齐 齐 哈 尔 工 程 学 院
毕业设计 (论文)
题 目 数控立式车床主轴控制装置设计
专 业 电气自动化技术
专业班级 自动化092
学生姓名 杨烁
指导教师 刘 烨
成 绩
2012年 02 月 14 日
齐齐哈尔工程学院（论文）
摘 要
随着科学的发展，机床已经从过去的手动机床发展成自动机床，现在数控机床应用非常广泛。数控立式车床是主要的数控产品，国内外需求量也非常大。其高精度的关键部分就体现在主轴的控制上。本设计是用德国SIEMENS公司的可编程控制器（PLC）S7-200，作为主控制器；德国SIEMENS公司的6RA7075直流调速器、 Z4直流电机组成的直流调速装置，采用直流调速实现高效、准确的机床主轴控制，并给出了电气原理图 以及操作说明。本设计控制简单，实现功能强大，调速范围宽，力矩大，过载能力强。可以应用于重型立式车床，提高重型立车主轴的控制精度，进而保证其加工精度。
关键词： 数控立车；直流调速装置；可编程控制器
Ⅰ
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Abstract
With the development of science, machine tools, manual machine tools have been developed from the past into the automatic machine tools, CNC machine tools are now widely used. CNC vertical lathe CNC products are the major domestic and foreign demand is also very large. A key part of its precision is reflected in the control of the spindle.This design is the German company SIEMENS PLC S7-200, as the main controller; German company SIEMENS 6RA7075 DC converter, Z4 DC motor comprising DC converter, DC speed control for efficient and accurate machine tools of various spindle control, and gives the electrical diagrams and instructions. The design of simple control, to achieve powerful, wide speed range, torque, strong overload capacity. Can be applied to heavy-duty vertical lathes, heavy duty vertical lathe spindle to improve the control precision, and thus guarantee its accuracy.
Keywords: CNC Vertical Lathe; DC converter; Programmable Controller
Ⅱ
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目录
摘 要 ............................................................................ Ⅰ Abstract .......................................................................... Ⅱ
第一章 绪论 ................................................................................................................................................ 3
1 课题背景 .......................................................................................................................................... 3 2数控立车主轴控制装置的发展现状.......................................................................................... 2 3 课题研究的主要内容 .................................................................................................................... 3 第二章 数控立车主轴控制装置硬件设计.......................................................................................... 3
2.1 方案选择 ...................................................................................................................................... 3
1 方案二 交流调速................................................................................................................... 5 2 方案二 直流调速................................................................................................................... 4 2.2 方案选择 ...................................................................................................................................... 5 2.3 可编程序控制器接口设计 ...................................................................................................... 5
1 可编程控制器的选择 ............................................................................................................ 5 2 可编程控制器接口电路的设计及其功能 ....................................................................... 6 2.4 数控立车主轴速度控制装置设计 ........................................................................................ 8
1 主轴电机的选择 ..................................................................................................................... 8 2 数控立车主轴控制装置设计 .............................................................................................. 9 2.5速度环.......................................................................................................................................... 12 2.6急停按钮的设计 ....................................................................................................................... 13 2.7 直流调速装置的参数设定 .................................................................................................... 14
1 简易操作控制面板（PUM） .............................................................................................. 14 2 舒适性操作控制面板（OP1S）........................................................................................ 15
第三章数控立车主轴控制软件设计 ................................................................................................... 18
