1、 職業(yè)技術(shù)學(xué)院 學(xué)生課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱： 數(shù)控技術(shù) 專業(yè)班級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化082 姓 名： 賈雨農(nóng) 學(xué) 號(hào)： 8080514224 學(xué) 期： 2021-2021學(xué)年第一學(xué)期 目 錄前 言3一、課程設(shè)計(jì)目的4二、數(shù)控車床主軸電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)4三、西門子802C數(shù)控車床的主軸設(shè)計(jì)43.1 西門子802C數(shù)控車床系統(tǒng)43.1.1 西門子802C的系統(tǒng)43.1.2 人機(jī)界面53.1.3 步進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)63.1.4 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)63.1.5 刀架控制系統(tǒng)7西門子802C數(shù)控車床主軸的設(shè)計(jì)103.2.1 設(shè)計(jì)方案103.3 PLC程序設(shè)計(jì)143.3.1 PLC控制流程圖143.3.2 PLC的I/O

2、分配143.4 主軸換檔及參數(shù)設(shè)置16四、結(jié)論18五、參考文獻(xiàn)19六、附錄1201 主軸控制程序202 換檔程序24摘 要主軸運(yùn)行的是否平穩(wěn)直接影響數(shù)控車床加工的精度。通過(guò)對(duì)西門子802C數(shù)控車床主軸的研究 、分析，從而掌握數(shù)控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法。主軸控制系統(tǒng)由西門子802C數(shù)控系統(tǒng)、變頻器和主軸電機(jī)組成，通過(guò)PLC控制主軸的正反轉(zhuǎn)、CNC控制主軸的轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床 主軸 西門子802C Designing Spindle Control System for a Siemens 802C CNC Lathe Abstract Whether or not the smooth ru

3、nning of the spindle directly affects the accuracy of CNC lathe. To grasp the general design method of CNC application system, the Spindle control system of Siemens CNC Lathe was researched and analyzed, which had Siemens 802C CNC system, inverter and the spindle motor, where PLC controlling the dir

4、ection, and CNC controlling the speed.Keywords: CNC Lathe；Spindle；Siemens 802C system前 言 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造業(yè)技術(shù)的根底，在機(jī)械及相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用已呈普及的趨勢(shì)。作為數(shù)控加工的主體設(shè)備，數(shù)控機(jī)床是一種機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，目前已成為金屬加工的主體企業(yè)的必要裝備。隨著數(shù)控技術(shù)在我國(guó)的普及和開展，迫切需要培養(yǎng)大量高素質(zhì)、能力強(qiáng)的數(shù)控技術(shù)人才，以加強(qiáng)對(duì)學(xué)生能力素質(zhì)的培養(yǎng)。本次設(shè)計(jì)的課題是“西門子802C數(shù)控車床主軸的設(shè)計(jì)，主軸在車床中有這很重要的地位，主軸的好壞直接影響到在加工時(shí)的精度。802C數(shù)控車床主軸是用

5、PLC對(duì)變頻器的控制來(lái)改變電機(jī)的速度，來(lái)帶動(dòng)主軸的運(yùn)行。一、課程設(shè)計(jì)目的了解各種電機(jī)調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn)；理解主軸控制的根本要求；掌握802C系統(tǒng)主軸電氣系統(tǒng)的接線；掌握802C系統(tǒng)變頻器的接線。二、數(shù)控車床主軸電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基于SINUMERIK 802C系統(tǒng)的數(shù)控車床主軸單元。主軸電機(jī)采用通用變頻器驅(qū)動(dòng)，采用分段無(wú)級(jí)變速控制，變速箱為2檔，采用電磁離合器自動(dòng)換擋；為實(shí)現(xiàn)螺紋加工，在主軸上安裝主軸編碼器。要求：根據(jù)SINUMERIK 802C數(shù)控系統(tǒng)及變頻器的接口功能及接線原理，設(shè)計(jì)主軸驅(qū)動(dòng)與控制局部的電氣原理圖、主軸換擋控制程序。三、西門子802C數(shù)控車床的主軸設(shè)計(jì)3.1 西門子802C數(shù)控車床

