畢業(yè)設計PL700A四軸立式加工中心電氣系統(tǒng)設計.doc

西華大學畢業(yè)設計說明書 摘 要本設計為了實現(xiàn)加工中心的自動化，應用機床電氣控制原理，F(xiàn)ANUC 0i-MD數(shù)控系統(tǒng)控制原理，進行PL700A立式加工中心的電氣設計。為了給系統(tǒng)軟件設計、系統(tǒng)調試與維修、安裝與連接設計等提供設計基礎，畫出了CNC控制系統(tǒng)的電氣原理圖。本設計結合數(shù)控加工中心控制系統(tǒng)設計、系統(tǒng)軟件PMC設計、以及數(shù)控加工中心操作面板設計等，完成了加工中心的電氣設計，繪制了該部分的電氣原理圖。達到了使本加工中心性能更優(yōu)，性價比和自動化更好的目的。本加工中心的電氣設計，主要為加工中心各個部分提供電能。主要控制的電機有冷卻電機、排屑電機和液壓站電機等。電路原理圖中使用了許多常用的電氣元器件，如繼電器、接觸器和電磁閥等，以配合軟件共同實現(xiàn)電路的邏輯控制?！娟P鍵詞】CNC；FANUC；電氣設計；加工中心；邏輯控制AbstractIn order to automate the design of machining centers, application machine electrical control principle, FANUC 0i-MD CNC system control principle, the electrical design PL700A vertical machining centers. In order to give the system software design, system debugging and maintenance, installation and connection design to provide the design basis, draw electrical schematics CNC control system. The design combines CNC machining center control system design, system design software PMC and CNC machining center operator panel design, complete electrical design and processing center, draw an electrical schematic diagram of the portion. Reached so that the machining center performance better, more cost-effective and automation purposes. Electrical this machining center is designed primarily to provide power to the various parts of the processing center. The main control motor cooling motor, Chip motors and hydraulic station motor. Circuit diagram used in many common electrical components, such as relays, contactors, and solenoid valves to cope with software common logic control circuit.【Key words】CNC；FANUC；Electrical Design；Logic control; machining centerII目 錄摘要IAbstract 1 緒論1 1.1 數(shù)控與數(shù)控機床1 1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢2 1.3 加工中心研發(fā)的意義6 1.4 設計任務62 PL700A立式加工中心概述7 2.1 PL700A立式加工中心簡介7 2.2 PL700A立式加工中心的整體構成8 2.3 PL700A立式加工中心的工作原理9 2.4 PL700A相關技術參數(shù)103 數(shù)控加工中心主要電氣元器件12 3.1 數(shù)控機床常用電氣元件12 3.2 主要元器件明細表19 3.3 電機的選型204 數(shù)控加工中心的電氣設計23 4.1 380V強電控制回路23 4.2 供電電路25 4.3 部分I/O模塊26 4.4 交流控制回路27 4.5 電源模塊28結論29總結與體會30致謝詞31參考文獻32附錄341 緒論隨著計算機技術、微電子技術、大規(guī)模集成電路制造工藝的飛速發(fā)展，使高性能的微處理器（MPU）在國民經濟的各行各業(yè)得以大規(guī)模的應用。然而加工中心正是集機械、電子、計算機、網絡技術、氣動、切削工藝等技術于一體的高新技術產品。機械制造技術和信息技術相結合而構成的機電一體化系統(tǒng)，是現(xiàn)代工業(yè)機械研究方向和發(fā)展趨勢1。微機控制的加工中心和數(shù)控機床越來越多，柔性制造單元（FMC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS）不斷應用在機械加工中，在根本上改變企業(yè)生產面貌。應用數(shù)字控制技術（Numerical Control）的數(shù)控機床可以高精度、高效率、高速度、高柔性化地加工各種復雜零部件，正好滿足當今快速多變的市場、競爭激烈的生產工藝發(fā)展的需要。