1 程序流程图 .................................................................................................................................... 18 2 程序 ................................................................................................................................................. 59 第四章主轴操作说明 .............................................................................................................................. 21
1 主轴启动前准备工作 .................................................................................................................. 21
13
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2 主轴操作说明 ............................................................................................................................... 21 3 元器件目录 .................................................................................................................................... 23 结论 .............................................................................................................................................................. 24 参考文献 ..................................................................................................................................................... 25 致谢 .............................................................................................................................................................. 26
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第一章 绪论
1 课题背景
数控技术被广泛用于世界各国制造业，以提高制造能力和生产水平，提高对动态多变市场的竞争力和适应力。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控立车是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴控制是数控立车构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。
机床主轴控制从手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统，从有触点的继电－接触器控制系统发展到以计算机为核心的软件控制系统，机床主轴控制技术是随着元器件的不断更新和计算机技术的发展，并且综合应用了计算机、自动控制、电子技术、精密测量等先进科技成果而迅速发展起来的。
2数控立车主轴控制装置的发展现状
数控机床的主轴控制装置主要是由控制系统和调速装置这两大部分组成。数控机床是制造装备的装备，被称为“工作母机”；数控系统是数控机床的“大脑”，是数控机床的核心,机床的各种功能都由数控系统来控制实现。
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了本质性的变革，所有工业发达国家都投入巨资，对现代制造技术进行研究、开发，并提出了新的制造模式。在现代制造系统中，关键技术是数控技术，它将计算机、微电子、自动检测、信息处理、自动控制等高新技术集成于一体，具有高效率、高精度、柔性自动化等特点。对制造业实现柔性自动化、智能化、集成化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生重大性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超小型化、超薄型；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、神经网络、模糊控制等多学科技术，数控系统实
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现了高精、高效、高速控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理[1]。
近几年来，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，为交流调速技术的发展创造了有利条件,使交流电动机调速和控制提高到了一个新的水平。并且国内外都十分重视开发研究交流电动机的调速技术。大功率交流传动控制方面的研究，得到突飞猛进的发展。近来来，国际上又推出谐振式逆变器，使开关元件在零电流或零电压时导通或者关断，降低开头损耗，减小回路体积。这种电源最大已达到100KW。
由于直流调速具有优越性的可控性能,及高性能调速特性,因此其广泛地应用于机床主轴，尤其在大型、重型机床主轴的拖动。直流调速具有调速平滑,方便,易于在大范围内平滑调速,过载能力大,能受频繁的冲击负载,可实现频繁无级快速起制动和反转。能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。所以,直流调速系统至今仍被广泛用于自动控制要求较高的各种生产部门,是调速系统的主要形式[2]。
3 课题研究的主要内容
本课题要求设计数控立车主轴控制装置，来实现主轴速度的精确控制。主轴控制设有手动和自动（程序实现）两种控制方式。手动操作设有主轴正反转的启动、停止、点动、长动。并设有急停按钮。主轴的转速控制，采用直流调速装置与PLC相配合。在600—3000r/min范围内连续可调。绘出了控制电源原理图，调速装置连接原理图，可编程控制器接口原理图，操作面板接线图等。
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第二章 数控立车主轴控制装置硬件设计
数控立车的主轴控制中，主要是主轴电机速度的控制方式，控制电机速度的变化有多的方式，下面说明两种常用的调速方案，并将其进行对比，则其优，作为本次设计的调速方案。
2.1 方案选择
1 方案二 交流调速
交流电动机变压变频调速系统中所配备的静止式变压变频主要由主电路和控制回路两部分组成。对于异步电动机来说目前工业生产中所使用的变频器可分为交—直—交电压源型SPWM变频器和交—直—交电流源型SPWM变频器两种，而工业中应用最多、最广泛的变频器是交—直—交电压源型SPWM变频器。其主电路用不可控整流、用SPWM逆变器，其输出电压波形接近正弦波。如图2-1所示变频器主电路中的中间直流环节是采用大电容滤波，。由于采用了SPWM控制，因而使其输出电压波形接近于正弦波型。电压源型变压变频调速系统主电路有两个功率变换环节构成，及整流桥和逆变桥，整流桥是由二极管组成的三相桥式不可控电路。调压与调频通过逆变器来完成，其给定值来源于同一个给定环节。
图2-1 电压源型变频器主电路及SPWM控制框图
该系统用SPWM控制技术实现变压变频控制，通过改变IGBT的占空比（脉冲
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宽度）来控制交流电压逆变器输出的大小，从而改变电机转速。而输出频率通过控制逆变桥的工作周期就可以实现。
交流调速，价格低，维护简单，维护成本低。交流变频调速就可以了，已经得到迅猛的发
[3]展其应用范围越来越广泛 。
2 方案二 直流调速
随着计算机技术快速发展，数字控制系统在逐渐地取代过去的模拟控制系统。带有微型计算机的全数字直流调速装置中,在不改变硬件，或者改动很少的情况下,依靠软件支持,就可以方便地实现各种调节和控制功能，所以，通用全数字直流调速装置的应用灵活性和可靠性就明显优于模拟控制系统。目前，以德国SIEMENS公司的6RA70系列通用全数字直流调速装置在中国的应用最为广泛。直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速
[4]。
直流调速装置采用德国SIEMENS的6RA70直流调速装置来控制直流电机调
速，而调速方式又分为改变电枢端电压调速和改变磁通调速。直流电动机采用他励励磁方式。
他励直流电动机电路原理图如图2-2所示，图中电枢回路串接附加电阻Rad，电枢内阻Ra，此时电枢回路总电阻RRfadRad.
