基于西门子802S的数控铣床电气设计.docx

基于西门子802S的数控铣床电气设计.docx

《基于西门子802S的数控铣床电气设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于西门子802S的数控铣床电气设计.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于西门子802S的数控铣床电气设计

摘要

普通机床的数控化再制造，是一项可以节约大量的资金的新技术。

通过对旧机床的数控化再制造后，使机床性能接近新的机床，提高了零件的加工精度，改善了工作环境，提高了劳动生产率，缩短了制造周期。

数控机床设计是一项由多个单元组成的系统工程。

通过将系统的各个单元结合成另一个大的系统，使各单元的功能不仅能够相互叠加，而且可以使各单元相互辅助、相互促进与提高，从而使整体的功能大于各单元功能的简单之和。

在设计过程中针对西门子系统的功能及X52铣床的数控化改造的一般方法，确定铣床数控改造的总体设计方案,完成X52机床进给系统、主轴系统等部分的数控化改造的设计，确定进给系统和主轴系统的传动、驱动方案，选择主要驱动装置及其它元器件,根据X52K铣床主要辅助功能的实现方案，设计有关PLC控制程序，并完成系统参数设置等任务。

关键词：

铣床,数控化改造,电气系统 

ElectricalDesignofSiemensNumericalControlMillingMachineBasedon802s

Abstract

Theordinaryenginebednumericalcontrolmakesagain,isoneitemmaysavethemassivefundnewtechnology.Throughmakesagainaftertheoldenginebednumericalcontrol,causestheenginebedperformanceclosenewenginebed,increasedthecomponentsprocessingprecision,improvedtheworkingconditions,enhancedthelaborproductivity,reducedthemanufacturecycle.Thenumericalcontrolenginebeddesignisoneitemthesystemsengineeringwhichiscomposedbymanyunits.illcombinetoformthroughthesystematiceachunitanotherbigsystem,notonlywillenablevariousunitsthefunctiontosuperimposemutually,moreovermightmakevariousunitstoassist,topromoteandtheenhancementmutuallymutually,thuswillcausethewholethefunctiontobebiggerthanvariousunitsfunctionthesimplesum.

ThegeneralmethodofnumericalcontroltransformationforSiemenssystemfunctionandX52millingmachineinthedesignprocess,determinetheoveralldesignschemeofCNCmillingmachinetransformation,completedthedesignofNCmachinetoolfeedsystem,X52andotherpartsofthespindlesystem,determinethefeedsystemandthespindlesystemofthetransmission,drivescheme,selectionofmaindrivingdeviceandotherparts,accordingtotheschemeofmainauxiliaryfunctionofX52Kmillingmachine,thedesignofPLCcontrolprogram,andcompletedthesystemparametersettingetc..

Keywords:

Millingmachine,Numericalcontroltransformation,electricalsystem

摘要…………………………………………………………………………………………Ⅰ

ABSTRACT……………………………………………………………………………………Ⅱ

1绪论…………………………………………………………………………………1

1.1数控系统发展简史…………………………………………………………………1

1.1.1数控NC阶段………………………………………………………………1

1.1.2数控CNC阶段……………………………………………………………1

1.1.3数控技术未来发展方向……………………………………………………1

1.2数控机床的基本组成结构和主要功能……………………………………………2

1.3SINUMERIK数控系统的介绍…………………………………………………3

1.4本次毕业设计的任务………………………………………………………………3

2总体改造方案设计…………………………………………………………………………5

2.1X52K立式铣床的简介……………………………………………………………5

2.1.1X52K立式铣床的结构……………………………………………………5

2.1.2X52K立式铣床的参数……………………………………………………6

2.2控制系统的改造……………………………………………………………………7

2.2.1主轴变频器电气控制改造…………………………………………………7

2.2.2进给系统改造………………………………………………………………8

2.3数控机床的外观造型………………………………………………………………8

3电气系统硬件设计…………………………………………………………………………10

3.1数控系统的硬件连接和功能接口…………………………………………………10

3.2主轴及其控制………………………………………………………………………14

3.2.1主轴的控制方式……………………………………………………………14

3.2.2主轴变频器MICROMASTER420电气控制……………………………14

3.3进给轴及其控制……………………………………………………………………15

3.3.1数控机床对伺服驱动系统的要求…………………………………………16

3.3.2数控机床对伺服电机的要求………………………………………………16

3.3.3步进电机的选择……………………………………………………………16

3.4PLC的电气改造……………………………………………………………………18

4参数的设置及plc程序的设计…………………………………………………………19

4.1回参考点运行………………………………………………………………………21

4.2静态极限监控………………………………………………………………………22

4.3反向间隙补偿………………………………………………………………………23

4.4主轴启停控制分析…………………………………………………………………25

4.5主轴换档控制分析…………………………………………………………………27

4.6进给轴主轴使能控制分析…………………………………………………………30

总结………………………………………………………………………………………29

致谢………………………………………………………………………………………30参考文献……………………………………………………………………………………31

附录…………………………………………………………………………………………32

1绪论

1.1数控系统发展简史

1.1.1数控NC阶段

早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不打，不能适应机床实时控制的要求。

人们采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。

这个阶段历经了三代发展：

第一代NC是电子管NC。

它是1948年美国怕森兹公司为研制新型直升机桨叶，在MIT的协助下，于1952年完成的。

由电子管、继电器、模拟电路构成的三坐标连续轨迹控制的数控铣床，用作数控机床的原型机或样品机。

第二代NC是晶体管NC。

1958年，晶体管取代了电子管，并广泛采用印制线路板。

第三代NC是采用小规模集成电路的NC。

1965年的三代—小规模集成电路。

1.1.2计算机数控（CNC）阶段

通用小型计算机已出现并成批生产，于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（NCN）阶段（把计算机前面应有的“通过”两个字省略了）。

