基于广数980TD系统的数控车床电路设计全解
毕业设计
论文题目：基于广数980TD系统的数控车床电路设计系别：机械工程系
班别：机电一体化专业
指导老师：秦晓阳
组成员：姚龙华、梁耀祖、蔡子婧
学号：130405239、130405222、130405201
摘要
数控机床综合运用了微电子、计算机、自动控制、精密测量、液压与气动、机械设计与制造等技术的最新成果，随着我国企业的生产技术进步和数控设备的更新换代，对各层次的数控技术人才提出了新的更高要求。数控系统是数控机床的核心技术，数控系统全面、系统地讲述数控系统的基本组成、各部分的主要功能和特点、工作原理等。重点在数控的应用上，着重介绍了发那科(FANUC)公司、四门子（SIEMENS）公司、发格（FAGOR）公司以及国内华中数控集团等企业研制的数控系统的功能、特点及典型应用。
广数980TD系统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。
广数980TD系统的数控车床是基于广州数控仿FANUC系统的数控车床、进给驱动系统、主轴驱动系统、强电控制柜等组成，因此每个电气元件及连接线路都会影响到机床的运行，引起机床的故障。
该设计主要介绍数控车床电气的元气件；机床电器元器件的计算以及选择；控制电路的电路图分析；数控系统连接图的接口分析和元件连接等内容。
目录
第一章：数控机床的概述
第一节：数控机床的产生与发展趋势 (4)
第二节：数控机床的组成以及分类 (6)
第二章：数控系统
第一节：数控系统的总体结构 (11)
第二节：数控系统的组成以及功能 (12)
第三节：数控系统的分类 (13)
第四节：伺服驱动系统........................................................................13.第五节；进给驱动系统 (14)
第三章：数控机床电气元件
第一节：元器件的介绍 (15)
第二节：电气元器件的选择 (22)
第四章：数控机床的电路分析
第一节：机床电路原理图 (25)
第二节：数控系统连接图的了解 (26)
总结 (39)
参考文献 (41)
致谢 (42)
附录：电路图，电气材料清单 (43)
第一章数控机床的概述
1.1 .1数控机床的产生与发展趋势
随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，它们的性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，产生类型从大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应提出了高精度、高柔性与高自动化的要求。数字控制机床就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。第一台数控机床是1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制的三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，可用于加工复杂曲面零件。
数控机床的发展先后经历了电子管（1952年）晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理或微型计算机（1974年）等5代数控系统。
1.1.2 数控机床的发展趋势
（1）高速化。随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。（2）高精度化。数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。
（3）多功能化。复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能
完成从毛坯至成品的多种要素加工。
（4）智能化。随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。
1.2.1数控机床的组成
数控机床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CN C单元）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）及电气控制装置、辅助装置、机床本体、测量反馈装置等组成。
数控机床主要有三大部分组成机床主体、数控装置、伺服机构。1．机床本体
数控车床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加工中又是自动控制，不能像在普通车床那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新结构，以加强刚性、减小热变形、提高加工精度。2．数控装置
数控装置是数控系统的核心，主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与数控系统的其他组成部分联系的各种接口等。数控机床的数控系统完全由软件处理输入信息，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。3．输入/输出设备
键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。除此以外，还可以用串行通信的方式输入。
4．伺服单元
伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它将来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有数字式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。
5．驱动装置
驱动装置把经放大的指令信号转变为机械运动，通过机械传动部件驱动机床主轴、刀架、工作台等精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。
伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，数控装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施。所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于数控装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。
