数控车床主轴控制设计

前言本论文主要介绍数控车床主轴控制的设计，根据电气控制的要求，设计了的电气原理图。

根据电气元件参数的设定，来确定各元器件的选择。

根据设计要求及强电控制线路和控制要求，编写PMC程序，介绍了FANUC、 PLC、FANUC系统的指令以及编程；最后，针对所设计的内容进行总结。

一、绪论1.1选题背景与意义数控技术也叫计算机数控技术（CNC，Compute Numerical Control），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，数控技术的广泛应用给传统的制造业的生产方式，产品结构带来了深刻的变化。

也给传统的机械，机电专业的人才带来新的机遇和挑战。

我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。

数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不可少的物资手段。

在数控机床中，主轴是机床里的一个非常重的部分，对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。

主轴驱动系统控制数控车床主轴的旋转运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。

目前在数控车床中，主轴驱动常使用交流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，由于受永磁体的限制，交流同步电动机功率做得很大时，电动机成本太高。

因此目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。

为了获得良好的主轴特性，设计中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。

随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。

论文以我所在常熟车床加工有限公司数控车间的永进TC15数控车床为研究对象，结合所学知识参考数控设备应用与维护综合实训，论文主要研究永进TC15数控车床的主轴控制系统、电气原理设计，PMC程序的设计等内容。

在实习期间培养了自己的职业能力，激发学习主动性，培养社会生存能力，锻炼自己理论与实践相结合的能力，回顾、运用所学的理论知识，并为将来走上工作岗位奠定基础。

1.2数控机床对主轴驱动系统的要求主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。

主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。

它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。

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它直线运动装置作往复运动。

数控机床通常通过主轴的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。

在20纪60-70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。

随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已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）调速范围宽并实现无极调速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、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，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，简化主轴箱。

目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1∶100，恒功率调速范围也可达1∶30，一般过载1.5倍时可持续工作达到30min。

主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。

在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。

（2）恒功率范围要宽主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。

由于主轴电动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，常采用分级无级变速的方法（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1秒内从静止加速到6000r/min。

（4）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）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。

数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。

为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。

最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。

采用带传动时应采用齿型带。

应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。

在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。

变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。

侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。

1.3 电气原理图设计的原则和设计步骤数控机床（CNC machinery）集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品, 具有模块化特点。

因此数控机床在控制设计上具有很大的灵活与实际应用性。

我们知道主轴运动属于机床主运动，在实际加工中产生大量的热与消耗大量功，同时在加工过程中由于温度过高、工艺要求或其它情况需要随时调整主轴的转速。

机床的电气控制线路是由各主令电气，接触器、继电器、保护装置和电动机等，按照一定的控制要求用导线连接而成的。

机床的电气控制，不仅要求能实现启动、正反转、制动和调速等基本要求，而且要求满足生产工艺的各项要求，保证机床各运动的相互调和和准确，并具有各种保护装置，工作可靠，实现自动控制。

机床电气控制应该遵循的原则有：（1）最大限制满足机床和工艺对电气控制的要求。

（2）在满足要求的前提下，设计方案应简单，经济和实用。

（3）妥善处理机械与电气的关系。

（4）将电气系统的安全性和可靠性放在首位。

（5）合理选用电气元件机床电气控制系统设计包含原理设计和工艺设计两部分。

Ⅰ. 拟订设计任务书简要说明所设计任务的用途、工艺过程、动作要求、传动参数、工作条件及（1）电气传动基本特性要求、自动化程度要求及控制精度；（2）目标成本与经费限额；（3）设备布局、安装要求、控制箱、操作台布置、照明、信号指示、报警方式等；（4）工期、验收标准及验收方式。

Ⅱ. 选择拖动方案与控制方式电动机选择基本原则：（1）电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与被拖动负载特性相适应以保证运行稳定并具有良好的启动、制动性能，对有调速要求时应合理选择调速方案；（2）工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值；（3）电动机的结构形式应能满足机械设计要求，选择恰当的使用类别和工作制，并能适用周围的环境工作条件。

在满足设计要求情况下，应优先采用结构简单、维护方便的笼型三相交流异步电动机。

电力拖动方案确定后，电动机的类型、数量及其控制要求就已基本确定，采用什么方法去实现这些控制要求就是控制方式的选择问题。

在确定控制方案时，应尽可能采用新技术、新器件和新的控制方法。

Ⅲ. 设计电气控制原理图、选用元器件、编制元器件目录清单。

Ⅳ. 设计电气施工图，并以此为根据编制各种材料定额清单。

Ⅴ. 编写设计说明书。

通过对主轴的控制的分析，可以从中发现对于主轴的控制是一个较复杂的过程。

要善于归纳与总结，才能较轻松的写出相应的程序。

1.4 电气方案的确定主轴驱动装置根据主轴速度控制信号的不同分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。

模拟量控制的主轴驱动装置采用变频器来控制主轴电机。

串行数字控制的主轴驱动装置是数控系统生产厂家用来驱动该厂家专业主轴电机的驱动装置，不同数控系统其主轴驱动装置各不相同。

目前国内中高端用户大多采用的即是西门子、发那科、三菱电机等这些国际知名公司的数控系统，尤其是在汽车及零部件制造业这样的大规模生产线上，这些品牌的数控系统占据着中高端的主流市场，其他国内外多种品牌特别是经济性数控系统在中低端市场则有百花齐放之势，还有很多专用数控系统亦是各有用武之地。

当前，第六代数控系统以西门子的840D和810D数控系统为代表，它的硬件结构更加简单、紧凑、模块化，软件内容更加丰富，功能更强大，代表并引领着当今数控技术的发展方向。

发那科0i和21i数控系统也很典型，其最新开发的是18i系统，稳定易用，实用性很强，应用非常广泛。

三菱电机M60S数控系统的替代品——C70适用于大规模生产线，其最新推出的 M70/M700可更广泛地用于多种机械加工。

三菱电机还与山崎马扎克合作，开发了Mazatrol Fusion 640数控系统。

Mazatrol Fusion 640数控系统以其高品质的运动控制性能和先进的信息化、智能化功能在技术上同样居于世界领先地位。

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可。

控制速度PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

本课题采用模拟量控制的主轴驱动装置，FANUC公0i MATE数控系统。

随着数字SPWM变频调速系统的发展，越来越多的采用通用变频器作为数控机床主轴驱动装置。

变频器有多方面的优点：可以和通用的笼型异步电动机配套使用，具有多种可供选择的功能，可应用于各种不同性质的负载。

FANUC的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统。

主要体现在以下几个方面。

（1）系统在设计中大量采用模块化结构。

这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。

（2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。

其工作环境温度为0～45℃，相对湿度为75％。

（3）有较完善的保护措施。

FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。

（4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。