所以，微機控制技術在加工中的應用標志著機械行業(yè)的現(xiàn)代化，是國家生產能力的標志。1.1數(shù)控技術與數(shù)控機床1.1.1 數(shù)控技術 數(shù)控即數(shù)字控制，它是相對于模擬控制而言的。數(shù)控技術是利用數(shù)字量對機械加工的走刀運動的一種智能控制方式。 數(shù)控技術（CNC，Computerized Numerical Control），它使用計算機實現(xiàn)數(shù)字程序控制。運用計算機按事先存貯編譯好的程序來對機械加工設備的運動軌跡的控制4?，F(xiàn)在已經是采用計算機控制，替代了原先的硬件邏輯電路，使輸入操作的各種控制機能，比如存貯、處理、運算、邏輯判斷等的實現(xiàn)，都可以通過計算機軟件來實現(xiàn)，計算機處理后，將生成的微觀指令傳送給伺服驅動模塊，從而驅動電動機和液壓執(zhí)行元件等動作，從而帶動機械設備運行。為了發(fā)展新興的高新技術產業(yè)和頂尖的工業(yè)，數(shù)控技術是使能技術也是最基本的設備。為了提高制造的水平和能力，全世界各國已經在各行各業(yè)廣泛使用數(shù)控技術，如機械制造行業(yè)、汽車行業(yè)、電器行業(yè)、甚至在信息產業(yè)也有涉足。1.1.2 數(shù)控機床數(shù)字控制機床（Computer numerical control machine tools）簡稱數(shù)控機床，它是一種裝有軟件程序的控制系統(tǒng)。對機床的控制是數(shù)控技術運用最廣泛的領域，所以數(shù)控機床的發(fā)展水平標志著目前數(shù)控技術的性能好壞、技術水平高低，也決定了數(shù)控技術的發(fā)展方向。在一般的工業(yè)生產中，占絕大多數(shù)的是金屬切削類機床，如車削類、銑鏜鉆類機床。所以它也是數(shù)控技術最常用和使用最廣范的領域。車削加工時，主運動是機床主軸帶動工件的回轉運動，用于回轉體零件的加工切削，這樣的機床就至少需要兩個基本運動，即徑向和軸向運動。所以需要兩個基本的運動軸X/Z。同理，運動銑鏜鉆類機床因為是通過主軸帶動刀具旋轉和零件的空間運動來實現(xiàn)金屬加工的。所以這樣的機床就至少需要三個運動軸，即X/Y/Z軸。為此，數(shù)控生產廠家就將數(shù)控系統(tǒng)分為了兩大系列，即M系列的CNC 至少具有3軸，用于銑鏜鉆類的控制。而T系列的CNC就至少具有2軸，用于車削類控制。隨著科學技術的不斷提高，人們對數(shù)控技術也提出了更高的要求，如復合車銑加工、FMC等先進技術也得到普及。數(shù)控機床的優(yōu)勢和給生產帶來的方便將越來越突出。1.1.3 數(shù)控機床的電氣控制系統(tǒng) 數(shù)控機床的基本構成和構成原理如下圖。工作臺主軸箱換刀裝置刀庫液壓系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)氣動系統(tǒng)其他數(shù)控裝置伺服電機伺服裝置主軸控制主軸電機強電柜和PMC操作盤圖1-1 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的組成1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 在社會在不斷發(fā)展中，人們在機械加工中，發(fā)現(xiàn)了數(shù)控機床任然存在的一些問題，所以對數(shù)控機床提出了更高的要求。以下是數(shù)控機床未來的發(fā)展趨勢。1更高精度、更高速度 數(shù)控機床的精度和速度是決定其加工能達到的精度和加工效率的兩個重要因素，所以許多的數(shù)控機床生產和研發(fā)企業(yè)都在精度和速度上下功夫。現(xiàn)在的一般數(shù)控機床的精度已經可以達到5m,在一些超精密加工中精度已經可以達到納米級了。 為了提高加工速度，現(xiàn)在已經開始使用電主軸和直線電機了，這樣的電機，大大提高了其加工效率和加工速度。尤其是直線電機，可以直接將電能轉化為驅動導軌等作直線運動，而克服了傳統(tǒng)的旋轉電機，必須通過齒輪減速器，驅動絲桿等作旋轉運動，在由絲桿螺母副帶動導軌作直線運動。傳統(tǒng)的方式，在減速器和絲桿螺母副等處會產生機械能的損耗以及傳動誤差。當然速度也就達不到很高。而電主軸和直線電機可以更加直接地傳遞能量和速度，所以這樣的電機大大提高了數(shù)控機床的機械效率和加工速度。圖1-2 高精度加工2實時智能化 今后的數(shù)控機床將具有實時監(jiān)測一些參數(shù)的功能，并對這些參數(shù)的變化進行最快速的監(jiān)測，從而作出及時反映，人工智能地分析引起這些參數(shù)變化的機床內部原因和外界環(huán)境的變化。從而向CNC發(fā)出相應的信號，及時調節(jié)相應參數(shù)變化到能使加工環(huán)境和加工工程處于最優(yōu)的狀態(tài)。而數(shù)控機床的實時智能化，是依托于智能控制理論的不斷發(fā)展，尤其是近幾年的快速發(fā)展。在神經控制、模糊控制、前饋控制等控制領域的發(fā)展推進了數(shù)控技術智能化的實現(xiàn)。3高柔性化和多主軸加工 數(shù)控機床柔性化的目的是提高加工工藝和機床使用效率。最終將達到在人為設置好程序后，可以長時間無需人看管，而穩(wěn)定、安全、可靠地加工生產零件。它可以實現(xiàn)自動裝卸零件，自動換刀，可以在一次裝夾過程中實現(xiàn)多個工序的加工。相比較傳統(tǒng)的加工方式，極大地減輕人的勞動強度，實現(xiàn)了機械設備更大的自動化。而且以往，在裝卸過程、人為換刀等過程中，機床要么空轉，要么停止，而現(xiàn)在的柔性加工可以節(jié)省這其中的時間，加大了數(shù)控機床的使用效率，也提高了生產效率，更加經濟高效。