC的生产厂家专为数控机床顺序控制而将数控装置（CNC）和PLC综合起来而设计制造的“内装型”PLC另一类是专业的PLC生产厂家的产品，它们的输入/输出信号接口技术规范，输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能均能满足数控机床的控制要求，称为“独立型”PLC3．可编程控制器的组成及工作方式：PLC实质是一种专用计算机，它的组成形式基本上与微机相同，主要包括：微处理器（CPU）、存储器、用户输入/输出部分、输入/输出扩展接口、外围设备以及电源等对于内装型PLC，CPU、存储器、外围设备、电源等部分一般与CNC装置共用PLC的基本工作方式是顺序执行用户程序，每一时刻执行一条指令，由于相对于外部电气信号有足够的执行速度，从宏观上看是实时响应的对用户程序的执行一般有循环扫描和定时扫描两种，扫描过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，图3-1为数控车床中的PLC系统图3-1 数控车床中的PLC3.2 PLC输入/输出与通信接口1．PLC输入开关量定义：X10（ 输入接口I0-I19） 表3-1 输入开关量定义引脚号信号名标号信号定义13I00X0.0X 轴正超程限位开关，常开点，闭合有效。
25I01X0.1X 轴负超程限位开关，常开点，闭合有效12I02X0.2Z 轴正超程限位开关，常开点，闭合有效24I03X0.3Z 轴负超程限位开关，常开点，闭合有效11I04X0.423I05X0.510I06X0.622I07X0.79I08X1.021I09X1.1主轴电机报警，常闭点，断开有效8I10X1.2X 轴回参考点开关，常开点，闭合有效20I11X1.3Z 轴回参考点开关，常开点，闭合有效7I12X1.4刀架电机过热报警，常闭点，断开有效19I13X1.5冷却系统报警，常闭点，断开有效6I14X1.618I15X1.75I16X2.01号刀到位，常开点，闭合有效17I17X2.12号刀到位，常开点，闭合有效4I18X2.23号刀到位，常开点，闭合有效16I19X2.34号刀到位，常开点，闭合有效3空1，2，14，1524V地外部直流24V 电源接地2．PLC输出开关量定义：X20（输出接口00-015）表3-2 输出开关量定义引脚号信号名标号信号定义13000Y0.0运行允许， 低电平有效25001Y0.1系统复位， 低电平有效12002Y0.2伺服允许 ，低电平有效。
24003Y0.311004Y0.423005Y0.5冷却开，低电平有效10006Y0.6刀库正转，低电平有效22007Y0.7刀库反转，低电平有效9008Y1.0主轴正转，（主轴使能）， 低电平有效21009Y1.1主轴反转，（主轴使能）， 低电平有效8010Y1.220011Y1.37012Y1.419013Y1.56014Y1.618015Y1.75空17ESTOP3急停回路驱动KA ，继电器控制动力电源的输出端子4ESTOP1急停回路与超程回路的串联的接入端子16OTBS2超程限位开关的接入端子3OTBS1超程限位开关的接入端子1，2，14，1524V地外部直流24V 电源接地3．通讯接口数控机床PLC主要包括两类接口信息：（1）硬件电气接口信息：PLC与数控装置、机床及机床电气设备之间的电气连接部分；（2）软件寄存器接口信息：PLC为了运算和实现某些特殊功能的需要，以及内装式PLC与NC间，数据交换的需要设置的寄存器变量或功能函数PLC常用的电气接口一般有开关量输入接口、开关量输出接口和模拟量输出接口等三种主轴控制接口：XS9如图3-2所示图3-2 主轴控制接口模拟接口式、脉冲接口式伺服驱动器控制接口：XS30-XS33如图3-3所示。
图3-3 伺服驱动器控制接口第四章 伺服驱动进给系统设计4.1 概述数控装置所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动数控机床的进给驱动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控装置发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动它的性能指标决定了数控机床的许多性能指标，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等4.1.1 伺服驱动进给系统概念伺服驱动进给系统是CNC装置跟机床的联系环节CNC装置发出的控制信息通过进给驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作进给驱动系统是数控机床的重要组成部分进给驱动系统的作用可归纳如下：（1）放大CNC装置的控制信号，具有功率输出的能力；（2）根据CNC装置发出的控制信号对机床移动部件的位置和速度进行控制4.1.2 数控车床对伺服驱动进给系统的要求1．调速范围要宽调速范围是指进给电动机提供的最低转速和最高转速之比，即在各种数控机床应用中，由于加工用刀具、被加工材料、主轴转速以及零件加工工艺要求不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围（通常大于1：10000），尤其在低速（如转速小于0.1r/min）时，要仍能平滑运动而无爬行现象，2．定位精度高使数控机床加工零件主要是为了保证加工质量的稳定性、一致性，减少废品率；就决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。