图2-2 他励直流电动机电路原理图
由图2-2可知，直流电动机的电压平衡方程式为
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UEaRIa （2-1）
式中U为电源电压，单位V；R是电枢回路总电阻，单位。
由电压平衡方程式和感应电动势公式，就可以得到直流电动机的转速特性 n有电磁转矩方程式IaU-RIaU-RIa KeCeTem带入转速特性方程，即得到机械特性方程式 KTUR-Tem
CeCeCt n（2-2）
由电压平衡方程式（2-1）可知
(2-3)式中Ua= U-RadIa为电枢的端电压。当Ia=0或Rad=0时，Ua=U
由式（2-3）和电动势公式EaCen，可得转速公式[5]
nUaRaIa （2-4） Ce EaU- (RaRad)Ia=（U-RadIa）-RaIa=Ua-RaIa
根据转速公式（2-4），改变电枢端电压调速是保持磁通不变，改变电动机的电枢电压U，则理想空载转速n随电枢电压而变化，而机械特性斜率保持不变；改变磁通调速就是保持电枢电压U不变，减弱磁通则理想空载转速n随着磁通的减弱而增加，同时机械特性的斜率也增加。
2.2 方案选择
本设计是设计重型立车的主轴控制装置，工作台负载上限250t，主轴带动工作台工作，而工作台的速度范围大概在10~60r/min,对应电动机转速600~3000r/min，低速大转矩，要求高精度，速度控制精确；由于在加工时零件重量不定，需要具有一定的过负载能力。根据两种方案的优缺点比较，选择第二种直流调速方案。
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本设计选用德国SIEMENS公司的6RA70直流调速装置，可实现调压电枢电压和磁通配合调速。在额定功率以下，通过改变直流电机的电枢电压来改变电机的速度；额定功率以上用弱磁调速；交流电源进入6RA70后整流出直流，电机电压和励磁电压是分开进入6RA70，经过整流变压后进入直流电机和励磁。并且6RA70内部即可实现大部分数控机床所进行的操作。
直流电机调速中电枢电压调速比较普遍，最大的优点不会像交流调速那样产生逆变磁场对外围发出干扰。直流电机能量密度大，调速容易且调速范围宽，力矩大，过载能力非常好，机械特性硬。直流调速精度高，效率也高，节能效果也好，
[6]但是需要定期维护 。
2.3 可编程序控制器接口设计
1 可编程控制器的选择
现在的数控机床是用数控系统（是一个集成所有数控系统元件—数字控制器、可编程控制器、人机操作界面，于一体的操作面板安装形式的控制系统）来控制整个机床的运行的。数控系统中使用较普遍的有德国的SIEMENS，日本的FANUC，还有中国的华中科技。其中德国SIEMENS的数控系统性价比较高，并且其数控核心的可编程控制器应用也很普遍。数控系统SIEMENS 802D是其早期研制出的数控系统，应用于各种型号机床，操作简单，功能容易实现。SIEMENS 802D内部可编程控制器为SIEMENS生产的S7-200，由于本设计只是数控立车电气总设计的一部分所以不选用数控系统，而只选用其内部可编程控制器—S7-200。
S7-200 PLC属于S7-200/300/400家族中功能最精简、I/O点数最少、扩展性能最低的PLC产品，可以称为微型PLC系列产品。产品可以用于输入/输出点数较少的小型机械与设备的单机控制。而本设计所需输入输出点数并不是很多，不需要扩展，所以选用S7-200.能够满足本设计。新系列S7-200的性能有如下提高： 1 CPU的运算速度提高了40%；
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2 增加了CPU诊断状态指示； 3 增加了存储器卡扩展功能； 4 增加了在线编程功能；
5 脉冲输出指令增加了线性（斜坡）给定功能； 6 提高了PID调节、参数自动整定功能；
7 增加了数据记录功能，可以实时记录PLC的运行状态信息（此功能需要存储卡的支持）[7]；
S7-200.PLC包括了CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226五种规格，其中CPU221为整体式固定I/O型结构，PLC的I/O点数固定为6/4点，处理器、存储器、电源、输入输出接口、通信接口都安在模块上，I/O点数不能改变，且无I/O扩展模块接口。其余四种型号均可加扩展结构。
表1. S7-200PLC各种型号的电源与集成I/O规格
项目 CPU集成输入点 输入信号电压 输入信号电流 CPU集成输出点 输出类型 输出电压 最大输出电流 用户程序存储器容量 数据存储器容量 4KB 2KB 4 6 AC、DC电源型 CPU221 6 CPU222 8 CPU224 14 4mA/DC24V 10 继电器输出 AC：5—250V；DC：5—30V 10 16 CPU224XP 14 CPU226 24 DC24V，允许范围DC15V—30V 2A/点 ；公共端10A 4KB 2KB 8KB 8KB 12KB 10KB 16KB 10KB 本设计所需输入点9个，输出点7个，所编程序不是很多，8KB足够，所以根据表格里的数据选择CPU224.输入电源采用DC24V，输出电源采用AC220V。
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2 可编程控制器接口电路的设计及其功能