6、系統(tǒng)西門子802C數(shù)控車床系統(tǒng)由西門子802C數(shù)控系統(tǒng)、步進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、刀架等組成。 3.1.1 西門子802C的系統(tǒng)SINUMERIK802數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控磨床等。該系統(tǒng)分為802S、802C、802D三種類型，其中SINUMERl802S采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)具備一個(gè)10V模擬接口用于連接主軸驅(qū)動(dòng)；SINUMERl802C采用模擬伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的10V模擬接口，可直接帶動(dòng)模擬驅(qū)動(dòng)；SINUMERl802D采用數(shù)字進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和數(shù)字主軸電動(dòng)機(jī)，最多可控制4個(gè)數(shù)字進(jìn)給軸和一個(gè)主軸。SIEMENS 802S配O

7、P020獨(dú)立操作面板與MCP機(jī)床操作面板，顯示器為7in或單色液晶顯示。集成內(nèi)置式PLC最大可以控制64點(diǎn)輸入與64點(diǎn)輸出，PLC的I/O模塊與ECU間通過(guò)總線連接；系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，性能價(jià)格比高。數(shù)控系統(tǒng)與外部模塊的連接，見圖1。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1.2 人機(jī)界面數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面由顯示器、操作面板、機(jī)床控制面板組成，見圖2。圖2系統(tǒng)操作面板編程和機(jī)床控制動(dòng)作的按鍵以及8英寸LCD顯示器，同時(shí)還提供12個(gè)帶有LED 的用戶自定義鍵。工作方式選擇(6 種)，進(jìn)給速度修調(diào)，主軸速度修調(diào)，數(shù)控啟動(dòng)與數(shù)控停止，系統(tǒng)復(fù)位均采用按鍵形式進(jìn)行操作。 3.1.3 步進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)采用的是STE

8、PDRIVE C，是單軸型控制器，控制五相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.36度。驅(qū)動(dòng)接口采用25芯D型插座。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器接受三個(gè)信號(hào)，一個(gè)為脈沖信號(hào)，一個(gè)為方向信號(hào)，一個(gè)為使能信號(hào)。發(fā)出的脈沖控制電機(jī)運(yùn)行，每個(gè)上升沿使電機(jī)向前走一步，脈沖數(shù)決定電機(jī)轉(zhuǎn)角，脈沖頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.1.4 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是SIEMENS 611U，是目前SIEMENS常用的交流數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其根本結(jié)構(gòu)與611A相似，采用模塊化安裝方式，主軸與各伺服驅(qū)動(dòng)單元共用電源。用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的伺服驅(qū)動(dòng)模塊有單軸與雙軸兩種結(jié)構(gòu)型式，帶有PROFIBUS DP總線接口。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部帶有FEPROM(non-v

9、olatile data memory，非易失可擦寫存儲(chǔ)器)，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件與用戶數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)器的調(diào)整、動(dòng)態(tài)優(yōu)化可以在W1NDOWS環(huán)境下，通過(guò)SimoComU軟件自動(dòng)進(jìn)行，安裝、調(diào)整十分方便。驅(qū)動(dòng)器由整流電抗器(或伺服變壓器)、電源模塊(NE module)、功率模塊(Power module)、611控制模塊等組成：電源模塊自成單元，功率模塊、611控制模塊、PROFIBUS DP總線接口模塊組成軸驅(qū)動(dòng)單元。各驅(qū)動(dòng)器單元間共用611直流母線與控制總線，并通過(guò)PROFIBUS DP總線，與SIEMENS 802D/810D/840D系統(tǒng)相連接，組成數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。3.1.5 刀架控制

10、系統(tǒng)刀架是經(jīng)濟(jì)型的四方位簡(jiǎn)易刀架，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試和使用方便，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其功能為：有四個(gè)刀位，能裝夾四把不同的功能刀具，方刀架回轉(zhuǎn)90時(shí)，刀具變換一個(gè)位置，但方刀架的回轉(zhuǎn)和刀位號(hào)的選擇是由加工程序指令控制。 圖3 四工位轉(zhuǎn)位刀架 3. 接口信號(hào)在PLC用戶程序和NCK數(shù)控核心、MMC顯示部件和MCP機(jī)床控制面板之間通過(guò)不同的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行信號(hào)和數(shù)據(jù)的交換。PLC用戶程序與交換無(wú)關(guān)，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)這是自動(dòng)進(jìn)行的。PLC/NCK的控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)會(huì)循環(huán)刷新。信號(hào)可以分為以下幾組：普通信號(hào)、運(yùn)行方式信號(hào)、通道信號(hào)、進(jìn)給軸/主軸信號(hào)，見圖4。圖4 PLC/NCK接口3.2西門子802C數(shù)控車床