因此，要求进给驱动系统具有较好的静态特性和较高的刚度，从而达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差（目前进给伺服系统的分辨率可达到1μm或0.1μm，甚至0.01μm），同时进给驱动系统要有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度3．有足够的传动刚性和较高的速度稳定性4．快速响应，无超调为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差5．低速大扭矩，过载能力强一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4-6倍而不损坏6．可靠性高要求数控机床的进给驱动系统可靠性高，工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰能力4.2伺服驱动进给装置的接口设计在数控机床上进给驱动装置根据来自CNC的指令，控制电动机的运行，以满足数控机床工作的要求因此进给驱动装置至少要求具备工作电源接口、接收CNC或其他设备指令以及控制电动机运行的接口，这些都是最基本的接口，如图4-1所示，标出最简单地进给驱动器接线图。
此外，为了伺服系统的安全，进给驱动装置一般提供了工作状态信息和报警接口；为了方便，有些进给驱动装置还提供了通信接口等，根据不同的伺服类型和功能的强弱，除了基本接口外，进给驱动装置的接口会相差很多，例如，交流伺服驱动装置一般比步进电动机驱动装置具有更丰富的接口图4-1 进给驱动装置的基本接口进给驱动装置的接口，按照功能不同可分为： 1、电源接口 2、指令接口 3、控制接口 4、状态与安全报警接口 5、通信接口 6、反馈接口 7、电动机电源接口如图4-2是X轴伺服模块的连接图图4-2 X轴伺服模块图中体现了X 轴伺服模块的强电回路即反馈回路接线图，电源接口R1,T1进给驱动装置的电源一般分为动力电源和逻辑电源电路，对于交流伺服进给驱动装置，还需要控制电源进给驱动装置提供了一系列的接口装置指令接口一般采用脉冲接口或模拟量接口，有些还提供通信和总线的方式作为接口控制接口对进给驱动伺服装置而言是输入信号接口，用于接受CNC、PLC以及其他设备的控制指令，以便调整驱动装置的工作状态、工作特性或对驱动装置和电动机驱动的机床设备进行保护状态与安全报警接口对进给驱动装置而言是输出信号接口，用于通知CNC、PLC以及其他设备驱动装置目前的工作状态。
反馈接口一般分为来自位置、速度检测元件、和输出到CNC的位置反馈接口电动机电源接口一般采用端子的形式，小功率的电动机也会采用插接件的形式伺服系统接线分为三个模块，即，电源模块标准接线，位置控制方式标准接线，速度控制方式标准接线第五章 主轴控制系统设计5.1 概述主轴驱动系统就是在系统中完成主运动的动力装置部分它带动工件或刀具作相应的旋转运动，从而能配合进给运动，加工出理想的零件机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置往复运动数控机床通常通过主轴回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动随着刀具计数、生产技术、加工工艺的不断发展，传统的主轴驱动已经不能满足生产的需要，现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：1.调速范围宽为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量，特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要求，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节2.恒功率范围要宽要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调速范围内提供主轴电机的最大功率。
由于主轴电机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩3.具有四象限驱动能力要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短目前一般伺服主轴可以在1S内从静止加速到6000r/min4.具有位置控制能力即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要5.1.1 主轴驱动变速的三种形式1.主轴电动机齿轮换档，目的在于降低主轴转速，增大传动比，放大主轴功率以适应切削的需要；2.主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成了主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性3.电主轴5.1.2调速的主要指标1、调速范围：2、调速的平滑性：一般的变频调速系统应该小于或等于0.3r/min5.2 交流主轴驱动装置的特性早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统，为使主轴电动机能输出较大的功率，所以一般采用它激式的直流电动机。
