第八章 数控机床电气控制电路设计实例
数控机床电气控制电路设计及实例分析_郑小年(1)
证电动机的实际最高工作温度 T J 日 ] I *等 于或略小于电动机绝缘的允许 最高工
不到额定功率的, 转速越低, 输出功率
就越小 图1 中主轴电机的功率特性为
作温度T a, 即几习 兀 *
. 过载能力:电动机在运行时, 必 须具有一定的过载能力 特别是在短
期工作时, 由于电动机 的热惯性很大, 电动机在短期 内承受高于额定功率的
c ) 主轴电机容量选择还是按上述
方法
产效率降低, 另一方面电动机经常过 载下运行, 会使它过早损坏, 同时还可
能 出现启动 困难, 经 受不起 冲击负载
升或最大允许电流而报警, 说明电机
容量选小 了, 应重新选择
这里, 请读者注意, 在进给电机 主
轴 电机设计 选配时, 应该考虑这些电 机 的输 出都 包括含有某种类型的机械 环 节和元 件, 关 于增量运 动 系统的最
难 以显 著 地 加 以更 改, 远 不 如 电 气 部
分 灵 活 易 变 因此 , 数 控 机 床 的机 械 与
商 品生 产 的基 本 要 求是 以最 低 的
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流伺服 电机 a )进给伺服电动机容量选择 电动 机 的选 择 主 要是 容 量 的选 择, 如果 电动机 的容量选小了, 一方面
的转速并 不高时, 就不 必选用 刚性 攻 螺纹功能 (5 )网络数控功能 近年来发展的数字化 网络制造是 指 利用网络技术和数字控制技术进行 产 品的加 工制造, 其基础 是网络数 控 技术 它是 各种先进制造 技术 的基 本
可 以选择直角坐标系中的二个不同平 面, 也可选择 不同视 角的三维立体, 可 以在 加工的 同时做实 时的显 示, 也 可 在机械锁定的方式下作加工过 程的快
《数控机床电气控制》第八章
数控机床电气控制 2）螺距误差补偿 在开环和半闭环数控机床上，数控机床常使用 高精度滚珠丝杠。但丝杠总存在制造误差，并且长 期使用还会产生磨损，因此要想进一步提高精度， 则需采用螺距误差补偿（也称轴向校准）。 螺距误差补偿的基本思想就是将数控机床控制 某轴运动的指令位置与高精度位置测量系统所测得 的实际位置相比较，计算出在全行程上的误差分布 曲线，将误差以表格的形式输入至CNC系统中， 由于滚珠丝杠本身是精密传动部件，要测量其误差 分布，必须采用更高精度级别的测量仪器，目前大 多采用激光干涉仪进行测量。
数控机床电气控制 （2）各环路增益调整的分析 1）位置环增益Kp的调整 位置环增益Kp与整机的机械刚性有关，高刚 性的连接时位置环增益Kp值可设定较大，但不超 过机械系统的固有频率，此时，可得到较高的动 态响应，中刚性和低刚性的连接时Kp的设定值不 能太高，否则会产生振荡。
数控机床电气控制 2）速度环的增益Kv 遵循速度环增益Kv在允许的范围内越大越好 的原则，对于高刚性机械如精密加工机床等，随 着负载惯量与电机惯量比值的增加，速度环的增 益Kv设定值应加大，以保证整个系统具有较高的 响应，但在负载惯量比>10 时，位置环增益Kp和 速度环增益Kv增加量不能太大，同时需加大速度 环积分时间常数Ti，以保证机械系统的稳定。对 于中刚性和低刚性的机械，在相同的负载惯量比 时，Kv值要酌情减小，同时将速度环积分时间常 数值增大。
数控机床电气控制 9）到位定位范围的设定。 10）最大跟随误差的设定。 11）加减速时间常数设定。 12）返回机床参考点的速度和方向设定。
数控机床电气控制
2. 主轴控制参数
1）分段无级调速各档最高主轴转速设定。 2）换档时主轴转动的方式、大小及方向设定。 3）主轴编码器每转脉冲数设定。 4）恒速控制时最低主轴转速设定。 5）主轴最高转速的设定。 6）主轴准停时的速度与方向设定。 7）准停时主轴控制的增益设定。 8）主轴准停的定位范围设定。 9）当执行S功能时，CNC 送给PLC的 S代码设定。
数控机床电气控制电路设计
前面分别介绍了计算机数控系统的各个组 成部分、控制系统所用到的元器件和执行部件， 可以说是“化整为零”的叙述。本章通过介绍 典型数控机床控制电路实例及分析，则可以说 是“集零为整”，使读者了解数控系统的全貌。