11、主軸的設(shè)計(jì)3.2.1 設(shè)計(jì)方案利用西門子PLC對(duì)MICROMASTER 420變頻器的控制來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸的控制。變頻器UVW三相電與主軸電機(jī)相連；變頻器PE接地；變頻器5端控制主軸正轉(zhuǎn)(KA2制)；變頻器6端控制主軸反轉(zhuǎn)(KA3控制)；變頻器8端接24V電源；變頻器10 11報(bào)警輸出；變頻器3 4端24V電源給定。.1 速度控制速度控制由NCK實(shí)現(xiàn)。速度控制指令S指令通過(guò)譯碼以參數(shù)的形式把速度值經(jīng)過(guò)D/A變換以010V的模擬電壓輸出，該模擬電壓信號(hào)送到變頻器的模擬量控制端控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。.2 方向控制 方向控制由PLC實(shí)現(xiàn)。方向控制指令M03/M04通過(guò)譯碼以參數(shù)的形式把正

12、反轉(zhuǎn)標(biāo)志傳送給PLC，PLC控制程序根據(jù)標(biāo)志位輸出正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。.3 平安保護(hù)當(dāng)變頻器發(fā)生故障，AL0輸出報(bào)警信號(hào)，PLC控制程序根據(jù)報(bào)警信號(hào)實(shí)現(xiàn)緊急停止并報(bào)警3.2.2 數(shù)控機(jī)床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)有很大的差異。根據(jù)機(jī)床主傳動(dòng)的工作特點(diǎn)，早期的機(jī)床主軸傳動(dòng)全部采用三相異步電動(dòng)機(jī)加上多級(jí)變速箱的結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷開展，機(jī)床結(jié)構(gòu)有了很大的改良，從而對(duì)主軸系統(tǒng)提出了新的要求，而且因用途而異。為了滿足量大面廣的前兩類數(shù)控機(jī)床的需要，對(duì)主軸傳動(dòng)提出了下述要求：主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)有250kW的功率范圍；要有大的無(wú)級(jí)調(diào)速范圍，如能在1：1001000范圍內(nèi)進(jìn)

13、行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10的恒功率調(diào)速；要求主傳動(dòng)有四象限的驅(qū)動(dòng)能力；為了滿足螺紋車削，要求主軸能與進(jìn)給實(shí)行同步控制；在加工中心上為了自動(dòng)換刀，要求主軸能進(jìn)行高精度定向停位控制，甚至要求主軸具有角度分度控制功能等。主軸傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)，而隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時(shí)代，目前已很少見到在數(shù)控機(jī)床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。但是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的交流主軸伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品尚很少見，大多采用進(jìn)口產(chǎn)品。交流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式同步電動(dòng)機(jī)和籠型異步電動(dòng)機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。而交流主軸電動(dòng)機(jī)的

14、情況那么不同，交流主軸電動(dòng)機(jī)均采用異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，這是因?yàn)?，一方面受永磁體的限制，當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量做得很大時(shí)，電動(dòng)機(jī)本錢會(huì)很高，對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)講無(wú)法接受采用；另一方面，數(shù)控機(jī)床的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)不必像進(jìn)給伺服系統(tǒng)那樣要求如此高的性能，采用本錢低的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量閉環(huán)控制，完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。但對(duì)交流主軸電動(dòng)機(jī)性能要求又與普通異步電動(dòng)機(jī)不同，要求交流主軸電動(dòng)機(jī)的輸出特性曲線輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系是在根本速度以下時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在根本速度以上時(shí)為恒功率區(qū)域。交流主軸控制單元與進(jìn)給系統(tǒng)一樣，也有模擬式和數(shù)字式兩種，SIEMENS 802C主軸控制單元即為數(shù)字式的。 3.2.3 變頻器的使用3

15、.2.3.1 安裝檢查 檢查變頻器在運(yùn)輸過(guò)程中有可能出現(xiàn)的各種損傷；檢查iS5 變頻器的名簽，確認(rèn)是否為正確可以使用的變頻器。確認(rèn)安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件 環(huán)境溫度不能低于14F (-10C) 并且不能超過(guò) 104F (40C)，相對(duì)濕度不能超過(guò)90% (無(wú)結(jié)露)，高度不能超過(guò)3,300英尺 (1,000m)。不能把變頻器安裝在陽(yáng)光直射的地方，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)的物體應(yīng)該遠(yuǎn)離變頻器。安裝 iS5 變頻器必須豎直安裝在與相鄰設(shè)備有足夠空間的地方。(水平方向距離大于 2(50mm)，垂直方向距離大于 6 (150mm)其他 變頻器不能放在高溫高壓、振動(dòng)大、灰塵多的地方，另外，安裝時(shí)還需要使用螺釘進(jìn)行固定。3.