PLC S7-200 CPU224是14入、10出。本设计输入用9个，输出用7个。输入用按钮开关作为控制信号的给定；输出用继电器作为控制使能，继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。当PLC输出口闭合时，继电器线圈两端加上一定的电压或电流，线圈产生的磁通通过铁心、衔铁、轭铁、磁路工作气隙组成的磁路，在磁场的作用下，衔铁吸向铁心极面，从而推动触点常闭触点断开，常开触点闭合；当PLC输出口断开时，刚好相反动作，用这种方式控制另一个电路的关闭。
PLC输入电源用的是DC24V，而一般工业用电为三相交流电AC380V，所以用SIEMENS的SITOP电源整流变压后供应。其输出电压24V ，电流280mA。SITOP的供电电源为三相380V交流电，输出端24为输出，另一端接到直流地01上，PE则接到
地线上。
图2-3 SIEMENS的SITOP电源接线图
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24V电源作为PLC的输入电源，与PLC输入端L+相连接。PLC输出端口供电电源为AC220V，也也才用了隔离。
按钮SB1为起动按钮，通过直流调速装置电枢电压和励磁电压给电，来控制直流电机的启动；按钮SB2，为停止按钮，控制主轴停止运行；按钮SB3、4作为主轴正反转按钮，通过改变励磁电流的方向，控制直流电机的正转反转；按钮SB 5是点动运行，点动时按照固定速度运行，此速度不可改变；按钮SB6为手、自动切换开关，将旋钮旋道自动操作，运行动作、速度由程序给定，将旋钮旋到手动操作，可以进行主轴正反转、点动、调速等等；按钮SB 7、8为升速、降速按钮，当处于自动时，可以根据需要调节主轴速度，按下升速按钮，主轴速度上升，按下降速按钮
，
主
轴
速
度
下
降
。
图2-4 PLC S7-200 接口图
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2.4 数控立车主轴速度控制装置设计
1 主轴电机的选择
本次设计的重型数控立车，工作台所带动的最大重量为50t，设计采用了直流调速装置，并选用Z4系列直流电机。
Z4系列直流电机比Z2、Z3系列具有更大的优越性，它不仅可用直流机组电源供电，更适用于静止整流电源供电。并且转动惯量小，具有较好的动态性能，并能承受较高的负载变化率，特别适用于需要平滑调速、效率高、自动稳速、反应灵敏的控制系统，具有当今国际先进水平。
Z4系列直流电动机采用八角形全叠片结构，空间利用率高。当采用静止整流器供电时，能承受住脉动电流和快速的负载电流变化。Z4系列直流电动机一般不带串励绕组，适用于需要正、反转的自动控制技术。根据用户需要也能制成带串励绕组。中心高100～280mm的电动机无补偿绕组，但中心高250mm、280mm的电动机根据具体情况和需要可以制成带补偿绕组，中心高315～450mm的电动机带有补偿绕组[8]。
根据需要，本设计选用Z4-250直流电机，功率75KW，电枢电流197A，额定电压400V，励磁电压310V。+Z4直流电机自带风机，而Z4后面的数字代表表示电机中心高（mm），也确定了风机的功率、风量。功率3kw，风量3000m3/h。
Z4-250 直流电机自带测速机，所以本设计主电机测速用测速电机而不用编码器。测速电机简单地说就是将直流电机的动能化为电能。因为测速发电机的磁路和绕组都是经过特殊设计的，所以其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn，其中K是常数。当改变电机的方向时，测速电机输出电动势的正负也会有相应的改变。将测速发电机和被测机构同轴联接，只要检测输出电动势的大小、方向，就可获得被测机构的转速、方向，所以又称速度传感器。
测速发电机的输出电动势具有斜率高、特性成线性、无信号区小或剩余电压小、正转和反转时输出电压不对称度小、对温度敏感低等特点。
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2 数控立车主轴控制装置设计
数控立车主轴速度控制装置主要是由SIEMENS公司的PLC S7-200、6RA70数字直流调速装置和Z4直流电机组成；PLC用于使能控制，而功能实现则是通过6RA70控制直流电机实现。
6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器为全数字紧凑型整流器，输入为三相交流电源，可向变速直流驱动用的电枢和励磁供电，额定的电枢电流从15至2200。紧凑型整流器可用于并联使用，提供高电流至12000A，励磁电路可以提供最大最大电流是85A(此电流只取决于电枢的额定电流)。
6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器以其节省空间的结构和紧凑排列顺序为特色，由于各个的部件容易接近，它紧凑式的设计使他们更加容易维护和保养，电子板箱里包含了电子板和其他任何附加板。所有SIMOREG DC MASTER 装置都会配备一个简易操作面板PMU，可以将其安装在整流器门上的，PMU是由一个5 位，7 段显示，有三个作为状态显示的LED 和三个用于调整参数的设置键组成。PMU 还具有根据RS232或RS485 标准同USS 接口的连接器X300。PMU提供了启动整流器所需进行的调整和设定及测量值显示的所有工具。电枢和励磁的供电频率可以不相同(在45～65Hz 范围之内)。电枢回路的供电相序不要求[9]。