电气控制电路设计原则
1．最大限度的实现机械设计和工艺的要求 2．保证数控机床能稳定、可靠运行 3．便于组织生产、降低生产成本、保证产品质 4. 安全
电气原理图分析的方法与步骤
分析主回路 分析控制电路 分析辅助电路 分析连锁与保护环节 总体检查
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
XK714A数 控床身 铣床及电气 控制电路
图 8.7 XK714A 数控铣床
主回路分析
电源电路分析
交流控制电路分析
直流控制电路分析
探讨数控机床电气控制电路的设计
探讨数控机床电气控制电路的设计摘要：本文对数控机床电气控制电路设计的基本原则和绘制的基本原则进行简要介绍，按照标准让设计者和使用者都能进行对电气图纸的设计和识读，实例展开对某数控车床电气控制电路进行分析。
关键词：数控机床；电气控制；电路；设计一、数控机床电气控制电路设计原则(1)确保数控机床稳定并且可靠的运行从一定的角度讲，对数控机床的稳定性和可靠性的运行电气控制电路部分的稳定性和可靠性在其中起着重要的作用，在车间厂房中，数控机床的运行环境并不太好，在这种前提下，数控控制系统发生故障的几率就会增大，尤其是工业制造现场，具有很强的电磁干扰和较多粉尘，在这种情况下，数控控制系统就应该有很强的抗干扰的能力，如果没有这种能力，机床设备根本不可能正常运行。
(2)对数控机床电气控制电路设计和工艺的要求最大限度实现探讨现在数控机床产品的共同特点就是机电一体化，机电方式被广泛的应用在伺服控制系统中的数控机床的主轴和进给轴中。
在特定类型的机械元件和机械环节是被包含在它的输出的内容中，在电气控制的系统中，它们的存在对系统的运行起着非常重要的作用，它们的工作性能对数控机床加工的产品的质量具有相当大的影响。
如果这些元件和机械环节的质量特别好，那么想要改变她们的特性就很困难了，和电气控制的部分相比较就显得特别笨拙了。
所以，设计人员应该了解和掌握机械环节和元件的对控制系统的影响，只有这样才能更好的配合，在设计的时候，应该认真分析考虑数控机床控制之间的各种需求，使设计更加的合理化。
(3)便于生产、降低成本、保证质量生产简单方便，生产成本低，生产出来的产品质量高，这对商品加工生产的工厂来说是非常重要的，只有满足这样的要求，才能使用户更好的使用产品，其实数控机床生产也是这样的，元件的质量，供应是数控机床电气控制电路的设计中是非常重要的，并且在机床的安装、调试和维护也是需要同步的。
只有这样，生产出来的产品的质量才能得到保证。
(4)安全性在数控机床电气控制电路的设计过程中，保护人身安全和设备的安全应该受到高度重视，在符合国家的安全规范和标准下，高度重视安全生产，严格按照国家要求进行生产，要清晰的识别指示和信号，在操纵机构要做到易操作、易切换。
8数控机床电气控制线路设计
2．数控机床电气控制线路设计注意 事项有哪些？ 答：1）电气控制柜应该采用冷轧钢板制 作，为了保证电柜的电磁一致性，应采用 一体结构或焊接。 2)电柜安装板采用镀锌钢板，以提高 系统的接地性能。 3)控制柜内各个部件按照强、弱电分 开安装、布线。 4)各屏蔽电缆进控制柜的人口处，屏 蔽层要接地。
5)各进给驱动电动机、主轴驱动电动机的动力线和反 馈线直接接入驱动单元，不得经过端子转接。 6)各位置反馈线、指令给定线、通信线等弱电信号线 必须采用屏蔽电缆，单股线直径不低于0．2mm ， 2 若采用双绞双屏蔽电缆则更佳。 7)开关量端子板、编码盘反馈屏蔽电缆中电源线采用 多芯绞合共用，以提高信号电源和这些部件的抗干 扰能力。 8)各部件外壳必须可靠接地。 9)各结构间应可靠接地、共地。
5.各进给驱动电动机、主轴驱动电动机的动力线和 反馈线直接接入驱动单元，不得经过端子转接。 6.各位置反馈线、指令给定线、通信线等弱电信号 线必须采用屏蔽电缆，单股线直径不低于 2 0.2mm ，若采用双绞双屏蔽电缆则更佳。 7.开关量端子板、编码盘反馈屏蔽电缆中电源线采 用多芯绞合共用，以提高信号电源和这些部件的 抗干扰能力。 8.各部件外壳必须可靠接地。 9.各结构间应可靠接地、共地。
（1）精度 机床精度分为机床加工精度和机床静 态精度。 机床加工精度是指被加工零件达到的 尺寸精度、形态精度和位置精度。 机床静态精度是指机床的几何精度、 运动精度、传动精度、定位精度等在空载 条件下检测的精度。