16、2.3.2 變頻器的根本配線變頻器的根本配線如圖5。各符號(hào)的含義如表1。表1 變頻器配線符號(hào)說(shuō)明符號(hào)功能R交流電壓輸入端子(3 相, 200230V 交流2 單元或380-460V 交流4 單元)STG大地P正端直流總線端子DB單元P-P5連接端子當(dāng)要求完成制動(dòng)(30%ED),連接DB單元。P1外部直流電抗器P1-P2和DB單元P2- P5連接端子。P2N負(fù)端直流總線端子DB單元N-N5連接端子B1動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻B1-B2連接端子B2U連接電機(jī)的3-相電源輸出端子(3 相, 200 230V 交流2 單元或380 - 460V 交流4 單元)VW圖5 變頻器的根本配線圖3.3 PLC程序設(shè)計(jì)3.

17、3.1 PLC控制流程圖圖6 PLC流程圖3.3.2 PLC的I/O分配本系統(tǒng)用的是西門子S200 PLC，I/O分配表見表2。表2 PLC I/O分配表信 號(hào) 說(shuō) 明輸入信號(hào)接口: X100X104主軸正向運(yùn)行/停止主軸反向運(yùn)行/停止主軸高擋到位檢測(cè)主軸抵擋到位檢測(cè)故障輸出檢測(cè)接口: X200X201主軸正轉(zhuǎn)/停止主軸反轉(zhuǎn)/停止主軸控制PLC子程序的有關(guān)變量定義，見表3。表3 主軸控制PLC子程序的有關(guān)變量定義3.4 主軸換檔及參數(shù)設(shè)置根據(jù)表4中變量地址說(shuō)明編制主軸換擋PLC程序，并對(duì)主軸換擋相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。表4 變量地址說(shuō)明信 號(hào) 說(shuō) 明輸入信號(hào)接口: X100X104主軸正向運(yùn)行/停止

18、主軸反向運(yùn)行/停止主軸高擋到位檢測(cè)主軸抵擋到位檢測(cè)故障輸出檢測(cè)接口: X200X201主軸正轉(zhuǎn)/停止主軸反轉(zhuǎn)/停止主軸具有上下兩極速度，每檔均具有到位檢測(cè)信號(hào)。換擋可以通過(guò)編程的速度自動(dòng)激活，也可以通過(guò)M41低檔和M42高檔實(shí)現(xiàn)。接口信號(hào)說(shuō)明如表5。表5 接口信號(hào)說(shuō)明參數(shù)號(hào)定義備注PLC數(shù)據(jù)PLC數(shù)據(jù)，用戶定義，此程序中用于低速齒輪到位信號(hào)PLC數(shù)據(jù)PLC數(shù)據(jù)，用戶定義，此程序中用于高速齒輪到位信號(hào)急停有效來(lái)自NCK的信號(hào)，接口NCKPLC只讀復(fù)位送到NCK的信號(hào)，接口PLCNCK可讀/可寫進(jìn)給使能禁止送到NCK的信號(hào)，接口PLCNCK可讀/可寫讀入使能禁止進(jìn)給/主軸停止送到主軸的信號(hào)，接口PLCNCK可讀/可寫擺動(dòng)速度剩余行程/主軸復(fù)位送到主軸的信號(hào)，接口PLCNCK可讀/可寫實(shí)際齒輪級(jí)A送到主軸的信號(hào)，接口PLCNCK可讀/可寫實(shí)際齒輪級(jí)B實(shí)際齒輪級(jí)C主軸齒輪換擋來(lái)自主軸的信號(hào)，接口NCKPLC只讀給定齒輪級(jí)A給定齒輪級(jí)B給定齒輪級(jí)C程序流程圖如下：圖7 主軸換擋流程圖四、結(jié)論本文對(duì)西門子802C數(shù)控車床主軸電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了如下一些工作：1完成了基于SINUMERIK 802C的主軸PLC控制程序和相關(guān)的接口電路原理圖。2熟悉了該車床由CNC裝置，主軸控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，交流伺服驅(qū)動(dòng)單元，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元，輸入輸出裝置，工作