多主軸加工，解決了傳統(tǒng)的單主軸的許多問題。傳統(tǒng)的但主軸加工，只能在工件的一個方向上切削或者磨銑等。所以對于復雜零件，需要較多加工工序的就只有反復裝卸，在人工方面，需要多次地裝夾又拆卸。而如果這個零件的每個面的加工量很小，即工序很簡單，那么工人就要不停地裝卸零件，使其加工面處于主軸刀具可以加工的地方。為了解決這樣的問題，多主軸的數(shù)控機床應運而生，它可以實現(xiàn)工件在一次裝夾后可以完成多道工序，還有個好處是，這幾個主軸在不相互干擾的情況下可以同時完成各自的加工工序，這樣就極大地提高了生產效率和減少了人的勞動強度。這樣的機床還有個好處是因為是一次裝夾實現(xiàn)多道工序，所以如果對刀和參考點選擇無誤的話，就可以提高加工精度，而傳統(tǒng)的多次裝夾必然會存在許多對刀和參考原點的誤差?？偠灾?，多主軸機床的誕生，為機械加工的速度、精度、加工效率和經濟性等方面的提高都起到很大的促進作用。圖1-3 多主軸機床4多軸并聯(lián)驅動 在機械結構學中，可以將機械結構分為串聯(lián)結構和并聯(lián)結構。而傳統(tǒng)的機械設備多是使用串聯(lián)機構，因為串聯(lián)機構的機械設備比較好生產和控制，編程也較為方便，對那些機械關節(jié)也可以很好的控制。比如我們生活中常見的吊車、機械手臂、挖掘機以及一些日常使用的小刀等都是采用的串聯(lián)機構。然而這樣的機構卻存在它的一些弊端，比如運動控制不夠精確，采用串聯(lián)機構的加工中心在加工零件時容易發(fā)生抖動，即精度差。所以不得不將床身做得非常笨重，增加其材料等。而并聯(lián)機構的結構大大簡化了，顧名思義，并聯(lián)機構就是有許多并聯(lián)的機械關節(jié)組成的機構，它的機械結構非常簡單，但是運動的控制卻非常復雜。它不像串聯(lián)機構只需控制各個分離的結構關節(jié)，就可以達到我們需要的運動軌跡。并聯(lián)機構必須同時控制相并聯(lián)的多個機械關節(jié)，共同完成相應的運動，刀具才能在走出我們需要的運動軌跡，才能加工零件，完成各種復雜形體零件的加工要求。所以并聯(lián)機構的數(shù)控機床必然依托于復雜的數(shù)學運算。相比較于串聯(lián)機構的數(shù)控機床，并聯(lián)機構的數(shù)控機床具有許多優(yōu)點，比如精度提高了，剛度提高了，加工速度提高了，最重要的是它可以很靈活地加工零件。因此，在新的機械加工發(fā)展環(huán)境下，這樣的機床必將慢慢地取代傳統(tǒng)的串聯(lián)機構式數(shù)控機床。 圖1-4 多軸并聯(lián)驅動機床5網絡化 21世紀已經進入了信息化時代，運用計算機控制和操作機床也已經實現(xiàn)。為了使數(shù)控機床更加自動化的生產加工，數(shù)控機床正在向網絡化方向發(fā)展。網絡化的實現(xiàn)將標志著，機床可以更加柔性化地生產，并可以遠程監(jiān)控，遠程診斷和維修。使每一臺數(shù)控機床與PC機相聯(lián)，人們就可以更好地更加便捷地控制機床完成加工生產了。 圖1-5 網絡化機床1.3 加工中心研發(fā)的意義數(shù)控機床的發(fā)展與人民的生產生活都息息相關，數(shù)控技術將會給機械加工領域帶來革命性的變革。數(shù)控技術會涉及許多的知識，于是對它的研究將會展示人們現(xiàn)在的科學文化發(fā)展水平，更是與外國的比較。落后就要挨打，許多科技強國將許多高科技技術封鎖。所以我國必將研究好數(shù)控技術，也是為了一種國防安全。數(shù)控技術是一種高精尖技術，需要各個部門行業(yè)的相互配合，共同完成更高技術的研發(fā)。朝著性能更優(yōu)的方向發(fā)展，使數(shù)控機床正真完全更好地服務人類。1.4 設計任務本次畢業(yè)設計任務來源于成都普瑞斯數(shù)控機床有限公司的實際開發(fā)項目。要求應用機床電氣控制原理，數(shù)控系統(tǒng)控制原理，進行PL700A立式加工中心的電氣設計。機床主要參數(shù)：主軸最高轉速8000r/min，無級調速；主軸錐度：No.40；X/Y/Z行程：700/410/545（mm）；工作臺面積：4201000（mm），最大承重：600Kg；切削進給速度：2-20000mm/min, X、Y軸快速移動速度:32(m/min), Z軸：20(m/min)。 具體要求如下：1）圍繞畢業(yè)設計的內容和要求進行畢業(yè)實習，撰寫畢業(yè)實習報告；2）收集與畢業(yè)設計任務有關的國外資料，完成外文資料翻譯，譯文不少于3000字；3）熟悉PL700A四軸立式加工中心的主要功能及控制要求；4）了解PL700A四軸立式加工中心的工作原理；5）完成機床強電部分的電氣設計，并繪制該部分的電氣原理圖；6）完成相應的保護電路設計；7）撰寫設計說明書。2 PL700A立式加工中心概述加工中心是在數(shù)控機床上演化而來的，將數(shù)控機床配上自動換刀裝置，和一些自動化設備，就成為了加工中心。加工中心可以實現(xiàn)在機械零件的一次裝夾中，進行多道工序的加工處理。人們只需將加工過程用機床專用的程序表達出來，并在數(shù)控機床的操作面板上鍵入或者用移動存儲器傳輸進機床的CNC系統(tǒng)，機床就可以按照程序的要求進行一些操作了。比如可以實現(xiàn)主軸的正反轉，冷卻液的開啟，自動換刀具，X/Y/Z軸的動作，并且這些軸的聯(lián)動就可以實現(xiàn)復雜零件的加工了。所以加工中心是一種高度自動化的產品，在許多行業(yè)都得到廣泛地應用。相比較以前普通機床，無論在加工精度還是加工效率以及經濟性都得到很大改善。極大地代替了人的勞動。