电气控制论文基于PLC的数控铣床电气控制系统设计.docx

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1、电气控制论文：基于PLC的数控铣床电气控制系统设计摘要数控机床是制造业的核心，数控系统是数控机床的核心，数控系统的性能保证是数控机床的电气控制系统。可以说，数控机床电气控制系统的质量决定了控制系统的性能。广义而言，数控机床电气控制系统包括数控系统。本文提到的系统是控制机床实现高速、高精度、可靠的加工，因此电子控制系统的性能是非常重要的。本文主要分析了电气控制系统总方案设计，分析了主要设备的电气控制系统设计等。关键词：PLC；电气控制；数控机床；目录摘要 I引言 1一、电气控制系统总方案设计 1（一）总体设计方案 1（二）运动控制器模块的主要功能 1（三）数控机床的伺服控制系统的主要功能 2（四

2、PLC在电气控制系统内的功能 3二、主要设备的电气控制系统设计 3（一）主轴电机的电气控制系统设计 3（二）进给轴电气控制设计 4（三）PLC模块的设计 41.PLC的总体外部接线设计 42.润滑与冷却控制系统设计 53.照明与信号灯系统设计 8（四）系统开关和紧急停止系统 10三、结论 11参考文献 11引言数控机床的电气控制方式决定了控制系统的性能，机床本质上是机电能量转换装置，其功能是将电能转化为加工技术所需的机械能。因此，电能的分配和管理是机床的能源保证，其功能与人的心脏相似。同时，本文最创新的一点是讨论自动工具设置功能。以往数控机床的设置费时费力，无法保证其精度。借助自动工具设置系

3、统，可以方便快捷地完成工具设置任务。减少员工工作量，提高工作效率和产品精度。一、电气控制系统总方案设计（一）总体设计方案数控机床电气控制总体方案的选择如图1所示。采用ARM9+a C/O S-II作为数控、CNC的主要控制系统，采用DSP+FPGA作为运动控制器和伺服驱动器的核心，采用PLC作为电气辅助系统的控制核心。图1辅助电气控制系统的方案图（二）运动控制器模块的主要功能运动控制器系统框图如图2所示，其功能是接收信息处理后的插值和控制信号，如主控制器的解码和编译程序，进行速度处理和线性和圆弧插值操作，并通过与位置和速度的比较，向伺服系统的各种伺服系统产生插值方向和脉冲的反馈信号。图2运动控

4、制器系统框图微处理器模块：根据主控制器解码的函数编号等信息，进行线性加减速控制和精细插补计算；电弧编码器解码模块：对接收到的编码器信号进行解码，并将解码结构传送到计数器进行计数处理，获取电机位置信息。脉冲输出模块：根据微处理器的插补计算结果，产生插补脉冲和方向，发送给伺服系统，控制电机的转动。通信模块：通过MAX3490总线与主控制器进行全双工通信，接收上位机解码的功能号等控制信息，并向主控制器发送相对坐标和绝对坐标信息。扩展I/O模块：预留I/O口，便于与润滑装置，液压系统，限位开关等VO设备等辅助设备连接。（三）数控机床的伺服控制系统的主要功能伺服系统是指以机械位置或角度为控制对象的自动控

5、制系统。在数控机床中，伺服系统主要是指由各坐标轴驱动的位置控制系统。伺服系统接收数控设备的馈电脉冲(运动控制器主要基于DSP)的FPGA系统架构来完成，并驱动各个处理坐标轴按照转换放大后的命令脉冲移动。其中一些轴驱动工作台，一些驱动刀架。通过多个坐标轴的综合链接，刀具可以产生相对于工件的各种复杂的机械运动，加工所需的复杂形状工件。本系统采用的伺服系统为三相交流永磁同步伺服系统，旨在改变交流伺服电机的工频，达到调节电机转速的目的。它有以下优点：1)精度高即输出量能复现输入量的精确程度好。2)稳定性好即抗干扰能力强。3)快速响应即动态性能好，跟踪精度高。4)调速范围宽5)低速大扭矩图3三相永磁同步

6、伺服电动机磁场定向矢量控制系统结构图（四）PLC在电气控制系统内的功能PLC（可编程逻辑控制器）通常用于设备的自动控制，它采用PLC代替继电器控制电路来实现数控机床的功能控制。这清楚地反映在其功能控制的高度灵活性：CNC的配置轴在允许范围内。控制信号的变化，进给轴的激活控制，机床操作面板信号的控制，辅助信号的控制和I/O接口开关的控制等。只要改变PLC编程，相应的配置就会立即生效，这也使得相同的数控系统灵活地应用于不同配置的数控机床。数控机床采用PLC，主要用于机床外围的辅助电气控制。它被称为可编程机床控制器或PMC（可编程机床控制器）（1）机床辅助设备的控制（包括冷却系统、润滑系统、照明系统

7、换刀系统、自动刀具设置、控制面板等）由PLC完成。（2）外围电路（强电路）不能直接与PLC连接，必须通过中间继电器电路转换外围电路和PLC；（3）进入PLC的必须转换为微弱信号，用于控制外围电路的必须转换为强信号。二、主要设备的电气控制系统设计（一）主轴电机的电气控制系统设计主轴的控制要求包括：主轴转速稳定，加速减速响应快，低速时扭矩大，过载能力强等。机床主轴通常用于为机床的加工提供动力。数控机床是lokson650立式铣床，所以主轴带动切削工件旋转。主轴驱动器采用以川变频器为核心的闭环矢量控制方式，采用增量式光电编码器作为主轴测速仪的反馈。变频器与系统通讯采用RS485总线。（二）进给轴电

