论文数控机床电气设计姓 名： 专 业： 指 导 老 师： 年级（春、秋）层次： 学习中心 、 函授站： 二00七 年 十一 月 十五 日数控机床电气设计摘 要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，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。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。FBs系列PLC的NC定位功能较其它PLC更精准，且程序的设计和调试相当方便。本文提出的是如何应用PLC的NC定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。 关键词： 数控机床、 电气控制系统、 控制软件总体结构设计、 机电一体化、机电传动、 电子技术、 传感器技术、数控加工、 CAD/CAM技术、 电力电子技术、 机械设计原理、 电气控制系统、 单片机、PLC;目 录第一章绪论31.1课题的来源31.2目的和意义31.3机电一体化系统的简介31.3.1机电传动概述41.3.2数控加工的概述41.3.3数控加工的设备51.4国内外动态71.4.1国内研究的状况71.4.2国外研究的状况81.5机电一体化技术的发展与展望9第二章系统的总体设计.102.1机械部分102.2电气控制系统方案11注：附图（共七张；元器件清单1份）第一章 绪论本绪论主要是从本课题的来源、目的、意义、应解决的主要问题及应达到的技术要求来介绍数控机床型，并且叙述了国内外发展概况以及存在的问题。最后简述了本设计的指导思想。1.1课题的来源随着各种学科的交叉发展，原来的纯机械加工已经发展为机电一体化的加工机床，现在随着各种控制技术的日趋完善，机电一体化的加工系统数控机床已经毫无 疑问成为了工业生产的主力装备。一方面，调查表明，我国要成为“世界工厂”，需要培训和造就数十万数控技术应用领域的操作人员、编程人员和维修人员，另一 方面，来自机电一体化专业在实践方面对于专门的教学用的仪器设备的需求，是本课题产生的主要的原因。1.2目的和意义本方案用于实验所需的数控机床。主要用于学校、工厂、以及科研所用，可用于数控机床，数控编程，数控原理实验与培训。本课题是要求在指导的情况下通过查阅相关的内容的资料并进行总体方案的设计（包括机械总体结构，电气控制系统总体结构和控制软件总体结构设计）进而最终完成适合实验使用的数控机床。该机床能实现单轴定位及两轴联动联动，从而可以完成对塑料制品的铣、铰等基本的切削运动，并能加工形状简单的零件。1.3机电一体化系统的简介机电一体化技术的基本概念是指将机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术。机电一体化系统主要有五个组成部分:动力、机构、执行器、计算机和传感器,组成一个功能完善的柔性自动化系统,其中计算机、传感器和计算机软件是机电一体化技术的重要组成要素。机电一体化系统具有结构简单、功能多、效率高、精度高、能耗低的特点,与传统的机械产品比较,机电一体化产品至少有以下三个优点。(1)原有的机构产品中增加信息处理装置及相应软件,来替代原有产品的部分机械控制机构,不仅提高了自动化程度,而且能大大提高产品质量,同时也降低了生产成本,提高经济效益。(2)以机电一体化技术为主的新型产品,与原机械产品相比,不仅结构简单,而且功能更加丰富,精度也得到提高。(3)将电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来,形成综合性优势,可开发出具有多种功能、智能化的高新技术产品。1.3.1机电传动概述机电传动就是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。它的目的就是电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度控制，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。机电传动控制系统发展愈来愈高。现在机电传动机控制系统由微型操纵杆，敏感元件，计算机，伺服机构和执行机构等部分组成。当操纵它时，电传系统立刻将机械动作转变为电信号，经计算机计算放大后，通过电机使执行机构动作。电传操纵系统的优点是结构比较简单，体积和重量小，易于安装和维修、操纵灵敏度高，无滞后现象。由于可以敷设多条电缆，“生存力”大大增强。但就机电传动而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电机拖动和多电机拖动三阶段。控制期间经过了四阶段：1.接触器与继电器;2.电机放大机控制;3.磁放大器，大功率可控水银整流器;4.计算机数字控制CNC。就本次设计而言,系统的驱动部分采用了步进电机驱动，控制部分采用比较先进的微机与PLC控制。1.3.2数控加工的概述数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也发生了明显的变化。以下是数控加工的特殊之处：1.工序集中：数控机床一般带有可以自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序控制自动进行，因此，工序比较集中。