根据直流电机的铭牌来选择6RA70的型号，本设计选用Z4-250直流电机，功率75KW，电枢电流197A，额定电压400V，励磁电压310V。根据以上参数选择直流调速装置型号为6RA7075：整流器为 3AC400V 210A~600A 1Q（即电枢由一套（六个可控硅）整流装置提供电源。这种方式只能通过改变磁场极性来改变旋转方向）;电枢额定电压3AC400V（+15%/~20%），励磁额定电压2AC400V（+15%/~20%），额定直流电压485V，额定直流电流210A，额定输出功率102KW，励磁额定直流电压325V。
端子1U、1V、1W是电枢电源输入；端子3U、3W是励磁电源输入。为了保护设备，在电枢电源和励磁电源进入直流调速装置千要加上熔断器（FU1、FU3），起到过载保护的作用，而熔断器的额定电流要比设备的额定电流至少高出1.2倍。5U1、
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5W1为电压400V进线端子，进线电压范围380V~460V，用于电子板供电。
图2-5 电枢电源、电子版电源、励磁电源接线图
在大功率电力电子电路中，合闸瞬间，往往会产生一个很大的冲击电流（浪涌电流），浪涌电流虽然作用时间短，但峰值却很大。开机浪涌电流往往超过正常工作电流的100倍以上。在输入侧串接电抗器（L90、L91），能有效的抑制这种浪涌电流。合闸瞬间，电抗器呈高阻态（相当于开路）[10]。
负荷开关是可分为高压负荷开关和低压负荷开关，低压开关有自灭弧功能，但它的开断容量很小、很有限，所以选择的时候都用高压负荷开关，不仅有自灭弧功能，开断容量很大。
高压负荷开关（QF91）的工作原理与断路器相似。一般装有简单的灭弧装置，但其结构比较简单。由于负荷开关不能开断短路电流，故常与限流式高压熔断器组合在一起使用，利用限流熔断器的限流功能，不仅完成开断电路的任务并且可显著减轻短路电流所引起的热和电动力的作用。
CUD1是6RA70的电子板，上面有各种端子：端子X174中的X174.1、X174.2分别为数字地和内部电源端，X174.4、X174.5主给定正负极，将电位器接于这次口用于调速。
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图2-6 电位器接线图
当改变X174.2、X174.4之间的电压时，端子X174.4和X174.5内部连接于模拟量K11，可以利用K11进行给定的变换和处理，把最终的处理好的给定给到速度环的电压给定，电压给定与测速电机的反馈回来的电压信号相比较，比较后进入比例放大。最终进入UPE来改变输出的电枢电压。
1D1、1C1用于连接直流电机，直流电机与端子之间加熔断器，端子103、104是测速电机连接端，103是电压输入（8V~270V），104是模拟量地。其测出的电压反馈回到速度环，进行调速。
图2-7直流电机与测速电机接线图
端子X175中的14、15为模拟量电压输出端，X175.14为电压端，X175.15为模拟地，两接口接一个带正负的电压显示器，此接口出来的电压是测速机电压，转
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化成速度后，可知电机的实时速度。
开关量控制输入端组X171，X171.34为内部电源输出端DC24V，为端子X171.36、X171.37、X171.38、X171.39供电；X171.35数字地；X171.36、X171.39为可设置开关量1、2，由端子X171.36、X171.39用高低电平可组成四种状态，由继电器KA3、KA4的关断控制高低电平，端子X174.36和X174.39输出电平为0 0 ，转速为0；电平为1 0 时为正转；电平为0 1时为反转；电平为1 1时正转反转由实际给定值决定。
端子37为电源的合闸/分闸，高电平信号时为合闸，进线接触器闭合，按照斜坡发生器的斜率加速至运行速度，低电平信号时为分闸，按照斜坡发生器的斜率减速0，进线接触器断开；端子X171.38为运行使能，高电平信号为调节器使能，低电平信号为调节器禁止。
图2-8 直流调速装置开关量接口图
由于开关量端子不够所以需要加一块扩展电子板CUD2，在CUD2中开关量端子组是X163，其中X163.44是内部电源输出端，X163.45是数字地；X163.40、X163.41、X163.42、X163.43为可设置输入开关量3、4、5、6；与端子X163.42连接的继电器KA7为点动使能，速度已经给定，当处于手动状态，X163.42为高电平时，主电机按给定速度运行，速度不可调，但是可以通过6RA7075操作控制面板修改速度值。
端子X163.40、X163.41为升、降速，KA5为升速使能，当X163.40为高电平，X163.41为低电平时（二者不可同时为高），信号送至直流调速装置，经直流调速装
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置内部处理的信号送给电动电位计，电动电位计给出处理好的电压信号到速度环的电压给定，通过速度环来增大电机的电枢电压，从而实现主轴的转速上升；当X163.41为高电平，X163.40为低电平（二者不可同时为高），信号送至直流调速装置，经直流调速装置内部处理的信号送给电动电位计，电动电位计给出处理好的电压信号到速度环的电压给定，通过速度环来减少电机的电枢电压，从而实现主轴速度的下降，速度升降的多少和按下时间有关。