以前的零件加工完全靠工人的手工操作，其精度的保證也是憑人的眼睛和經驗及熟練程度，對工人的素質要求比較高，不利于實現(xiàn)機床的普及?，F(xiàn)在的加工中心可以讓其連續(xù)進行復雜反復的工作，適合大批量的生產，減輕了人的勞動強度，增加了加工精度等。2.1 PL700A立式加工中心簡介 PL700A立式加工中心是成都普瑞斯數(shù)控機床有限公司引進歐美先進技術，針對現(xiàn)代自動加工工藝特點，采用現(xiàn)代設計制造技術，精心研發(fā)的機電一體化數(shù)控產品。它的優(yōu)勢在于將國際先進的自動加工技術成功地應用于中國的機械加工行業(yè)，對提高我國的機械加工工藝水平產生了明顯的促進作用，在航天、航空、兵工、汽車摩托車、核工業(yè)、鐵道等領域廣泛應用之后，達到了用略高于國內同類產品價格的投入取得進口國際先進設備的效果，因此具有良好的性能價格比。 所謂加工中心，是指在數(shù)控機床的基礎上加上刀庫及自動換刀裝置或多個工作臺，集合銑床、鏜床、鉆床于一體，并由計算機控制的機床。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工的需要，自動有選擇刀具和合適的主軸轉速及進給量，依次完成零件的所有加工過程。由此可看出加工中心的優(yōu)越性，它可以縮短零件加工的時間，具有很好的經濟效益，適用于零件形狀比較復雜的，精度要求比較高的，加工工序比較多的小批量生產。PL700A立式加工中心是成都普瑞斯數(shù)控機床有限公司主要的產品，也是比較實用的機械零部件生產的產品。它的結構緊湊，外觀美觀，功能強大，調試方便，所以得到許多客戶的青睞。其技術參數(shù)如表，可以根據(jù)表的技術參數(shù)進行主軸電機和伺服電機等的計算和選型?？蛻艨梢愿鶕?jù)其精度來選擇，PL700A的精度可以達到8m級。圖2-1為PL700A立式加工中心外觀圖。圖2-1 PL700A立式加工中心外觀圖2.2 PL700A立式加工中心的整體構成 PL700A與一般的加工中心一樣，都由基礎部件、主軸部件、伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)（CNC）、自動換刀系統(tǒng)（ATC）、輔助裝置等組成?，F(xiàn)分別介紹介紹如下：1基礎部件 基礎部件由床身、立柱和工作臺組成，是加工中心的基礎結構，主要承受加工中心的靜載荷和切削負載，因此對它的剛度要求比較大，所以P7800A的基礎部分用鑄鐵制造。基礎部件的合理的布局才能夠使數(shù)控機床的整個結構更加緊湊和實用，同時也使數(shù)控機床整體看起來更加美觀。2伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)指的是機床的進給系統(tǒng)，主要是把數(shù)控系統(tǒng)的信號傳到伺服電機，控制伺服電機轉動，從而達到所需要的運動。它對機床來說是一個很關鍵的指標，直接影響到零件的加工精度。伺服系統(tǒng)又分為開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。加工中心普遍對精度要求比較高，多為半閉環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)。PL700A是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。3數(shù)控系統(tǒng)（CNC） PL700A的數(shù)控系統(tǒng)采用的是FANUC數(shù)控系統(tǒng)，由CNC裝置、電源模塊、主軸模塊、伺服驅動模塊以及MDI等組成。它相當于人的大腦，是一個控制中心。數(shù)控機床的所有動作全部由它來進行控制。4主軸部件 主軸部件由主軸、主軸箱、主軸軸承和主軸電動機等組成。所有動作由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電機動作。通過主軸的上下移動來實現(xiàn)刀具的進給運動，從而實現(xiàn)加工。主軸部件的好壞對零件最后的形成有重要的影響。5自動換刀系統(tǒng)（ATC） 換刀系統(tǒng)由刀庫和機械手等組成。需要換刀時，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，機械手運動到刀具附近，取下刀具，然后運動到刀庫附近，將刀具裝入到相應的刀庫中，機械手在從刀庫中取出所需要的刀具，然后裝入主軸孔中，就完成了整個換刀的過程。6輔助裝置 輔助部分有冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。這些都對機床起保護作用，對機床能否長久健康的工作，起到了很大的作用，是任何一個機床不可或缺的一部分。2.3 PL700A立式加工中心的工作原理 機械加工是由切屑的主運動和進給運動一起完成的?？刂浦鬟\動以得到合適的切屑速度，控制進給運動以得到各種不同的加工表面。數(shù)控機床加工，就是把刀具與工件的坐標運動分割成最小位移量，根據(jù)加工程序的要求，數(shù)控系統(tǒng)使一個個最小量疊加起來，實現(xiàn)刀具與工件相對運動的控制，從而完成零件的加工。圖2-2 機床加工運動 現(xiàn)用二維空間的曲線來說明數(shù)控機床的加工方法。如圖所示如圖2-2，要加工曲線L的零件，要求刀具加工出曲線L。將L分割成一段一段的距離很小直線中L0、L1、L2所示。，當直線與曲線弧的誤差很小時，在誤差允許的情況下，可認為此時加工的直線就接近了曲線。由數(shù)控系統(tǒng)控制，計算和分配，通過X和Y的合成，不斷控制刀具連續(xù)運動，從而加工出所需要的曲線。 插補技術真是實現(xiàn)這種運動的核心技術。