南湖学院
题 目： 加工中心主轴箱调速控制系统设计
学生姓名：
系 别： 机械与电子工程系
专 业： 机械电子工程
指导老师：
2015 年 4 月 15 日
一、国内外对本课题研究动态,选题的依据和意义:
(一)国内外对本课体研究动态
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。
(二)依据和意义
对于制造车间有一般加工车间、数控车间和CNC车间，而80%的夹具产品都需要在CNC车间加工完成，采用PLC的多轴控制系统，能大大提高其装夹效率，实现1:2，甚至1:3的人机比例，既节约了人力成本，又提高了效率；同时，随着装夹时间的减少，大大缩短了加工单个零件的时间，进而提高产量。这些都会在很大程度上降低公司的生产成本，对提高公司产品的竞争力有极为重要的作用。从大的方面来说数控机床的多轴加工系统涉及现代工业的各个方面，只要做出很小的改进在社会范围内就会取得巨大效益。
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控 技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产 业，航空、航天等国防工业产业）的实用技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类 生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变 市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为 国家的战略设备，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。所以国内普通制造厂的生产设备 基本上还停留在三轴的加工中心。所以对四轴加工中心主轴伺服系统的研究是非常有意义的。
二、研究的基本内容,拟解决的主要问题:
研究的基本内容
通过PLC控制主轴旋转，与CNC实现信息互换，以实现与其他三轴的协同工作，进而减少工人装夹的次数，避免了由于装夹次数过多，导致装夹不紧或者出现变形，定位不准等错误情况出现的几率，降低了产品的不良品率，减少了工人的工作负担。主轴控制系统最重要的是实现CNC与PLC的信息交换，公司采用的是日本brother TC-S2CZ加工中心,该加工中心采用的是改进版的FANUC-Oi MD系统，其基本功能与原系统一致，因此我们采用原系统中就有的B功能和PMC轴控制来设计第主轴。项目设计完成后要在现场调试，并根据现场情况对设计方案做出改进。
研究难点及预期目标
难点：建立主轴控制的基本模型
预期目标：定制一个数控加工中心的主轴调速控制系统，采用二级分段连续调速方案，要求采用PLC控制器，通过触摸屏上的相关操作按键实现主轴的启动、停止、正反转、加减速和定位控制。
三、研究的步骤、方法、措施及进度安排
研究的内容
定制一个数控加工中心的主轴调速控制系统，采用二级分段连续调速方案，要求采用PLC控制器，通过触摸屏上的相关操作按键实现主轴的启动、停止、正反转、加减速和定位控制。
研究的方法
了解数控加工中心主轴电机调速控制的工作原理，深入、详细了解和分析主轴控制的基本参数和要求，探讨变频器，编码器，主轴电机、卡盘的选型及电气连接，提出总体设计方案。
建立主轴控制的基本模型，理解其基本逻辑控制规律。确定整个系统的输入、输出设备的数量，从而确定PLC的I/O点数，包括开关量I/O点数、模拟量I/O点数，以及特殊功能模块等。掌握触摸屏、变频器与PLC间的数据传递、通信过程及实现方法，确定PLC驱动电机正、反转控制方案，确定安全保护和防护措施，进行方案论证并完成控制系统设计。
进度安排
①2014.11.10～2014.11.30：下达设计任务书，学生根据设计任务书的要求，利用文献检索平台获取《数控加工中心主轴电机调速控制》各组成部分的相关资料，进行系统方案设计及论证。包括确定I/O数，光电编码器选型，电动机及变频器的选型。触摸屏的选型及人机接口界面设计，探讨《数控加工中心主轴电机调速控制》设计实现的物理技术方法。
②2014.12.1～2014.12.20：：根据所选PLC型号检索PLC应用系统设计的有关软硬件资料；安装并熟悉相关开发软件，熟练掌握梯形图的使用及编程方法，了解PLC组态软件实现触摸屏与PLC通信的使用方法，熟悉PLC应用程序模拟调试方法，具备PLC应用系统设计的能力和模拟调试能力。
③2014.12.21～2015.1.10：根据对《数控加工中心主轴电机调速控制》各组成部分的深入研究，按照机械工程学院毕业设计开题报告的格式要求，完成并提交毕业设计开题报告。
④2015.1.11～2015.2.11：选择电气传动形式和电动机、电磁执行机构；选择用户输入设备（触摸屏、按钮、操作开关、限位开关、传感器等），输出设备（继电器、接触器、信号指示灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），选定PLC的型号及扩展模块，设计变频器、触摸屏与PLC的连接接口；编制PLC的输入输出分配表或绘制输入/输出端子接线图。
⑤2015.2.12～2015.3.10：设计应用系统梯形图程序，根据工作功能模块图或状态流程图等设计出梯形图，对系统顶层软件进行设计。基于组态软件进行人机界面设计。并提交中期检查表。
⑥2015.3.11～2015.3.30：在PLC开发平台上进行系统仿真，完成系统设计。
⑦2015.4.1～2015.4.10：归纳整理设计调试结果，整理软、硬件设计文档资料，总结PLC应用系统设计的一般方法和步骤，为今后从事类似的设计提供参考依据和积累经验。同时完成毕业论文的撰写完成毕业设计初稿，并提交毕业答辩审批表。
⑧2015年4月11日-5月20日：毕业设计送审、修改、定稿。
四、主要参考文献
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