2.5速度环
在直流调速装置6RA70中速度反馈可以应用测度发电机，也可以用编码器，而本设计中选用的是测度电机。测速发电机和主轴电机同轴联接，当主轴电机工作时，带动测速发电机也工作，测速发电机将动能转化为电能输出。输出的电压与转速成
正比关系，即 UaKn （2-5）
或
UaK'K'd dt（2-6）
式中Ua为测速发电机的输出电压；n为测速发电机的转速；为测速发电机的角速度；为测速发电机转自的转角；K、K'为比例系数。
测速发电机输出的电压信号，作为速度环中的反馈信号与给定电压信号相比较，比较后得到转速偏差电压，经过比例放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制
电压Uc，通过UPE来改变输出的直流电压，从而实现直流电动机的调速。
图2-9 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
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在直流调速装置内部有一个电动电位计，可以调节给定电压值从而改变电枢电压，改变电动机转动速度。其调节精度，是可以调节的，内部参数P462、P463分别是设定电动电位计斜坡上升时间和电动电位计斜坡下降时间，通过设定可以改变控制精度，时间越长，一秒内电位计变化越小，给定电压变化越小，速度变化越小，调节精度越高，当时间达到相当的值时可以达到0.1转加减速的精度。内部电位计用于自动工作时的升降速。
设计中，在6RA70的端口4、5也外加了一个电位器，作为手动工作时的调速按钮，将电压信号传入到6RA70内部后，经过处理信号送到速度环电压给定值，来改变速度。
2.6急停按钮的设计
在主轴运行，出现故障时，且主轴停止键失灵，使用急停按钮，来使主轴停止运行。急停按钮是由时间继电器、中间继电器、分励脱扣器组成。
目前最常用的大规模集成电路型的时间继电器，它是利用阻容原理来实现延时动作。在交流电路中往往采用变压器来降压，集成电路做为核心器件，其输出采用小型电磁继电器，使得产品的性能及可靠性比早期的空气阻尼型时间继电器要好的多，产品的定时精度及可控性也提高很多。
分励脱扣器是一种远距离操纵分闸的附件。当电源电压等于额定控制电源电压的70%-110%之间的任一电压时，就能可靠分断断路器。分励脱扣器是短时工作制，线圈通电时间一般不能超过1S，否则线圈会被烧断。塑壳断路器为防止线圈烧毁，在分励脱扣器串联一个微动开关，当分励脱扣器通过衔铁吸合，微动开关从常闭状态转换成常开，由于分励脱扣器电源的控制线路被切断，即使人为地按住按纽，分励线圈始终不再通电就避免了线圈烧损情况的产生。当断路器再扣合闸后，微动开关重新处于常闭位置。但万能式DW45产品在出厂时要由用户在使用时在分励脱扣器线圈之前串联一组常开触头。
当按下急停按钮SB0-1时，图2-10.a中间继电器KA100断开，右侧回路断开，KT100为断开延时继电器，延时断开；图2-10.b中当KT100延时断开后，分离脱扣器M1回路也断开，使与其连接的主空开QF100断开，此时整个装置断电。
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图2-10急停按钮原理图a、b
a b
2.7 直流调速装置的参数设定
6RA7075参数给定是通过操作面板来给定，而所配备的操作面板又分为两种，简易操作控制面板（PMU “Parameterization Unit”）和舒适性操作控制面板（OP1S）。
1 简易操作控制面板（PUM）
简易操作控制面板安装在整流门上，他由五位七段显示板，三个状态指示灯已经下面的三个参数键组成。PMU 还具有根据RS232或RS485 标准同USS 接口的连接器X300。
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图2-11简易操作控制面板
P 键功能介绍
1，在变址参数方式时，完成参数值（数值方式）、参数号（参数方式）和变址号（变址方式）之间的转换。
2，应答有故障信息。
3，P键与上升键会将故障、报警信息切换到背景。
4，P键与下降键会将故障、报警信息在背景切换到PMU的前景显示板上。 上升键功能介绍
1，在处于参数方式时，选用一个更高的参数号，当以显示最高参数号时，再按下此键，将会返回到参数所处区域另一端（即最大号与最小号是相邻）。 2，在数值方式，增加所设置参数的数值。 3，在变址方式，增加变址值（只对变址参数）。 4，与下降键同时作用，可加速一个调整过程。 下降键功能介绍
1，在参数方式时，选择一个更高的参数号，当以显示最高参数号时，再按下此键，将会返回到参数所处区域另一端（即最大号与最小号是相邻）。 2，在数值方式，增加所设置参数的数值。 3，在变址方式，增加变址值（只对变址参数）。
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4，与下降键同时作用，可加速一个调整过程。 LED显示 Run 绿色LED
LED亮表示“转矩方向激活”状态（MI,MII,MO）
Ready 黄色LED
LED亮表示“准备好”状态
Fauit 红色LED
LED亮表示“出现故障”状态