①几何精度 是指机床在不运转时部件 间相互位置精度和主要零件的形状精度、位 置精度。机床的几何精度对加工精度有重要 的影响，因此是评定机床精度的主要指标。 ②运动精度 是指机床在以工作速度运 转时主要零部件的几何位置精度，几何位置 的变化量越大，运动精度越低。
机床电气控制电路设计
机床电气控制电路设计引言在机床的制造过程中，电路设计起着至关重要的作用。
机床电气控制电路设计涉及到各种传感器、执行器、开关和控制器的选择和配置。
本文将介绍机床电气控制电路设计的基本原则和常用组件，并提供一些实际案例来帮助读者更好地理解。
基本原则机床电气控制电路设计的基本原则是确保系统的可靠性、稳定性和安全性。
以下是一些常见的设计原则：1.分离电源：将电源分为主电源和控制电源，以确保不会因为控制电路故障而影响整个系统的运作。
2.使用合适的传感器：选择适合机床应用的传感器，例如位置传感器、压力传感器和温度传感器等。
3.合理配置执行器：根据机床的具体要求，选择合适的执行器，例如伺服电机、步进电机和液压执行器等。
4.使用适当的开关：选择合适的开关设备，例如按钮开关、刀闸开关和继电器等，确保系统的正常操作。
常用组件PLC（可编程逻辑控制器）PLC是一种专门用于工业控制的计算机设备，能够根据预定程序来控制机床的操作。
PLC通常由中央处理单元（CPU）、输入/输出模块（I/O 模块）和通信模块组成。
PLC的设计要考虑到机床的需求，合理选择适当的输入和输出模块。
通过编程，可以实现对机床的自动化控制。
PLC编程语言常用的PLC编程语言有梯形图（Ladder Diagram）、指令列表（Instruction List）、功能块图（Function Block Diagram）和结构化文本（Structured Text）等。
选择合适的编程语言，可以提高编程效率和可读性。
变频器变频器是控制电动机转速的装置。
它通过改变电源的频率和电压来调整电动机的转速。
变频器能够提供精确的转速控制和启动/停止控制，适用于需要频繁改变转速的机床应用。
电气元件机床电气控制电路设计中常用的电气元件有继电器、断路器、按钮开关和接触器等。
这些元件用于控制电路的开关和保护。
实际案例数控铣床控制电路设计在数控铣床的控制电路设计中，需要考虑到以下几个方面：1.位置控制：选择合适的位置传感器，如光电开关或编码器，以获取工件和刀具的准确位置信息。
主题八数控机床的电气控制
主题八数控机床的电气控制数控的电气控制线路与普通机床电路有所不同，除了常用的电器控制线路外，它还有数控装置。
数控机床的组成结构图如图8．1所示。
普通机床与数控机床的主要区别是数控机床的主轴调速和刀架的进给全部自动完成，即根据编程指令按要求执行。
数控装置是整个数控机床的核心，机床的操作均由此发出。
驱动装置位于数控装置和机床之间，包括进给驱动和主轴驱动装置。
驱动装置根据控制电机不同，其控制电路形式也不同。
步进电机有步进驱动装置，直流伺服电机有直流伺服驱动装置，交流伺服电机有交流伺服驱动装置。
机床电器控制装置位于数控装置与机床本体之间，它主要接收数控装置发出的开关命令控制机床主轴的启停、正反转、换刀、冷却、润滑、液压、气压等相关信号。
现以经济型数控图8．1数控机床的组成结构图电气控制电路一般由主回路、控制电路和辅助电路等部分组成。
了解电气控制系统的总体结构、电动机和电器元件的分布状况及控制要求等内容之后,便可以阅读分析电气原理图。
按照先从主回路入手,根据伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求,分析它们的启动控制、方向控制、调速和制动；再根据主回路中各伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求,逐一找出控制电路中的控制环节；最后分析电源显示、工作状态显示、照明和故障报警等辅助电路部分。
数控机床对于安全性和可靠性有很高的要求，因此，控制线路中设置了一系列电气保护环节。
数控车床的机械部分比规格的普通车床更为紧凑和简洁。
主轴传动为一级传动，去掉了主轴的变速齿轮箱，采用了变频器实现主轴无级变速。
