数控车床电气控制系统改造

数控车床电气控制系统设计

〖摘要〗

数控机床是典型的机电一体化产品，它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动以及精密机床等方面的技术。数控机床的高精度、高效率决定了发展数控机床是当前中国机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。本设计主要任务是将CA6140型普通车床改造为数控车床。

〖关键词〗

数控 机床改造 电气控制系统 变频器

目录

前 言 ..................................................... 1

一、概述 .................................................... 2 （一） 数控机床改造的意义 ......................................... 2

（二）车床的性能和精度的选择 ...................................... 2 （三） 车床数控改造总体方案 ....................................... 2

二、主轴驱动及控制 ........................................... 3 （一） 主轴驱动系统概述 ........................................... 3 （二） 数控机床对主轴驱动系统的要求 ............................... 3

（三）交流主轴电机的结构与工作特性 ................................ 5

三、伺服驱动系统 ............................................. 6 （一） 概述 ....................................................... 6 （二） 伺服系统的组成 ............................................. 6 （三） 伺服系统的基本要求 ......................................... 7

四 伺服驱动电机 .............................................. 7

五、刀架控制系统 ............................................. 8

（一）刀架电动机工作原理 .......................................... 8

（二）刀架电动机接线方法 ......................................... 10

六、电气图 ..................................................11 （一） 原理图 .................................................... 11 （二） 系统连接框图 .............................................. 12 （三） 电气控制柜布局图 .......................................... 13

（四）变频器接线原理图 ........................................... 14

七、电气元器件的选择 .........................................15

（一）熔断器的选用 ............................................... 15

（二）接触器的选用 ............................................... 16 （三） 热继电器的选用 ............................................ 17 （四） 变频器的选用 .............................................. 17

结束语 ......................................................19 感谢词 ....................................... 错误！未定义书签。

参考文献 ....................................................20

附录：数控机床电气元件明细表 ..................................21

前 言

数控车床改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。

一、概述

（一） 数控机床改造的意义

1、节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。

2、性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

3、提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

（二）车床的性能和精度的选择

并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。鉴于以上原因, 我们选择黄山机床厂生产的CA6140型普通车床为改造对象。

（三） 车床数控改造总体方案

目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，采用伺服电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。

本方案选择下列基本配置和功能：

1、采用KENT-18T 车床数控系统。本系统控制电路采用了高速微处理器，超大规模定制型集成电路芯片，多层印刷电路板，从而极大地提高了系统的可靠性；在控制面板上，将CNC 操作面板与机床操作面板集成为一体，极大地简化了联机。具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。

2、配有伺服电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：Z 为0.01mm ，X 向为0.005mm （要与相应导程的丝杠相配套）。

3、主电机采用变频电机，固定在电机底座上，通过皮带轮、皮带传带给主轴，可使主轴得到由低速到高速的无级变速运动，并可实现正反向旋转。

4、具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。

二、主轴驱动及控制

（一） 主轴驱动系统概述

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。

（二） 数控机床对主轴驱动系统的要求

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：

∙ 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 。主轴调速范围:100至2800r/min。

∙ 具有4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。

∙ 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。

∙ 良好的抗振性和热稳定性。

数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。

（三）交流主轴电机的结构与工作特性

1、结构

交流主轴电动机采用交流感应电动机从结构上分有带换向器和不带换向器两种。

交流主轴电动机一般采用定子铁心上作有轴向孔以利通风等。尾部通轴安装有测速发电机或脉冲编冲器等检测元件。

2、工作特性

主轴电机的特性曲线：交流主轴电机的特性曲线与直流主轴类似，如图2-1所示。在基速以下为恒转矩区域1，而在基速以上为恒功率区域2

图2 1图2-1 主轴电机的特性曲线

三、伺服驱动系统

（一） 概述

伺服系统亦称随动系统, 是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作, 从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。数控机床的进给伺服系统是一机床移动部件的位置和速度为控制量, 接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令, 经过一定的信号转变及电压、功率放大、检测反馈, 最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。