LED闪烁表示“出现报警”状态 [11]
2 舒适性操作控制面板（OP1S）
舒适性操作控制面板（OP1S）在整流器门上有一个专用的位置，这个位置提供了一个与整流器串行口SST1的连接头。
如果用OP1S的上升键或下降键来调整参数号，则在基本装置参数区域中没有的号将被跳过，但这种跳过不能用于工艺板的参数，现存的参数号直接进入。
运行状态显示 P 基本菜单显示 P 随意存取 R R 图2-12 操作流程图
OP1S在初始化后数秒钟即自动转入运行显示，按下P键，即可从运行显示转入
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基本菜单显示，在其中，你可以选择“任意存取”所有的参数或者不同的功能[12]。
系统出场时有一些数据是默认的不需要改动，部分数据在优化的时候可以改动，部分数据是根据电机铭牌和各种需要来改动的，按照本设计的需要对以下参数进行设定：
P051=21； 设置 恢复缺省值，操作后P051=40 参数可改； P052=3； 设置 P076.001=50； 设置 P076.002=10； 设置 P078.001=380；设置 P078.002=380；设置
显示所有参数（恢复缺省值后默认就是3）； 电枢回路额定直流电流百分比； 励磁回路额定直流电流百分比； 电枢回路供电电压； 励磁回路供电电压； XT.104）；
P84=1； 设置 在速度闭环控制下运行； P100=197； 设置 P101=400； 设置
电枢额定电流（A）； 电枢额定电压（V）；
P83=1； 设置 速度实际值由主实际值通道（K0013）提供（端子XT.103
P257=0； 设置 停机励磁为0； P303=3； 设置 斜坡上升时间； P304=3； 设置 斜坡下降时间； P319=0； 设置 装置使能延时时间； P402=5； 设置 固定值5%；
P433=240； 设置 电动电位计的输出K240 连接主给定通道P433； P436.1=402； 设置 点动值1是5%；
P460=1； 设置 电动电位计斜坡函数发生器 总是有效； P462=20； 设置 电动电位计斜坡上升时间； P463=20； 设置 电动电位计斜坡下降时间；
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P468=80； 设置 “电动电位计上升”的给定，电动电位计的最大值 80%； P469=-80； 设置 “电动电位计下降”的给定，电动电位计的最小值 -80%； P645=600r/min；设置 正反转初始速度； P671=B0010； 设置 P672=B0016； 设置 P673=B0018； 设置 P674=B0020； 设置 对应端子X171.36；对应端子X171.39；对应端子X163.40，电动电位计升速；对应端子X163.41，电动电位计降速；
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第三章数控立车主轴控制软件设计
软件是一个系统的灵魂，整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来。本次软件设计本着简便、可靠的原则设计的。
1 程序流程图
本设计中可以通过SA1波段开关，选择主轴工作的方式；手动，自动。自动运行时可以通过升、降速按钮，来调整主轴运行速度。
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合上QF102、QF12、QF105 HL1=0 HL2=1 手/自动方式选择 ？ 自动方式 手动方式 按下SB1 按下SB1 Yes 升 速 按下SB7 NO 主轴按参数给定升速 A 降 速 Yes NO 按下SB2，停止运行 主轴按参数给定降速
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图4-1 手、自动程序流程图
当波段开关SA1打到手动方式时，此时可以进行正、反转，点动操作，在进行正
反转操作时，通过旋转RP1可以进行升降速操作。
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A Yes Yes 正/反转 ？ 按下SB3/4 NO 按给定初始速度运行 A 点动 按下SB5 主轴按装置设定值运行 Yes 升速 调节RP1 按下SB2，停止 Yes NO 降速 调节RP1 NO 按SB2，停止 图4-2 正/反转、点动程序流程图
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2 程序
LD I0.0 //启动
AI I0.1 = Q0.1
TON T37, 30 //LD T37 = Q0.0 LD I0.5 A Q0.1 A Q0.0 = Q1.0 LD I0.6 A Q0.1 A Q0.0 = Q0.7 LD I0.7 A Q0.7 = Q0.4 LD I1.0 A Q0.7 = Q0.5 LD I0.2 A Q0.1 A Q0.0 = Q0.2
LD I0.3
延时三秒 //手动 //自动 //升速 //降速 //正转 //反转
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A Q0.1 A Q0.0 = Q0.3 LD I0.4 A Q0.1 = Q0.6 //点动