工序集中带来巨大的经济效益：a)减少机床占地面积，节约厂房。b)减少或没有中间环节（如半成品的中间检测、暂存搬运等），既省时间又省人力。2.加工自动化：数控机床加工时，不需人工控制刀具，自动化程度高。带来的好处很明显:a).对操作工人的要求降低：一个普通机床的高级工，不是短时间内可以培养的，而一个不需编程的数控加工操作工人培养时间极短（如数控车工需要一周即可，还会编写简单的加工程序）。并且，数控工在数控机床上加工出的零件比普通工在传统机床上加工的零件精度要高、时间要省。b).降低了工人的劳动强度：数控工人在加工过程中，大部分时间被排斥在加工过程之外，非常省力。c).产品质量稳定：数控机床的加工自动化，免除了普通机床上工人操作时所产生的疲劳、粗心、估计等人为误差，提高了产品的一致性。d).加工效率高：数控机床的自动换刀等使加工过程紧凑，提高了劳动生产率。3.柔性化程度高；传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专机，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，很难适应市场经济下的激烈竞争带来的产品频繁改型。只要改变程序，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，因此数控机床能很好适应市场竞争。4.加工能力强：数控机床能精确加工各种轮廓，而有些轮廓在普通机床上无法加工。数控机床特别适合以下场合：a).不许报废的零件。b).新产品研制。c).急需件的加工。 1.3.3数控加工的设备数控加工所使用的主要设备-数控机床是信息技术与机械制造技术相结合的产物，代表了现代基础机械的技术水平与发展趋势。数控机床具有以下明显特点：1）.适合于复杂异形零件的加工。2）.实现计算机控制，排除人为误差。3）.通过计算机软件可以实现精度补偿和优化控制。4）.加工中心、车削中心、磨削中心、电加工中心等带有刀具库并具有换刀功能，从而减少了人工装夹的次数，提高了加工精度。5）.数控机床使机械加工设备增加了柔性化的特点。柔性加工不仅适合于多品种、中小批量生产也适合于大批量生产，且能交替完成两种或更多种不同零件的加工，增加了自动变换工件的功能，可实现夜间无人看管的操作。由几台数控机床（加工中心）组成的柔性制造系统（FMS）具有更高柔性的自动化制造系统，包括 加工、装配和检验等环节。数控机床可划分为三个层次：1）.高档型数控机床：是指可以进行复杂形状的加工，具有多轴控制或工序集中、自动化程度高、高度柔性的数控机床。2）.普及型数控机床：具有人机对话功能，应用较广，价格适中，通常称之为全功能数控机床。3).经济型数控机床：结构简单，精度中等，但价格便宜，仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件。选用数控机床需遵循的原则是：1）.实用性：是指明确数控机床来解决生产中的哪一个或哪几个问题。2）. 经济性：是指所选用的数控机床在满足加工要求的条件下，所支付的代价是最经济的或者是较为合理的。3）.可操作性：用户选用的数控机床要与本企业的操作和维修水平相适应。4).稳定可靠性：是指机床本身的质量，选择名牌产品能保证数控机床工作时的稳定和可靠。PLC（可编程逻辑控制器）发展的现状及发展的趋势PLC发展到现在共经历了四代。现在的PLC采用16位以上的微处理器作为CPU外，内存容量更大，还可以将堕胎PLC连接起来，实现资源共享;还可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；变成语言除了可使用传统的梯形图、流程图等还可以使用高级语言；外设多样化，可以配置CRT和打印机等。目前国内外用于这方面控制系统的PLC主要是由几大主要生产商提供的。即：Siemens(GER),GE(U.S),Rockwell(U.S),Mitsubishi(Jap),Omron(Jap)这几家主要的PLC供应商占据了PLC市场的75%80%。现在的主要的PLC的厂商都集中在日本和美国等发达国家，国内生产和制造PLC的工艺技术都还落后于这些国家。其发展的趋势是：1、人机界面更加友好PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC网络IPCCRT的模式被广泛应用。2、网络通讯能力大大加强PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。3、开放性和互操作性大大发展PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识。4、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）DCS（过程控制）的模式变成PLCIPC模式。5、工业以太网的发展对PLC有重要影响，以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于:1）.硬件上如合适应工业恶劣环境；2）.通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。从PLC的发展趋势来看，PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。在未来的工业生产中，PLC技术、机器人技术、