数控铣床控制系统设计

精品文档---下载后可任意编辑 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：city学 号：09128888 组 员：学 号： 学 号： 指导老师：陈少波 完成时间： 2024 年 6 月 8 日 至 2024 年 6 月 22 日 目录 1 概述3 1.1 设计目的3 使用设备3 设计内容及要求3 2 NUM1020控制系统设计4 2.1 功能概述4 2.2 主要元器件选型5 电机选型5 2.2.2 伺服驱动器与变频器选型7 2.3 电路原理设计7 2.3.1 电源供电设计7 2.3.2 驱动电路设计9 2.3.3 电机编码器与伺服驱动器连接设计9 2.3.4 手轮与轴卡连接设计9 铣床控制电路设计10 2.4 控制系统设计11 控制系统功能设计12 2.4.2 参数设置12 2.4.3 程序设计14 3 总结17 1 概述 1.1 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）、掌握沟通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 使用设备 1)、NUM1020数控系统一套 2)、安川沟通伺服电机3套 3)、计算机及梯形图编辑软件一套 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）采纳实验室现有的沟通伺服电机进行驱动，采纳半闭环位置控制模式。 3）、主轴采纳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，X、Y、Z轴采纳伺服电机传动，由伺服驱动器驱动。主轴采纳普通三相异步电机，由变频器驱动。数控系统采纳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 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）工作台采纳贴塑导轨，导轨的动摩擦系数。 （10）位置控制精度0.01mm。 2.2.1.1 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 假设电机传动效率为 η=0.9，则电机最小功率为P_1=P/η 2.2.1.2 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 η=0.9，则电机最小功率为P_2=P/η 2.2.1.3 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，低功率沟通电机的转速较大，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 η=0.9，则电机最小功率为P_2=P/ηKw 根据以上计算，X、Y、Z轴的伺服电机选用日本安川品牌的沟通伺服电机，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 X SGMGH054AAA2S 1500r/min 490Nm 17比特 增量式 Y SGMGH054AAA2S 1500r/min 490Nm 17比特 增量式 Z SGMGH20ACB2S 1000r/min 1176Nm 17比特 增量式 主轴 Y112M-2 2890r/min 13.2 Nm 2.2.1.4 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 05AD Y 安川 SGDM 05AD Z 安川 SGDM 20ADA 2KW 变频器 台达 VFD750B43A 5KW 2.3 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，构成三相沟通380V供电线；N为零线；PE为地线。一台伺服电机额定电流8A，整个系统估量30A，初定40A,选用14平方铜线。电源总开关采纳断路器，对电路过载及过流保护。通过三相隔离变压器，将三相沟通380V电压转换成三相沟通220V电压对伺服电机的供电，三台伺服电机的总功率是KW，KW。加入220VAC-24VDC电源模块，将两相220V沟通电压转换成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 2.3.2 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。冷却液泵采纳三相AC380V的电机驱动，功率为40W。电路中采纳断路器对电路进行过载及短路保护。 2.3.3 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，采纳速度控制模式。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 图5 手轮与轴卡连接电路 图6 铣床控制电路 如图6所示，继电器部分KA1~KA10为直流24V中间继电器，由输出开关量控制，主要控制主