8、气控制设计这种类型的数控机床是半轨机床，即X轴和Y轴采用轨道，而Z轴采用硬轨。进给轴与机械体使用线轨接触面小，摩擦力和阻力小，负载能力轻。通常用于五金配件，汽车零部件等产品的轻载切削加工。采用硬轨方式的进给轴表面厚，摩擦大，阻力大，承载能力强，可用于重型切削，一般用于加工模具产品。乐森650机床是介于两者之间的产品，主要用于加工五金，汽车零部件，小型模具等产品。因此，切削要求分为：进给轴要求和主轴要求。以下是要求：（1）精度要求:重复定位精度是0.005mm;定位精度是0.001mm;（2）快速要求:加减速好，三轴联动比较顺畅，跟随性好，平均每秒加工进度为20cm/min，最快能达到1 m/m

9、in;（3）稳定性的要求:振动小，抗干扰能力强等。对X,Y,Z进给轴的控制是整个电气控制系统里面最有难度的部分。我们选用了安川伺服电动机(属于三相永磁同步电机，型号为S GMGD-20ACA51)和华南理工大学研发的伺服驱动器(型号为SGMD-20ADA)。由于X,Y伺服轴的要求一样，故X,Y轴的伺服电机相同，其主要参数为:额定功率1.8KW,额定电流:3 A,额定扭力500牛/米，额定电压三相220V,额定转速为1500RPM，最高转速为3000RPM。对应的伺服电机驱动器的参数为:额定电压三相220V,额定功率2KW,额定电流2A,额定频率为50HZ。而Z轴是硬性导轨，其阻力大，负载能力强

10、故他的参数与X,Y轴伺服电机不尽相同。额定功率为:2.9KW,额定电流为SA,额定扭力为1000牛/米，额定转速为1500RPM，最大转速为3000RPM，并且具有带抱闸的功能。其对应的驱动器也与X,Y轴伺服电机不同。型号为SGMD-30ADA,额定功率为3KW,额定电流为SA,额定电压为三相220V,额定频率为50HZ。（三）PLC模块的设计1.PLC的总体外部接线设计系统辅助电气控制系统的润滑系统有两个输入和两个报警输出。冷却系统还有两个输入和两个报警输出；自动工具设置有六个输入和六个报警输出；照明和信号灯系统有一个输入和四个输出；换刀系统有5个输入和5个输出，因此在选择PLC时，考虑到

11、剩余的三分之一裕度，我们采用了汇川HCZU-2415MRPLC。它有24项投入和15项产出。扫描频率高达1000Hz，完全可以满足要求。PLC的外部接线图为:图4PLC的外部接线图2.润滑与冷却控制系统设计由于系统的润滑和冷却电气控制的原理和设计方案非常相似，因此将在本节中讨论。机床润滑冷却系统的设计，调试和维护，对提高机床加工精度，延长机床使用寿命具有重要作用。然而，润滑和冷却系统的电气控制仍存在一些问题：首先，监测润滑和冷却系统的工作状态；其次，润滑和冷却系统的单周期和供应时间容易造成浪费。针对以上两种情况，在数控机床电气控制系统中，应改进润滑和冷却系统，随时监测润滑和冷却系统的工作状态，

12、以确保机床良好的润滑和冷却。机床的机械部件，并根据机床的工作条件，冷却油量和循环时间调整供油量，以节省润滑油和冷却油。润滑冷却系统电气控制原理分为电机控制和PLC控制两部分。电机控制原理图如下：图5冷却泵电机电气控制图图6润滑电机电气控制图如图6所示，.有润滑和冷却自动控制流程图。当系统准备好后，CNC发出信号启动润滑系统。第一次润滑15s后，电机停止工作。图7润滑冷却自动控制流程图压力开关开启时，定时启动25分钟。定时后，关闭压力开关。润滑冷却电机在这里工作15秒和循环。同时设定X7为润滑电机过载，设定X10为冷却电机过载，设定X9为润滑油不足，设定X11为冷却液不足的切换信号。当这些信号有

13、效时，系统将发出报警信号。数控机床润滑冷却系统的PLC控制如图8所示。PLC的工作过程可以描述如下：首先，通过两个时间继电器T的配合来实现润滑和冷却的间隙工作；然后，利用PLC的准备信号，将专用继电器M8001设置为1，开始第一次润滑和冷却。第一次润滑冷却后，当压力开关关闭时，中间继电器M1开始工作，使润滑系统再次工作。在15s后，时间继电器T2为1。当压力开关关闭时，中间继电器T3为1，M1停止工作。延时25分钟后，再次运行。这样就完成了润滑系统的周期性动作。然后通过X7，X8，X10和X11实现润滑和冷却系统的报警和手动控制。图8润滑冷却系统的PLC程序图3.照明与信号灯系统设计这台数控机床要求在机器启动时立即打开照明系统。且控制柜内照明系统在控制柜开闭时开启，电气柜门关闭时开启。当系统启动（表示系统准备就绪）时，信号指示灯主要为黄色；当系统处于紧急停止或报警状态时，信号指示灯为红色；当系统运行正常时，信号指示灯为绿色。