根據(jù)零件輪廓的已知點，在按照系統(tǒng)的各個速度要求及相關參數(shù)，從而計算出中間點位置坐標的位置，這就是插補，插補就是分割，把直線分割成一段一段的最小位移量，也叫脈沖當量。插補運算具有實時性，它的運算速度和精度直接影響到加工精度。2.4 PL700A相關技術參數(shù) 通過在普銳斯數(shù)控機床有限公司的參觀學習，以及查閱相關技術手冊，現(xiàn)將PL700A的主要技術參數(shù)如下列出：1 工作臺相關參數(shù)1） 工作臺面積 4201000 mm 2） T型槽 5-18100 3） 工作臺最大承重 600kg 2 行程相關參數(shù) 1） X坐標（縱向）行程 700mm 2） Y坐標（橫向）行程 410 mm 3） Z坐標（垂向）行程 550 mm 4） 主軸端面到工作臺表面距離 125-675 mm 5） 主軸中心線到立柱導軌表面距離 468mm 3 主軸相關參數(shù) 1） 主軸轉速范圍 40-8000 rpm2） 主軸孔錐度 BT40 3） 主軸電機功率 7.5/11 kW 4 進給相關參數(shù) 1） 進給伺服電機扭矩 X、Y：32m/min Z：20m/min 2） X、Y軸快速移動 32 m/min 3） Z軸快速移動 20 m/min 4） 切削進給速度（X、Y、Z） 2-20000 mm/min 5 刀庫 1） 刀庫形式 斗笠 2） 刀庫容量 22把 3） 最大刀具直徑 75（80） mm 4） 最大刀具長度 250（300） mm 5） 最大刀具重量 6（8） kg 6） 換刀時間 約5.5（2.8） sec(T-T) 7） 選刀方式 最短路徑（預選） 6 動力源相關參數(shù) 1） 機床電氣總容量 214kVA 2） 氣壓要求 5.5 bar 3） 冷卻泵流量 66 L/min 7 機床尺寸相關從參數(shù) 1） 機床外型尺寸 2100226525602） 機床重量（約） 4200 kg 3） 機床防護罩 全封閉 8 精度相關參數(shù) 1） X、Y、Z定位精度（ISO230-2全長） 0.008 mm 2） X、Y、Z重復定位精度（ISO230-2） 0.004 mm 3 數(shù)控加工中心主要元器件3.1 數(shù)控機床常用電氣元件1低壓斷路器低壓斷路器一被稱為空氣開關或者空氣開關，是非常普遍使用的保護電器。它的操作簡便，并且工作性能可靠，在電機等用電設備出現(xiàn)故障或電路出現(xiàn)故障時能及時有效的斷開電路，起到很好的保護作用?？諝忾_關有許多型號和品種，這里僅說明幾種常用的。（1）塑料外殼的空氣開關圖3-1 塑料外殼式的外形圖、電氣圖形及文字符號說明這種斷路器一般用在不太頻繁啟停的場合，它可以承載比較大的電流，分斷能力和分斷靈敏度較高。（2）小型的空氣開關 圖3-2 小型空氣開關的外形圖、電氣圖形及文字符號 這種空氣開關是在機床上最常用的。它用在電機的控制中，在電機或者其它原因引起的故障時能很好地保護電機不受到損傷。本次畢業(yè)設計也使用這種斷路器，用來控制電路的通斷。空氣開關的選擇有如下要求和公式。電路圖中對空氣開關的選擇即遵循下面的要求和計算。斷路器的選擇： 斷路器所能承受的電壓和電流應該大于或等于它所控制的線路所有電器和設備同時工作時的總電壓和總電流。 在選用斷路器時，其脫扣器額定電流應按下列公式計算： 第一個公式適用于一臺電機的計算。k是安全系數(shù)，一般可取1.51.7。是電動機的起動時的電流。第二個公式適用于多個電機的情況。是功率最大的電機的起動電流，為其他電機的額定電流。2. 接觸器39接觸器常與繼電器聯(lián)合使用，以控制電路的分斷和閉合。由于接觸器可以帶很大的負載，所以可以直接控制電機等負載。它的分斷能力較強，具有常開和常閉兩種觸點，可以很好的實現(xiàn)電路的邏輯控制。接觸器的種類很多，但其工作原理相似。本次設計選用的接觸器為交流接觸器，其基本原理是電磁感應原理。當接觸器的鐵芯通電后，會將其常開觸點吸合，將常閉觸點釋放，就可以控制電路了。選擇接觸器時需要知道其控制的電機的額定功率，從而推算出接觸器需要的額定電流。對于有經驗的工程技術人員，有許多小技巧可以很快地選出所需接觸器。以下是所選交流式接觸器的外觀和圖形符號： 圖3-3(a) 交流接觸器的外觀圖 吸引線圈 常開觸點 常閉觸點圖3-3(b) 交流接觸器的電氣符號及文字符號3繼電器 繼電器和接觸器相似，只不過它是控制小電流回路，而且由于科學技術的發(fā)展，它的基本工作原理也不僅僅局限于電磁感應。繼電器的輸入信號也不僅僅是電流或電壓，還可以是溫度、壓力、速度和液位信號等。當然其工作原理也就不相同了。比如溫度繼電器就是利用的有些受熱金屬會隨溫度的變化而發(fā)生變形。 在本次設計中，繼電器的輸入信號是直流電壓，所以屬于電磁式的。使用PCB板上嵌入的小繼電器的動和或者動斷觸點來控制接觸器線圈和電磁閥的得電和失電，即是應用了弱電控制強電的思想，這樣既可以保護電路又能防止觸電危險，還可以實現(xiàn)軟件控制邏輯的通斷電。下面是幾種繼電器的介紹：（1） 電磁式的繼電器，如圖3-4(a)、3-4(b)所示電磁式的繼電器的工作原理與接觸器相似，只不過繼電器不能直接控制強電電路，所以往往繼電器和接觸器聯(lián)合使用，用繼電器的觸點來控制接觸器線圈，再由接觸器線圈去控制接觸器的觸點，這個觸點采取接通或者斷開強電部分的電路。圖3-4（a） 電磁原理繼電器外形圖 吸引線圈 常開觸點 常閉觸點圖3-4（b） 電磁原理繼電器電氣符號和文字符號（2）時間繼電器 如圖3-5所示 時間繼電器多用于一些需要定時的場合。比如本設計的潤滑泵，需要啟動一定時間后，又暫停一段時間，之后再啟動，如此反復。而如果要實現(xiàn)自動化，就必須設置兩個時間繼電器來控制啟動時間和暫停時間。現(xiàn)在多數(shù)采用的是電子控制時間，使用的是撥碼開關來調節(jié)所需要的時間。