1.2.2数控机床的分类
一、按机床运动的控制轨迹分类
⑴点位控制的数控机床
具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、数控镬床、数控冲床等。随着数控技术的发展和数控系统价格的降低，单纯用于点位控制的数控系统已不多见。
⑵直线控制数控机床
其有直线控制功能的机床主要有比较简单的数控车床、数控铣
床、数控磨床等。这种机床的数控系统也称为直线控制数控系统。同样，单纯用于直线控制的数控机床也不多见。
⑶轮廓控制数控机床
这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机冰、加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统根据它所控制的联动坐标轴数不同，又可以分为下面几种形式
①二轴联动：主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。
②二轴半联动：主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期胜进给。
③三轴联动：一般分为两类，一类就是 X 、 y 、 Z 三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等，另一类是除了同时控制 X 、 Y 、 Z 中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕 Z 轴旋转的主轴（C轴）联动。
④四轴联动：同时控制 X 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动。
⑤五轴联动：除同时控制 X 、 Y 、 Z 三个育线坐标轴联动外．还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的 A 、 B 、 C 坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动这时刀具可以被定在空间的任意方向。比如控制刀具同时绕 x 轴和 Y 轴两个方向摆动，使得刀具在其切
削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度。
二、按伺服控制的方式分类
⑴开环控制数控机床
这类机床的进给伺服驱动是开环的，即没有检测反馈装置，一般它的驱动电动机为步进电机，步进电机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，并且电动机本身就有自锁能力．数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驱动电路，它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向。
⑵闭环控制机床
这类数控机床的进给伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驱动电动机可采用直流或交流两种伺服电机，并需要配置位置反馈和速度反馈，在加工中随时检测移动部件的实际位移量，并及时反馈给数控系统中的比较器，它与插补运算所得到的指令信号进行比较，其差值又作为伺服驱动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差。
按位置反馈检测元件的安装部位和所使用的反馈装置的不同，它又分为全闭环和半闭环两种控制方式。
①全闭环控制：其位置反馈装置采用直线位移检测元件（目前一般采用光栅尺），安装在机床的床鞍部位，即直接检测机床坐标的直线位移量，通过反馈可以消除从电动机到机床床鞍的整个机械传动链中
的传动误差，从而得到很高的机床静态定位精度。但是，由于在整个控制环内，许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性，并且整个机械传动链的动态响应时间与电气响应时间相比又非常大．这为整个闭环系统的稳。
定性校正带来很大困难，系统的设计和调整也都相当复杂因此，这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标幢床、数控精密磨床等。
②半闭环控制：其位置反馈采用转角检测元件（目前主要采用编码器等），直接安装在伺服电动机或丝杠端部。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此叫获得较稳定的控制特性。丝杠等机械传动误差不能通过反馈来随时校正，但是可采用软件定值补偿方法来适当提高其精度。目前，大部分数控机床采用半闭环控制方式。
⑶混合控制数控机床
将上述控制方式的特点有选择地集中，可以组成混合控制的方案。如前所述，由于开环控制方式稳定性好、成本低、精度差，而全闭环稳定性差，所以为了互为弥补，以满足某些机床的控制要求，宜采用混合控制方式。采用较多的有开环补偿型和半闭环补偿型两种方式。
三、按数控系统的功能水平分类
按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三类。这种分类方式，在我国用的较多。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准也会不同。就目前的发展水平看，可以根据一些
功能及指标，将各种类型的数控系统分为低、中、高档三类。其中中、高档一般称为全功能数控或标准型数控在我国还有经济型数控的提法。经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控主要用于车床、线切割机床以及旧机床改造等四、按加工工艺及机床用途的类型分类。
⑴金属切削类
指采用车、铣、撞、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可被分为以下两类。
①普通型数控机床如数控车床、数控铣床、数控磨床等。
②加工中心其主要特点是具有自动换刀机构的刀具库，工件经一次。装夹后，通过自动更换各种刀具，在同一台机床上对工件各加工面连续进行铣（车）键、铰、钻、攻螺纹等多种工序的加工，如（幢／铣类）加工中心、车削中心、钻削中心等。