数控机床的进给伺服系统是数控装置和机床运动部件的联系环节, 其性能很大程度上决定了数控机床的性能, 研究与开发性能优良的进给伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。

（二） 伺服系统的组成

数控机床进给伺服系统的分类方法有多种。按控制类型可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按用电类型分为直流伺服系统和交流伺服系统；按反馈比较控制方式可分为脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统以及全数字伺服系统。本系统为半闭环伺服系统。系统原理方框图如图3-1。

图3-1 伺服驱动系统原理方框图

（三） 伺服系统的基本要求

进给伺服系统的高性能在很大程度上决定了数控机床的高效率、高精度。因此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求。

1、精度要高

为了满足数控加工精度的要求, 关键是保证数控机床的定位精度和位移精度。

2、稳定性好

进给系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后, 系统能够恢复到原来的稳定状态下运行, 或者系统在输入的指令信号作用下, 系统能够达到新的稳定状态的能力。

3、快速响应无超调

快速响应性是衡量伺服系统动态性能的一项重要性能指标, 它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削精度和低的加工表面粗糙度, 要求有良好的快速响应特性。

4、调速范围宽

调速范围是指机械装置要求电动机等提供的最高转速和最低转速之比。数控加工过程中, 为保证在任何情况下都能得 最佳切削条件, 就要求伺服系统具有足够宽的调速范围和优异的调速特性。

四 伺服驱动电机

1、伺服电机的工作原理

图4-1为交流伺服电机的工作原理。当定子三相绕组通上交流电后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n s 旋转。由于磁极同性相斥，异性相吸，定子旋转磁极与转子的永磁磁极相互吸引，并带着转子一起旋转，转子也以同步转速n s与旋转磁场一起旋转。

当转子加上负载转矩之后，将造成定子与转子磁场轴线的不重合，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ角，θ角随着负载的增大而增大。在一定的限度

内，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速n s 旋转。转子转速n r 与定子转速相同，且均等于60f/p（f 为电源频率，p 为磁极对数）。

图4-1 伺服电动机的工作原理

2、伺服电动机的选用

本系统的伺服驱动器及伺服电动机选用与系统配套的型号规格，直接从数控系统生产厂家购进。

五、刀架控制系统

（一）刀架电动机工作原理

1、刀架电动机原理图

刀架电动机原理图见图5-1。

图5-1 刀架电动机原理图

2、刀架电动机控制线路原理图 控制线路原理图如图5-2所示。

图5-2 刀架电动机控制线路原理图

3、控制方法

当换刀时，微机在J1脚发出0V 正转信号，同时开始检测相应刀位信号，当刀架到位后，相应刀位线（霍尔元件第3脚）输出0V 信号，微机检测到该信号后，J1脚撤消正转信号，同时J2脚输出反转信号，延时一定时间后，反转信号撤消，换刀程序完成。延时时间由系统设定

（二）刀架电动机接线方法

三相电源：（4芯） 电动刀架：（4芯）

至微机：（15芯）

至电动刀架：（15芯）

六、电气图

（一） 原理图

（二） 系统连接框图

图6-2系统连接框图

（三） 电气控制柜布局图

图6-3电气控制柜布局图

（四）变频器接线原理图

图6-4变频器接线原理图

七、电气元器件的选择

（一）熔断器的选用

熔断器是低压配电网络和电力拖动系统中主要用作短路保护的电器。使用时串联在被保护的电路中，当电路发生短路故障，通过熔断器的电流达到或超过某一规定值时，以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动分断电路，起到保护作用。它具有结构简单、价格便宜、动作可靠、使用维护方便等优点，因此得到广泛应用。 熔断器的选择

1、熔断器的熔体只有正确的选择，才能起到应有的保护作用。.