還有一種是數(shù)字式的，這種時間繼電器會更加精確的延時，具有許多優(yōu)點，已經為廣大用戶所使用。時間繼電器的外觀圖和電氣圖形符號如圖： 圖3-5（a） 電子式時間繼電器圖3-5(b) 時間繼電器電氣圖形及文字符號（3）熱繼電器 如圖3-6(a)、3-6(b)所示 熱繼電器是利用某些金屬元件在受熱過程中會變形的原理而工作的，它串聯(lián)在電機等回路中，可以長期起過載保護。 而有些電機需要正反轉運行和經常啟動和停止，這是就不宜使用熱繼電器來保護電路過載。因為電機啟動時會產生高電流，可能會使熱繼電器斷開。圖3-6(a) 熱繼電器外形圖圖3-6(b) 熱繼電器電氣圖形及文字符號4. 變壓器 變壓器指可以將交流的壓的電壓值改變，而其頻率仍然相同。PL700A加工中心有一個獨立的較大的變壓器是將三相380V的交流電壓轉變?yōu)槿?00V的交流電壓，以供一些電機和電路使用。機床上常用以下的變壓器。（1）控制機床的變壓器 如圖3-7(a)、3-7(b)所示它用于輸入端的電壓不超過660V，頻率為50Hz60Hz?？梢詫⑦@樣的電壓轉變?yōu)闄C床需要的一些電壓值，比如用于電柜的燈和機床上其它照明燈的供電，還可以用于一些控制回路的供電，比如為電磁閥和接觸器線圈供電等。圖3-7(a) 機床控制變壓器外形圖圖3-7(b) 雙繞組變壓器電氣圖形及文字符號（2）三相變壓器 如圖3-8(a)、3-8(b)所示 三相變壓器主要用于三相交流電的變壓，主要為伺服驅動系統(tǒng)等供電。常常將它獨立出來，做成一個單獨的模塊，安裝在數(shù)控機床的床身上，輸入和輸出都有相應的接線電路。 圖3-8(a) 三相變壓器外形圖圖3-8(b) 三相變壓器電氣圖形及文字符號5直流穩(wěn)壓電源 如圖3-9(a)、3-9(b)所示本設計的加工中心使用了兩個直流穩(wěn)壓電源，它是將變壓器轉變過來的220V交流電，轉變?yōu)?4V的直流電，主要為電源模塊、主軸驅動模塊、X/Y軸驅動模塊、四軸驅動模塊、I/O模塊等模塊供電，也為一些指示燈和直流繼電器供電。圖3-9(a) 開關電源外形圖圖3-9(b) 直流穩(wěn)壓電源電氣圖形及文字符號6 開關電器（1）行程開關 如圖3-10(a)、3-10(b)所示行程開關是為了控制X/Y/Z軸等的移動范圍，當這些軸的位置以達到極限位置時就必須停止軸的運動，否則將會撞上機身而損壞機床甚至發(fā)生嚴重事故。所以一般的機床常采用三種方式同時進行行程控制和保護。第一軟件限位，機床上安裝有檢測軸位置的元件，如光柵編碼器，當軸達到極限位置時，通過軟件控制的方式控制軸停止動作。第二限位開關，在機床軸的極限位置安裝有限位開關，當軸達到那個位置時，將會觸及限位開關的觸點，限位電路將接通而使軸停止運動。第三死擋板，這是為了防止軟限位和行程開關都失效的時候，最后一道防線，防止軸上的螺母與機床床身相撞，也是防止工作臺與床身相撞。圖3-10(a) 行程開關外形圖圖3-10(b) 行程開關電氣圖形及文字符號（2）接近開關 如圖3-11(a)、3-11(b)所示 這是用于檢測物體移動位置的開關，而不需要直接接觸物體。它的原理有霍爾效應、光電、超聲波等。這次為了檢測四軸的夾緊與松開等用到了將近開關。在其它不便于接觸的場合經常使用接近開關。但由于它是非接觸式的，所以相比較限位開關其靈敏度和準確度較低。圖3-11(a) 接近開關外形圖圖3-11(b) 接近開關電氣圖形及文字符號3.2 主要元器件明細表 本設計還是用了壓力開關、液位開關等。由3.2所介紹的低壓元器件和實際的加工中心，對一些主要元器件選型如表3-1。表3-1 主要元器件明細表代號名稱型號規(guī)格件數(shù)QF1斷路器DZ47-60 3P60A1QF2斷路器DZ47-60 3P3A1QF3斷路器DZ47-60 3P3A1QF4斷路器DZ47-60 3P5A1QF5斷路器DZ47-60 2P10A1QF6斷路器DZ47-60 3P5A1QF7斷路器DZ47-60 3P5A1QF8斷路器DZ47-60 2P1A1QF9斷路器DZ47-60 3P32A1 續(xù)表3-1代號名稱型號規(guī)格件數(shù)QF10斷路器DZ47-60 2P1A1QF11斷路器DZ47-60 1P1A1QF12斷路器DZ47-60 1P3A1QF13斷路器DZ47-60 1P5A1QF14斷路器DZ47-60 1P5A1QF15斷路器DZ47-60 2P10A1KM1接觸器3TF46380V1KM2接觸器3TF46220V1KM3接觸器3TF46220V1KA1-KA16繼電器HJR-21FF-S-224VDC16TC1變壓器SG-400KVA380V-200V1TC2變壓器SG-100KVA380V-220/110V1TC3變壓器BK-50380V-220V1PSU1-PSU224V直流電源ADD-2460D24VDC2EL1電柜燈RH025220V1EL2機床工作燈DEJY37-436W1EL3松刀燈DEJY37E-324W1YV0-YV3電磁閥SY5120110V4SQ接近開關LW18BF05DLOY24VDC6SL液位開關YH30024VDC2SP壓力開關MC2010-D24VDC3SQ行程開關LZ7312220V13.3 電機的選型3.3.1伺服電機 本加工中心選用i系列伺服電動機，i系列電機是FANUC高性能的伺服驅動產品。它具有可靠性很高和加減速性能優(yōu)異的特點，其最高轉速在6000r/min左右，最大輸出轉矩在500N*m,常用在高速、高精度的加工中心伺服進給驅動中。4 i系列外觀圖片如圖3-12所示。圖3-12 i系列伺服電機外觀圖 i系列電機按電樞電壓等級可分為標準型200V和高壓型400V兩大類。在結構特性上，可分為iS和if兩大類。iS電機是最常用的電機產品，它的規(guī)格很多，在工業(yè)機器人、印刷、紡織等行業(yè)得到廣泛的應用。