数控铣床控制系统设计

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：city 学号：09128888 组员：学号：

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 (3)

1.1 设计目的 (3)

1.2使用设备 (3)

1.3设计内容及要求 (4)

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)

2.2.1电机选型 (5)

2.2.2 伺服驱动器与变频器选型 (8)

2.3 电路原理设计 (9)

2.3.1 电源供电设计 (9)

2.3.2 驱动电路设计 (10)

2.3.3 电机编码器与伺服驱动器连接设计 (10)

2.3.4 手轮与轴卡连接设计 (11)

2.3.5铣床控制电路设计 (12)

2.4 控制系统设计 (13)

2.4.1控制系统功能设计 (13)

2.4.2 参数设置 (14)

2.4.3 程序设计 (16)

3 总结 (20)

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，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L p=600mm；

（4）工作台X轴和Y轴最大移动速度V max=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）工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数μ=0.15。

（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=0.13kW

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=0.28kW

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η=0.9，则电机最小功率为P_2=P/η=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：

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

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

2.3.2 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。