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第四章主轴操作说明
1 主轴启动前准备工作
首先，先合上控制电柜上的主空气开关QF100，接通主电源，控制柜上白色指示灯HL01亮，红色指示灯HL02熄灭，动力电源1L1、1L2、1L3得电，电源准备完毕；将分电源开关QF103合上，控制变压器TVC1、TVC2、TC01、TC02得电。
将开关QF105、QF107闭合， PLC得电，PLC开始工作；将开关QF106闭合，给急停上电，启动/停止指示灯上电；在合上主空开之前，电柜照明开关QF101、分励扣脱器开关QF103、QF104已经上电。将电柜空调开关QF01合上，因为电柜内部是变压器、直流调速装置、继电器、空开等，会产生很大的温度，温度上升容易导致器件的损坏，以及使开关导通、关闭不灵敏，所以加空调散热。如果工作的时候有昏暗情况，可以合上开关QF108，将机床照明灯打开。
此时直流调速装置所在分路端有电，但是直流调速装置电枢电源端没电，电子版电源端没电，励磁电源进线端有电，因为一般的情况下直流机都是先给励磁，后给电枢电压，采用控制电枢电压的大小来控制速度。所以只需加上起保护作用的熔断器和抑制浪涌的电抗器。
将QF92合上后，接触器KM90闭合，作为电枢电源开关的接触器KM闭合，使其通电。合上开关QF91电子版电源接通。此时主轴工作前的准备工作完成。
2 主轴操作说明
将Q105闭合后，PLC上电，控制面板就可以工作了。按下面板上的启动按钮（SB1）,此时按钮变亮，调速装置内部励磁给电。
主轴控制设有手动（MDI）和自动(OUTO)两种工作方式，即通过控制面板上的转换开关SA1进行选择。当转换开关SA1打到手动挡（OUTO）上时，按下启动按钮（SB1），主轴按照已经编好的程序中给定速度运行（速度运行到给定速度需要一段时间，此
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时间在参数中已设置且可以改变）。按下升速按钮（SB7）时，主轴速度开始上升，速度上升的多少与按下时间有关，按下降速按钮（SB8）时，主轴速度开始下降，速度下降的多少与按下时间有关。按下停止按钮（SB2）主轴停止运转，工作台自由停车。
将手/自动挡摆到手动挡（MDI），按下启动按钮（SB1），按下正转按钮（SB1），此时正转按初始设定速度运转，可以用RP1调节其速度，反转也一样；主轴启动后，按下点动按钮（SB5），PLC会发出信号到直流调速系统，主轴电机会按照直流调速装置里设定的速度转动，转动时间为按下按钮的时间，速度当前不可调（其速度可以在控制面板PUM或OP1S里改动），并且点动只能在手动下进行，当松开按钮，工作台自由停车。
如果在操作时发生什么故障，并且停止键不起作用，按下急停旋钮。当故障解除后，将急停按钮旋回。
操作注意事项：
1，当主轴运行时，不论处于什么状态，不要按下不相关的按钮，会导致事故或其他意外情况。
2，调直流调速装置的参数时，主轴必须处于停止状态，QF92处于关闭状态。
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图3-1 控制面板版面及接线图
图3-2 控制面板下面板接线图
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3 元器件目录
名称 单元型号 件数 图上代号 可编程控制器 S7-200 CPU224 1
小型交流 MP-3P-6H523 1 M01 直流控制装置 6RA7075 1
整流电源 SITOP 1 TVC1 整流电源 SITOP 1 TVC2 直流电动机 Z4-250-21-75KW 1 M90
600-2000r/min;400V;50Hz BR90 励磁电压310V 带测速机; 带风机3KW;
按钮 LAY3-11 绿色 带白灯 1 SB1
按钮 LAY3-11 红 色 1 SB2 按钮 LAY3-11 乳白色 1 SB3 按钮 LAY3-11 乳白色 1 SB4 按钮 LAY3-11 乳白色 1 SB5 按钮 LAY3-11 乳白色 1 SB6 按钮 LAY3-11 乳白色 1 SB7 按钮 LAY3-11 乳白色 1 SB8 急停按钮 XB2BS8445C; 1 SB0-1 红色；转动复位
电位器 1.5KΩ 1 RP1 分离脱扣器 DW45 1 M1 直流电机 MP-3P-6H523 1 M-01 数显表 DB3-DV-1 1 D1
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结论
本设计完成了数控立车主轴控制装置设计的任务：设计了控制电源原理图的设计；可编程控制器接口电路，以及直流调速装置连接原理图；并对操作面板接线图进行了设计。
本设计实现的主轴控制功能，操作简单，功能强大。可以实现手、自动转换，在自动方式工作时实现升速、降速调节；在手动时实现主轴正、反转，点动，升、降速，急停等功能。正确使用了直流调速装置6RA70，不需要辅助器件，减少了复杂的连线和操作。
由于本人能力及时间的限制，在设计中还存在不足之处，没有时间6RA70参数的调整，可编程控制器的程序也未能实机调试，这些工作在今后一定认真改善。
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