iF系列是日本FANUC公司最近推出的中等慣量伺服電機，它主要用在大中型加工中心和數(shù)控機床的伺服驅動以及冶金和工程機械等行業(yè)負載具有中大慣量的驅動中。在實際應用中，i系列電機配套使用了編碼器，以實現(xiàn)高精度的位置檢測。還可以在電機內部置制動器。本次設計的加工中心采用iF系列電機，它一般與i系列驅動器聯(lián)合使用。從機械設備的實際使用條件出發(fā)，合理、經濟、安全地考慮電動機能可靠而安全的工作，現(xiàn)對各伺服電機選型如下： X軸電機：iF8/3000 Y軸電機：iF8/3000 Z軸電機：iF12/2000 4軸電機：iF4/40003.3.2主軸電機4在金屬切削中起運動驅動的電機叫主軸電動機，現(xiàn)在使用的大多數(shù)交流主軸電機都是感應電機，所以，它一般與主軸驅動模塊聯(lián)合使用。和一般感應電動機使用變頻器調速相比較，專用的主軸驅動系統(tǒng)不僅擁有很好的加減速性能、調速范圍更大、調速精度更高、并且可以在較低轉速時輸出較大的轉矩。所以，交流的 主軸伺服驅動系統(tǒng)可以像伺服驅動系統(tǒng)一樣實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，從而滿足了數(shù)控機床的主軸定位、螺紋加工、剛性攻絲、Cs控制等的功能技術要求 。根據(jù)實際主軸的性能要求，選用主軸電機型號為：8/8000i，系列的主軸電機的外觀如圖3-13。圖3-13 主軸電機的外觀圖3.3.3 外圍電機 機床本身的性能要求決定了外圍電機的選擇，根據(jù)加工的要求可作出如下的電機選擇。電機明細如表3-2。表3-2 外圍電機明細表代號元件名稱型號規(guī)格件數(shù)M1冷卻電機PMY-75A-40.370KW 2800r/min1M2排屑電機YS400W-4P0.4KW1M3液壓站電機WRY-H100m/h1M4主軸油冷電機LY-3582X(G)3.5KW1M5貫穿刀具冷卻電機TFO3.7KW1M6液壓站風扇AH-0607-CA110V1M7潤滑泵MMXL220V14 數(shù)控加工中心的電氣設計4.1 380V強電控制回路圖4-1（a） 部分強電回路圖為380V強電控制的一部分電路，從電網輸入的380V/50HZ的電壓作為輸入電壓。EL1為電柜燈，斷路器QF10控制電柜點電路，變壓器TC2可以將380V電壓轉變?yōu)?20V的交流電，給電柜燈供電，使用空氣開關QF11控制電柜燈電路的通斷，當打開電柜時，EL1應該點亮，所以使用了一個行程開關SQ1。斷路器QF1控制總電路的通斷，其額定電流經過計算選用60A。接觸器KM1的常開觸點控制冷卻電機回路?？諝忾_關QF2、QF3、QF4分別用來控制冷卻電機、排屑電機和液壓站電機，并且可以保護其電路的欠壓、過載和短路等。根據(jù)電機的額定功率，計算出空氣開關的額定電流，空氣開關QF2、QF3、QF4的額定電流分別為1.6A、1.3A、3.5A。圖4-1（b） 部分強電回路 圖為加工中心強電控制的另一部分電氣圖，QF5是控制兩相380V電壓回路的斷路器，成為后面變壓的電路。三相變壓器TC1將電網380V三相交流電轉變?yōu)?00V三相交流電為一些電機和照明燈以及電源伺服模塊供電。接觸器KM2的動和觸點控制貫穿刀具冷卻電機的通斷。接觸器KM3的線圈的得失電受電源模塊的控制，當伺服模塊出現(xiàn)故障時，KM3將不會閉合，電源模塊就不會得電，保護了伺服模塊?？諝忾_關QF6、QF7、QF8分別控制主軸油冷電機、貫穿刀具冷卻電機和機床工作燈，并可以保護其電路的欠壓、過載和短路等?？諝忾_關QF9控制和保護為伺服模塊供電的200V三相電壓電路。機床燈EL2是機床工作時的照明設備。4.2 供電電路圖4-2 供電電路 圖為原理圖的供電部分，變壓器原邊接兩相380V交流電壓，副邊分別接兩相110V和220V交流電壓。110V交流電壓為交流控制電路提供電源，即給接觸器線圈和電磁閥供電。液壓站風扇電機也用110V交流電壓。斷路器QF12用來保護110V電路的欠壓、過載和短路等。220V交流電路給潤滑泵供電，潤滑泵一般是靠小功率電機驅動，所以選用220V交流電供電。由于液壓泵的功率不大，所以電路電流也較小，所以可以直接用繼電器觸點控制其通斷，滅弧器RC7用來保護交流繼電器的主觸點，可以防止其主觸點在關斷時，在動、靜的觸點之間產生較為高的電弧，燒壞了其觸點。 24V直流穩(wěn)壓電源的輸入端接在220V交流電路中，加工中心中使用了兩個24V直流穩(wěn)壓電源。第一個直流穩(wěn)壓電源主要為I/O模塊供電，提供24V的直流電壓。斷路器QF14保護電路的欠壓、過載和短路等。第二個直流穩(wěn)壓電源主要為松刀燈和三色報警燈提供24V的直流電壓。第二個直流電路中有一個繼電器KA17。當按下打開電源的開關ON時，回路中繼電器KA17線圈得電，它的一個與開關按鈕ON并聯(lián)的常開觸點閉合，形成自鎖，可以使KA17線圈一直得電，直到按下了關斷按鈕OFF,回路才斷電。繼電器的另一個常開觸點控制24V電壓的通斷。繼電器的第三個常開觸點控制第一個直流電路的24V電路的通斷。邏輯上是當ON按了一下，則兩個直流回路就可以供電。當OFF按下時，則兩個直流回路就斷電了。斷路器QF13用來保護整個220V交流電壓電路的欠壓、過載和短路等。4.3 部分I/O模塊圖4-3 部分I/O模塊接線圖 本設計選用FANUC系統(tǒng)的I/O模塊，I/O模塊由直流電源供電。輸入信號包括液位、壓力、過載、限位等，輸入地址從X0.0編排，具體對應含義如圖所示。由于I/O模塊可以直接輸出低壓電壓，可以直接驅動小功率繼電器。這些繼電器的觸點將會去控制接觸器線圈或者電磁閥的得失電，運用的是弱電控制強電的思想。