进给移动装置采用滚珠丝杆，传动效率高、精度高、摩擦小。
一般经济型数控车床的进给采用步进电机，进给电机的运动由NC装置实现信号控制。
数控车床的刀架能自动转位。
换刀电机有步进、直流和异步电机之分，这些电动刀架的旋转、定位由NC装置发出信号，控制其动作。
而其他的冷却、液压等电气控制和普通机床的控制基本相同。
数控机床的电气控制系统设计
数控机床的电气控制系统设计在设计数控机床电气控制系统时，首先要明确设计目标。
通常情况下，设计目标包括以下几个方面：高精度：提高数控机床的加工精度是首要任务。
电气控制系统作为机床的核心部分，对于提高机床精度起着至关重要的作用。
高效率：通过优化电气控制系统，提高机床的加工效率，从而缩短加工周期，提高产能。
易维护：考虑到后期维护和保养的问题，设计方案应使得电气控制系统易于更换和维修。
数控机床电气控制系统的组成部分主要包括以下几部分：主电路：包括电源、电动机、导轨等硬件设施，为整个系统提供动力。
控制电路：包括各种传感器、控制器、执行器等，用于监测和控制主电路的工作状态。
传感器：用于实时监测机床的工作状态，将信号反馈给控制电路。
操作显示屏：用于显示机床的工作状态和加工信息，同时也支持人工输入操作。
数控机床电气控制系统的设计步骤和方法如下：根据设计目标确定系统的基本架构，包括主电路和控制电路的布局。
根据设计要求选择合适的传感器和执行器，并布置在系统中。
依据系统的工作原理和性能要求，设计控制算法和程序，实现高精度和高效率的加工。
考虑到安全性，进行线路的优化和安全防护措施的设计。
数控机床电气控制系统的优化措施可以从以下几个方面进行：采用先进的控制算法：采用现代控制理论和方法，如模糊控制、神经网络控制等，以提高系统的动态性能和稳态精度。
提升智能化程度：通过引入人工智能和机器学习等技术，实现系统的自主决策和优化调整，提高生产效率。
增强抗干扰能力：针对恶劣工作环境和电磁干扰等问题，采取有效的电磁兼容设计和滤波抗干扰措施，以保证系统的稳定运行。
模块化和标准化设计：实现模块化设计和标准化元器件，便于系统的维护和升级，降低成本。
某汽车制造企业采用数控机床进行零部件的加工。
为了提高生产效率和降低成本，该企业决定对数控机床电气控制系统进行升级改造。
经过调研和分析，设计师团队采用了先进的模块化设计方案，使得系统更易于维护和扩展。
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（2） 软盘驱动器的选择
这是一种数据传送的极好工具，可以通过它将系统 中已经调试完毕的加工程序存入软盘后存档，也可以 通过它将在其它计算机中生成的加工程序软盘中的加 工程序存入CNC系统，也可以通过它来做各种机床数 据的备份和存储。给编程和操作人员带来了很大方便。 但是，软盘驱动器毕竟是易耗品,是否采用需衡量比较。 另外，若数控系统是基于DOS、WINDOWS等通用操 作系统，还应注意病毒的问题。 （3） DNC-B通信功能的选择 众所周知，由非圆曲线或面组成的零件加工程序 的编制是十分困难的，通常的办法是借助于通用计算 机的计算，将它们细分为微小的三维直线段组成的加 工程序，在模具加工中这种长达几百KB（4KB约等于 10m纸带长度）甚至数MB的加工程序是经常会遇到的， 而一般数控系统提供的程序存储容量为64--128KB，这 给模具加工带来了很大困难。
（4） 刚性攻螺纹功能 攻螺纹是数控机床的一项常用功能，到底采用什 么方式是一个值得考虑的问题，刚性攻螺纹功能必须 采用伺服电机驱动主轴，不仅要求在主轴上增加一个 位置传感器，而且对主轴传动机构的间隙和惯量都有 严格的要求，电气设计和调整也有一定的工作量，所 以这个功能的成本不能忽略。对用户来说如果可以通 过采用弹性伸缩卡头进行柔性攻螺纹，或者机床本身 的转速并不高时，就不必选用刚性攻螺纹功能。 （5） 网络数控功能 近年来发展的数字化网络制造是指利用网络技术和数字 控制技术进行产品的加工制造，其基础是网络数控技 术。它是各种先进制造技术的基本单元，为各种先进 制造环境提供基本的技术基础，如远程制造、远程诊 断与远程维护。目前，有些数控系统有提供选择的网 络功能。是否选择此功能，要考虑本单位的实际需要， 和数控应用水平。