（1） 熔断器类型的选择 根据使用环境和负载性质选择适合类型的熔断器。在机床控制线路中, 多选用RL1系列螺旋式熔断器。 2、熔体额定电流的选择

（1）对照明电热等电流较平稳无冲击电流的负载短路保护，熔体的额定电流应等于或稍大于负载的额定电流。

（2）对一台不经常启动且启动时间不长的电动机的短路保护，熔体的额定电流IRN 应大于或等于1.5～2.5倍电机额定电流I n, 即 IRN ≥ (1.5~2.5)IN

（3）对多台电动机的短路保护，熔体的额定电流应大于或等于其中最大电动机的额定电流Inmax 的1.5～2.5倍加上其余电动机额定电流的总和 IRN ≥ (1.5~2.5) Inmax+

IN

IN, 即

在电动机的功率较大而实际负载较小时, 熔体额定电流可以适当小些, 小到电动机起动时熔体不熔断为准。

3、熔断器额定电压和额定电流的选择

（1）熔断器的额定电压必须等于或大于线路的额定电压； （2）熔断器的额定电流必须等于或大于所装熔体的额定电流 4、熔断器的分断能力应大于电路中可能出现的最大短路电流

（二）接触器的选用

接触器是一种自动的电磁式开关，适用于远距离频繁的接通或断开交直流主电路及大容量控制电路。其主要控制对象是电动机，也可用于控制其他负载，如电热设备，电焊机以及电容器组等。它不仅能实现远距离自动操作和欠电压释放保护功能，而且具有控制容量大、工作可靠、操作频率高、使用寿命长等优点，因而在电力拖动系统中得到了广泛的应用。

接触器按主触头通过的电流种类，分为交流接触器和直流接触器两种。 1、交流接触器

（1） 交流接触器的工作原理

当接触器的线圈通电后，线圈中流过的电流产生磁场，使铁芯产生足够大的吸力，克服反作用弹簧的反作用力，将衔铁吸合，通过传动机构带动三对主触头和辅助常开触头闭合，辅助常开触头断开。当接触器线圈断电或电压显著下降时，由于电磁吸力消失或过小，衔铁在反作用弹簧力的作用下复位，带动各触头恢复到原始状态。

（2） 交流接触器的选择

1） 选择接触器主触头的额定电压 接触器主触头的额定电压应大于或等于控制线路的额定电压

2） 选择接触器主触头的额定电流 接触器控制电阻性负载时，主触头的额定电流应等于负载的额定电流。控制电动机时，主触头的额定电流应大于或稍大于电动机的额定电流

3） 选择接触器及引线圈的电压 当控制线路简单，使用电器较小时，为节省变压器，可直接选用380V 或220V 的电压。当线路复杂，使用电器超过5个时，从人身和设备安全角度考虑，吸引线圈电压要选择低一些，可用360V 或110V 电压的线圈

4） 选择接触器的触头数量及类型 接触器的触头数量类型应满足控制线路的要求

2、直流接触器

直流接触器是用于远距离接通和分断直流电路及频繁地操作和控制直流电动机的一种自动控制电器。其结构及工作原理与交流接触器基本相同。直流接触

器的选择方法与交流接触器相同。但必须指出的是，选择接触器时，应首先选择接触器的类型，即根据所控制的电动机或负载电流类型来选择接触器的类型。如果控制系统中主要是交流负载，而直流负载容量较小时，也可用交流接触器控制直流负载，但交流接触器的额定电流应适当选大一些。 （三） 热继电器的选用

热继电器是利用流过继电器的电流所产生的热效应而反时限动作的继电器。所谓反时限动作，是指电器的延时动作时间随通过电路电流的增加而缩短。热继电器主要用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡运行的保护及其他电气设备发热状态的控制。