为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或热冷管冷却技术20世纪80年代后，微电子技术、交流调速计数、现代控制理论等有了很大发展，同时新型大功率半导体器件如大功率晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管IGBT以及IPM智能模块不断成熟并应用与交流驱动系统，并可实现高转速和大功率主轴驱动，其性能已达到和超过直流驱动系统的水平交流电动机体积小、重量轻，采用全封闭罩壳，防灰尘和防污染性能好，因此，现代数控机床90%都采用交流主轴驱动系统主轴驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机数控机床主轴的无级调速则是由主轴驱动器完成主轴驱动系统分为直流驱动系统和交流驱动系统，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动器5.3 主轴驱动装置的接口设计主轴驱动装置的接口与进给驱动装置有许多类似，进给驱动装置具备的接口在主轴驱动装置上一般都可以找到，只是不同厂家、不同等级的主轴驱动装置所包含的接口类型不同例如，主轴伺服装置的接口类型比变频器的接口要丰富，具备矢量控制功能的变频器又比简易型变频器接口丰富不同的是：进给驱动装置主要工作在位置控制模式下，而主轴驱动装置主要工作在速度控制模式下；同一台数控机床上主轴输出功率比进给输出功率要大得多。
因此，在接口上主轴驱动装置有具有独自的特点图5-1是主轴驱动单元（变频器）接线图:图5-2 主轴驱动装置基本接口图如图5-2 所示，采用三相交流380V电源供电；速度指令由0、L脚输入(在数控车床上一般由数控装置或PLC的模拟量输出接口输入)，指令电压范围是0-10V；主轴电动机的启动/停止以及旋转方向由继电器KA1、KA2控制，当KA1闭合时电动机正转，当KA2闭合时电动机反转，若KA1、KA2同时都断开或闭合则电动机停止，也可以定义为KA1控制电动机的启动和停止，KA2控制电动机的旋转方向变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电压，控制电动机旋转结 论在这次毕业设计中，我在对数控车床的工作原理以及内部结构的分析研究的基础上，进行了CNC6136A数控车床的电气系统设计，此车床是基于华中数控HNC-21系统的基础上的新一代数控车床，它具有高速、精密、可靠、经济等特点车床的电气系统设计是整个车床的核心部分，主要分为强电回路设计、控制回路设计、PLC输入输出设计、伺服驱动进给设计和主轴驱动设计五个方面，要求绘制出整个车床的电器原理图通过此次设计，也使我受益非浅，不仅是我了解了一台数控车床的电气系统工作原理，更是我学会了很多电气设计方面的知识，不仅丰富了我自己，而且也弥补了以前学习过程中的漏洞，虽然时间不长，但是收获颇丰，但是由于时间的关系，以及本人的能力有限，此次设计中也存在着需要改进的地方和不足之处，希望各位老师给与点拨和指教。
参考文献[1] 陈吉红，杨克冲 .数控机床实验指南 .武汉：华中科技大学出版社，2003.5[2] 毕承恩，丁乃建.现代数控机床.北京：机械工业出版社，1991.[3] 龚仲华主编.数控机床故障诊断与维修500例.北京：机械工业出版社,2005[4] 秦鹏飞．现代制造工程[M]．上海：中国纺织大学出版社，1998．[5] 杨叔子，杨克冲．机械工程控制基础.武汉：华中理工大学出版社，1993.[6] 叶济忠，余胜天.电子机械运动控制技术.武汉：华中理工大学出版社,1993[7] 毕承恩，丁乃建.现代数控机床.北京：机械工业出版社，1991.[8] 杨叔子，杨克冲．机械工程控制基础.武汉：华中理工大学出版社，1993[9] 武友得.数控设备故障诊断与维修技术.北京:化学工业出版社,2004.[10] 严爱珍，李宏胜.机床数控原理与系统.北京：机械工业出版社，1999[11] 王润孝，秦现生. 机床数控原理与系统.西安：西北工业大学出版社，1997.[12] 王贵成.数控机床故障诊断技术.北京:化学工业出版社,2005.[13] 廖效果，朱启裘．数字控制机床.武汉：华中科技大学出版社，1992.[14] 齐占庆. 机床电气自动控制.北京：机械工业出版社.1997.[15] 廖兆荣．机床电气自动控制．北京：化学工业出版社，2004．[16] 韩鸿鸾,荣维芝.数控机床的结构与维修.北京：机械工业出版社,2004.[17] 王也仿.可编程控制器应用技术.北京:机械工业出版社,2001.[18] 贺哲荣.机床电气控制线路图识图技巧.北京：机械工业出版社，2002.[19] BEIJING-FAUNC 0i-TC操作说明书 (电子版)[20] 任志锦．电机与电气控制. 北京:机械工业出版社，2002.致 谢。