DNC-B通信功能具有二种工作方式，其一是一次性的 将通用计算机中的程序传送到数控系统的加工程序的 存储区内（如果它的容量足够大的话），其二是将通 用计算机中的程序一段一段的传送到数控系统的缓冲 存储器中，边加工边传送，直到加工结束。彻底解决 了大容量程序零件的加工问题。虽然选用这项功能需 要增加一定的费用，但它确实是一项功能/价格比很高 的选项。 若系统的加工程序存储区足够大，推荐使用DNCB的第一种工作方式，即一次性的把加工程序传送到 CNC内部，然后在CNC本机上运行该加工程序。而第 二种方式则需要在加工的全过程中占用一台计算机， 而且，一旦双方的通讯出现问题，加工就不得不中断。 在使用第一种方式是，需要注意的是，应该定期检查 CNC的加工程序存储区剩余空间，删除不用的加工程 序。
8.2 TK40A数控车床电气控制电路
8.2.1 TK1640数控车床的功能 TK1640数控车床如图8.1所示，是我国宝鸡机床厂 研制、开发的产品，主轴变频调速，三档无级变速， 采用HNC-21T车床数控系统实现机床的两轴联动。机床 配有四工位刀架，可满足不同需要的加工；可开闭的 半防护门，确保操作人员的安全。机床适用于多品种、 中小批量产品的加工，对复杂、高精度零件由于机床 的自动化而更显示其优越性。
4、安全 电气控制电路的设计应高度重视保证人身安全、设 备安全，符合国家有关的安全规范和标准。各种指示 及信号易识别，操纵机构易操作，易切换。
8.1.2 数控系统功能的选择 除基本功能外，数控系统生产厂还为机床制造厂提 供了多种多样的可选功能，由于各知名品牌数控系统 的基本功能差别不大，所以合理的选择适合本机床的 可选功能，放弃那些可有可无的或不实用的可选功能， 对提高产品的功能/价格比是大有好处的，下面列举几 个例子供读者参考： （1）动画/轨迹显示功能的选择 该功能用于模拟零件加工过程，显示真实刀具在毛 坯上 的切削路径，可以选择直角坐标系中的二个不同 平面，也可选择不同视角的三维立体，可以在加工的 同时做实时的显示，也可在机械锁定的方式下作加工 过程的快速描绘，是一种检验零件加工程序、提高编 程效率和实时监视的有效工具。
2．保证数控机床能稳定、可靠运行 数控机床运行的稳定性、可靠性在某种程度上决定于电 气控制部分的稳定性、可靠性。数控机床在加工车间， 使用的条件、环境比较恶劣，极易造成数控系统的故 障。尤其工业现场，电磁环境恶劣，各种电气设备产 生的电磁干扰，要求数控系统对电磁干扰应有足够的 抗扰度水平，否则设备无法正常运行，详细请参阅本 书第七章“数控系统的电磁兼容设计”。 3．便于组织生产、降低生产成本、保证产品质量 商品生产的基本要求是以最低的成本，最高的质量， 生产出满足用户要求的产品，数控机床的生产也不例 外。电气控制电路设计时就应该充分考虑元器件品质， 供应，并便于安装、调试和维修，以便于保证产品质 量和组织生产。
第八章 数控机床电气控制电ห้องสมุดไป่ตู้ 设计实例
8.1 数控机床电气控制电路设计原则 8.2 TK40A数控车床电气控制电路 8.3 XK714A数控床身铣床电气控制电路
•
在前面的章节中，分别介绍了计算机数控系统的 各个组成部分、控制系统所用到的元器件和执行部件， 可以说是“化整为零”的叙述。本章则通过介绍几种 典型数控机床控制电路实例及分析，则可以说是“集 零为整”，使读者了解数控系统的全貌。 • 本章首先介绍数控机床电气控制电路设计原则， 遵循这些原则是保证产品质量的前提，然后介绍TK40A 数控车床和XKA714数控床身铣床的电气控制电路，并 作了简要的分析。在分析控制电路时，注意掌握分析 思路和方法。
8.1 数控机床电气控制电路设计原则
8.1.1 电气控制电路设计原则 1．最大限度的实现机械设计和工艺的要求 正如本书第一章绪论中所指出，数控机床是机电 一体化产品，数控机床的主轴、进给轴伺服控制系统 绝大多数是机电式的，其输出都包括含有某种类型的 机械环节和元件，它们是控制系统的重要组成部分， 其性能直接影响数控机床的品质。这些机械环节和元 件一旦制造好，其性能就难以更改，远不如电气部分 灵活易变。因此，数控机床的机械与数控系统的设计 人员都必须明确的了解机械环节和元件的参数对整机 系统的影响，以便密切配合，在设计阶段，就仔细考 虑相互之间的各种要求，做出合理的设计。