第二章数控系统
2.1.1数控系统的总体结构
数控系统的总体结构，主要分成3部分，即①电源系统②控制系统③独立单元。
①电源系统：包括交流电源、直流电源、电池电源。
②控制系统：是指数控装置中信号产生、处理、传输及执行过程中的所有单元及各单元的联系手段。
③独立单元：独立单元是指能够以简单的适配关系与系统中其他部分结合在一起的部分，如NC系统、外接PLC、伺服单元、电动机、转速传感器、光栅系统、脉冲编码器、纸带阅读机、操作面板等。2.2.1数控系统的组成
是由系统程序、输入输出设备、通信设备、数控装置、可编程控制器、伺服驱动装置和测量装置等组成。
数控系统的结构图如下。
2.2.2数控系统的功能
数控系统由于现在普遍采用微处理器，通过软件可以实现很多功能1、控制功能。2、准备功能。3、插补功能。4、进给功能。
5、主轴功能。
6、辅助功能。
7、刀具功能。
8、补偿功能。
2.3数控系统的分类
一、按数控装置类型分类
按照数控装置内部逻辑电路元件的不同，可以将数控系统分为硬件数控系统和计算机数控系统两大类。
二、按控制方式分类
按照数控装置的控制方式不同，可以将数据系统分为开环控制数控系统、全闭环控制型数控系统、半闭环控制型数控系统和混合控制型数控系统。
三、按照功能水平分类
按照功能水平，可以将数控系统分为低（经济型）、中、高三档。2.4伺服驱动系统
数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图5.1所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。
2.4.1伺服驱动系统的要求
1 精度高
2 稳定性好
3 快速响应
4 调速范围宽
5 低速大转矩
2.5进给驱动系统
进给系统：是根据数控装置发出控制指令来驱动的执行机构实现机床的精确进给运动。
特点：位置随动、精确定位。
作用：1.放大CNC装置发出的控制信号，具有功率输出能力。
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。
2.5.1进给驱动系统的要求
1.调整范围要宽。
2.定位精度要高。
3.低速大转矩，过载能力强。
4.可靠性高。
5.快速响应、无超调。
第三章数控机床的电气元件
3.1元器件的介绍
1.开关电器
组合开关又称转换开关，实质上也是一种刀开关，主要用作电源的引入开关。与普通刀开关不同的是，组合开关的刀片是旋转式的，比刀开关轻巧，是一种多触点，多位置，可控制多个回路的电器。组合开关的结构示意图、组合开关的图形符号。
2.主令电器
自动控制系统中用于发送控制指令的电器称为主令电器。常用的主令电器有控制按钮开关、行程开关、接近开关等。
(1)按钮开关
按钮开关通常用作短时接通或断开小电流控制电路的开关，通常用于控制电路中发出起动或停止等指令，再通过接触器、继电器来控
制电器接通或断开主电路。按钮结构示意图,按钮的图形。（如下图）
(2)行程开关
行程开关又称限位开关，是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器。动作时，由挡块与行程开关的滚轮相碰撞，使触头接通或断开来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护。行程开关种类很多，按结构可分为直动式、滚动式和微动式。机床上常使用微动式行程开关。如图所示，为微动式行程开关的结构示意图。行程开关的图形符号和文字符号。（如下图）
（3）接近开关
接近开关又称无触点行程开关。当运动着的物体在一定范围内与之接近时，接近开关就会发生物体接近而“动作”的信号，以不直接接触方式控制运动物体的位置。(如下图)
（4）急停开关（SB0）
急停开关实质为按钮开关，由按钮帽，复们弹簧，桥式动触点和静触点等组成。
（5）限位开关（SQ1、SQ2、……）
在生产机械中，需要一种开关来控制某些机械部件的运动行程和位置。这种开关叫行程开关，又叫限位开关。
当运动过程中，机械挡板碰压到顶杆，使动断触点断开，动合触点闭合。当挡板离开时，动断和动合触点恢复原状。
控制行程，与压块一同工作，相接触后会自动动作电气系统运行。
3.交流接触器
接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载（如电动机）的主电路自动控制电器。接触器按其主触头通过电流的种类不同，分为交流、直流两种，机床上应用最多的是交流接触器。
主要由以下四部分组成：电磁机构、触头系统、灭弧装置、其他部件。
电磁机构：磁机构由线圈，动铁心和静铁组成。
触头系统：交流接触器的触头系统包括主触头和辅助触头。主触头
用于通断电机或者其它设备的主电路，有三对常开触头，辅助触头用于控制电路，起电气控制作用，通常有一组常开或常闭触头，分布在主触头右侧。常开触头在正常工作下是断开的；（NO）常闭触头在正常工作下是常闭的；（NC）。
灭弧装置：容量在10A以上的接触器都有灭弧装置。
其他部件：包括反作用弹簧，缓冲弹簧，触头压力弹簧，传动机构及外壳等。
交流接触器常见故障：吸力不足，线圈过热烧毁和触头不能复位。（如下图）
4.继电器
继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开控制电路，实现控制目的的电器。继电器的输入信号可以是电流、电压等电
学量，也可以是温度、速度、时间、压力等非电量，而输出通常是触头的动作（断开或闭合）。继电器的种类很多，按工作原理可分电磁式继电器、热继电器、压力继电器、时间继电器、速度继电器等。在机床电气控制中，应用最多的是电磁式继电器。
（1）电磁式继电器（如下图）
（2）热继电器
热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器，主要用于电动机或其他负载的过载保护。（如下图）
5.低压断路器
低压断路器又称自动空气开关，它不但能用于正常工作时不频繁接通和断开的电路，而且当电路发生过载、短路或失压等故障时，能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电气设备。因此，低压断路器在机床上使用得越来越广泛。机床上常用的低压断路器有DZ10、DZ5-20和DZ5-50系列。
低压断路器的图形符号和文字符号。（如下图）