选择热继电器主要根据所保护电动机的额定电流来确定热继电器的规格和热元件的电流等级

1、根据电动机的额定电流选择热继电器的规格。一般应使热继电器的额定电流略大于电动机的额定电流

2、根据需要的整定电流值来选择热元件的编号和电流等级。一般情况下，热元件的整定电流为电动机额定电流的 0.95～1.05倍。但如果电动机拖动的是冲击性负载或启动时间较长及拖动的设备不允许停电的场合，热继电器的整定电流值可取电动机额定电流的1.1～1.5倍。如果电动机的过载能力较差，热继电器的整定电流可取电动机额定电流的0.6～0.8倍。同时整定电流应留有一定的上下限调整范围。

3、根据电动机定子绕组的选择方式选择热继电器的结构形式，即定子绕组作Y 形连接的电动机选用普通三相结构的热继电器，而作

形连接的电动机应

选用三相结构带断相保护装置的热继电器。根据以上所述主要电气元件的选择原则，车床改造所用电气元件的型号规格见附录。 （四） 变频器的选用

1、变频器选用

（1）类型选择 根据控制功能将通用变频器分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f

控制变频器和矢量控制高性

能型变频器。本设计变频器采用富士FRN7.5G11S-4CX 普通功能型U/f控制变频器。

（2）变频器容量的计算 大惯性负载启动时变频器容量计算

式中：

η——电动机的效率，约0.85

K——电流波形的修正系数，PWM 方式取1.05～1.10 PM ——负载所要求的电机轴输出功率，kW K1——容量补偿系数，取1.1～1.2 PCN ——所需变频器容量。kV ·A

主轴电机型号为VFNC132-33.3-7.5-4V ， 根据式( 1) 计算可得 变 频 器 容 量 为7.5kV·A 。

（2）热继电器的配置与选用 由于变频器具有过流、过热等多种保护功能，故不设置热继电器。

（3）电源侧交流进线电抗器的选用 进线电抗器主要用来减小电网与变频器之间的高次谐波与浪涌电压、浪涌电流的相互影响， 抑制谐波电流，改善功率因数。本设计选用深谷SGEG4-20A3变频器专用滤波器。

（4）制动单元的选用 当电机处于反接制动或再生制动状态时，变频器内直流电路的储能电容二端的电压将升高。为了避免电压过高而使直流过压保护动作，为此必须将这部分能量通过增设制动单元及制动电阻释放。本设计选用富士变频器FRN7.5G11S-4CX 配套制动单元。

结束语

经过两个月的忙碌，我的毕业设计课题终于告一段落，但由于能力和时间的关系，还有很多不尽人意的地方，譬如功能不全、外观粗糙等等。可是，我又安慰自己：做一件事情，不必过于在乎最终的结果，可贵的是过程中的收获。这次毕业设计的经历也会使我终身受益，我感受到做毕业设计是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习过程和研究过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破。希望这次毕业设计的经历能让我在以后的工作中激励我继续进步。

参考文献

1 丁景江主编. 《数控机床电气检修》 北京：中国劳动社会保障出版社，2007 2 李敬梅主编. 《电力拖动控制线路与技能训练（第三版）》 中国劳动社会保障出版社, 2001

3 焦振学主编. 《机床电气控制技术》 北京：北京理工大学出版社，1992 4 王炳实编. 《机床电气控制》 北京：机械工业出版社，1999 5 孙志永主编. 《数控与电控技术》 北京：机械工业出版社，2002

6 邵俊鹏，董玉红. 《机床数控技术》 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996 7 张宝林主编. 《数控技术》 北京：机械工业出版社，1997

8 张柱银主编. 《数控原理与数控机床》 北京：化学工业出版社 2007 9 夏凤梅主编. 《数控机床》 北京：高等教育出版社 2004 10 文怀兴主编. 《数控机床系统》 北京：工业出版社 2005 11 品牌深谷型号SGEG4-20A3的变频器专用滤波器的说明书 12 富士变频器FRN7.5G11S-4CX 的说明书

附录：数控机床电气元件明细表