4.4 交流控制回路圖4-4 交流控制回路圖為部分交流控制回路，由電磁繼電器控制的觸點來接通電磁閥或者接觸器的線圈。圖中的電磁閥YV0、YV1 、YV2、YV3分別是控制松刀、主軸松刀吹氣、4軸制動松開、風冷刀具等閥。繼電器KA5 、KA8的動和觸點分別控制接觸器KM1、KM2線圈。需要自鎖的接觸器，控制它的繼電器在編程時已在程序中設置好了。即控制相應繼電器線圈的I/O模塊的輸出端一直輸出高電平，使繼電器線圈一直得電，而其動和觸點則一直閉合，使其控制的接觸器線圈一直得電，從而實現(xiàn)了自鎖。并聯(lián)在電磁閥和接觸器旁的滅弧器RC，用來保護電磁閥和接觸器線圈，可以防止其在斷電時，產生較高的電弧，起滅弧的作用。4.5 電源模塊圖4-5 電源模塊接線圖電源模塊的作用是為伺服模塊提供直流電。它后面連接有主軸伺服模塊、X/Y軸伺服模塊、Z軸伺服模塊和4軸伺服模塊。電源模塊是通過電抗器RA連接200V三相交流電，還需要通過斷路器QF15連接兩相200V的交流電壓。CX3處連接有接觸器KM3，為了故障保護。結論 這次畢業(yè)設計，我主要圍繞設計的具體要求，完成了機床強電部分的電氣設計，基本能運用于相關的機床上。在工作過程中，我通過查閱相關的資料，學到了許多關于數(shù)控機床的知識，鞏固和提高了以前學習的數(shù)控技術相關的知識。熟悉了加工中心的基本工作原理和工作過程，以及它的一些功能要求。因為要對整個機床的電氣進行控制，所以我也了解了機床的常用電氣元件、各種電機的選型、電氣原理圖的畫法規(guī)則等。但在設計中出現(xiàn)過許多錯誤的地方，在老師的指導下，得以改正。PL700A立式加工中心是高尖技術，控制較為復雜，需要受過專業(yè)培訓的人員操作。國內自主知識產權的數(shù)控技術和國外還存在差距，數(shù)控機床的性能還有待改進?？偨Y與體會 本次畢業(yè)設計，我們是被安排到成都普瑞斯數(shù)控機床有限公司，根據(jù)實際的加工中心進行的一些設計。我們在公司首先實習了兩周，在這段時間中，我們分組先后了解了普瑞斯公司的三個主要部門：電氣控制、加工中心裝配和毛坯加工部門。我初步了解了加工中心的電器柜內的電氣元器件的連接；整個加工中心整體的裝配和調試，以及毛坯零件、機座和電機箱殼等的加工。第三周我們就得到指導老師的具體任務分配，和給我們了一些參考資料。我就開始查找資料和認真閱讀。在網上文庫中看一些相關的論文，在圖書館我先后借了十多本書。通過閱讀這些資料。我了解了數(shù)控技術的原理，數(shù)控機床的相關知識，以及加工中心的工作原理。雖然我負責的是電氣設計，但我也看了PMC編程技術和一些邏輯程序。在查閱資料的同時，我們每周會定時去公司結合實際的機床觀看，并請教實習公司的技術人員，這樣喔就解決許多在看資料時遇到的問題。這樣就充分運用實際的資源解決了問題。前幾周我都會去圖書館閱讀數(shù)控機床相關的書籍，為后續(xù)的工作做好準備。開始一段時間，由于我們是合作分工，共同完成整個加工中心的設計，所以我們對自己的具體任務不是很清楚。后來在指導教師的講解下，我們清楚了目標和任務。帶著我的任務，我就能很有目的性的查找數(shù)控機床電氣設計的資料。于是我就圍繞參考資料，開始對加工中心的電氣進行設計了。加工中心的電機和伺服驅動模塊需要交流供電，它們需要的電壓值不相同，所以需要一些變壓器，進行電壓的變壓。主要使用的交流電壓有三相380V，兩相380V,三相200V，兩相200V等。還有一部分電路需要24V的直流電壓，所以使用了兩個直流穩(wěn)壓電源，為信號燈等提供電能。在多次請教老師和反復修改下，我所做的電氣原理圖完成了。通過這次對加工中心的電氣的設計，我已經較為詳細的了解了數(shù)控機床電氣部分，對以后這方面的設計將會為我提供基礎知識。在查閱資料的過程中，我也收獲了許多以前沒接觸的知識。比如主軸電機、直線電機的原理，一些機床上用到的位置和速度檢測器件及其工作原理?？偠灾?，這次畢業(yè)設計后，我學到了許多有用的知識，提高了自己解決實際問題的能力，充分綜合、運用、鞏固了大學四年所學知識，為以后工作打好了一次良好的基礎。致謝詞這次畢業(yè)設計中我遇到了許多困難和問題，感謝我的指導老師張恕遠耐心地指導和提示。他為我提供了許多參考資料，為我指明查資料和學習的方向。并在每次檢查時，張老師都會仔細而耐心地看我畫的原理圖，指出問題和不足，并為我提供參考的改進方案。另一位公司的王海巖老師，結合實際生產現(xiàn)場，為我講解實際而詳盡的數(shù)控機床電氣控制的例子。她多次給我講解機床工作原理，讓我更加明白了機床的整體構成。我在自己閱讀中遇到的問題，也可以在她那里找到答案。在工廠實習和完成畢業(yè)設計中，同學們也給予我很大的幫助。在此，深切地感謝老師們的無私奉獻和同學們的熱情幫助！【參考文獻】1 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FANUC-0iD 選型與設計. 北京：機械工業(yè)出版社，2013.5 王炳實. 機床電氣控制. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.6 楊克沖. 數(shù)控機床電氣控制. 湖北：華中科技大學出版社，2005.7 王貴成. 數(shù)控機床故障診斷技術. 北京：化學工業(yè)出版社，2005.8 王貴明. 數(shù)控實用技術. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.9 李宏勝. 機床數(shù)控技術及其應用. 北京：高等教育出版社，2001.10 丁數(shù)模. 機械工程學. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.11 李思橋. 數(shù)控機床與應用. 北京：大學出版