到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件—运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。

到1974年，微处理器被应用于数控系统。

这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕，不如采用微处理器经济合理，而且当时的小型机可靠性也不理想。

早期的处理器的速度和功能虽还不高，但可以通过多处理器结构来解决。

由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。

到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。

数控系统从此进入了基于PC的阶段。

计算机数控阶段也经历了三代：

即1970年的第四代—小型计算机；1974年的第五代—微处理器和1990年的第六代—基于PC。

1.1.3数控技术未来发展方向

基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统厂家会走上这条道路。

至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程和联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。

PC机所具有的友好的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯、远程诊断和维修将更加普遍。

日本、欧盟和美国等针对开放式的CNC。

要求数控系统高速处理并计算出伺服电机的移动量，并要求伺服电机能快速地做出反应。

为使在极短的空程内达到高速度和在高行程速度下保持高定位精度，必须具备高加、减速度和高精度的位置检测系统和伺服品质。

通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来提高极度。

随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。

（a）用自适应控制技术。

数控系统能检测过程中的一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。

（b）引入专家系统指导加工。

将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律与特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库伟支撑，建立具有人工智能的专家系统。

当前，已开发出来模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络电火花加工数控系统。

（c）引入故障诊断专家系统。

当数控机床某部分出现故障时，故障诊断专家系统会进行判断、反馈，产生报警，或显示故障代号、故障部位等信息。

（d）智能化数字伺服驱动装置。

通过自动识别负载而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。

1.2数控机床的基本组成结构和主要功能

数控机床有输入介质、人机交互设备、计算机数控装置、进给伺服驱动系统，主轴伺服驱动系统、辅助装置、可编程控制器、反馈装置和适应控制装置等部分组成。

（a）控制介质：

即在人与数控机床之间建立某种关系的媒介，常见的有磁带、磁盘等。

（b）人机交互设备：

即操作面板。

该部分主要包括键盘和显示器。

（c）计算机控制装置（CNC）：

CNC是数控机床的一个核心部分，他由运算器、控制器（运算器和控制器构成CPU）、存储器、输入接口、输出接口等。

（d）进给伺服驱动系统：

该系统由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电动机组成。

其作用主要是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件。

进给伺服驱动系统的控制数控机床工作台或移动刀架的位置控制系统，它是一种直线运动。

（e）主轴驱动系统：

现代数控机床对主轴的要求较高，需要有较高的转速，并且可以实现无极调速的功能。

机床主轴的运动是旋转运动。

这要求主传动电机能够输出较大的功率。

同时数控机场的主驱动系统能在主轴的正反方向都可以实现转动和加减速。

（f）辅助控制装置：

包括液压泵，冷却泵等控制接口电路。

在这些电路中包括了换向阀电磁铁和接触器等电气元件，通过可编程控制器进行控制，使得以上的功能都可以简单的实现。

（g）可编程控制器：

它把计算机送来的辅助控制指令转换成强电信号，用来控制数控机床的顺序动作，定时计数、主轴电机的启动、停止、转速的调整等动作。

1.3SINUMERIK802S数控系统的介绍

SINUMERIK802S是一种典型的经济型CNC系统。

该控制系统具有以下特点：

（a）结构紧凑，高度集成于一体的数控单元，操作面板，机床操作面板和输入输出单元。

（b）机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易。

（c）简单的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用。

802S系统标准配置包具备了所有的必要组成单元:

NC,PLC,操作面板,机床控制面板,输入/输出单元及系统软件.操作编程极其简便、免维护、性能价格比高，是专门为低端CNC机床市场而开发的经济型CNC控制系统。

在中国的销售非常成功。

采用电容防止掉电引起的数据丢失。

程序的变化和新程序软件存储。

系统软件面向车床和铣床应用，并可单独安装。

在每一个工具盒中都包含有车床和铣床 802S具有和802C同样的显示器，操作面板，数控功能，PLC编程方法等，所不同的只是SINUMERIK802S带有步进驱动系统，控制步进电机，可带3个步进驱动轴及一个+/-10V模拟伺服主轴；而SINUMERIK802C带有伺服驱动系统,它采用传统的模拟伺服+/-10V接口,最多可带3个伺服驱动轴及一个伺服主轴。

最新推出的802Se/Ce,更是将CPU、输入输出点（48个24V的直流输入和16个24V的直流输出，输出同时工作系数为0.5时负载能力可达0.5A）、控制接口等所有部件集成在面板背后，一体化的设计使得使用维护更为方便。

因此802S和802C系统非常适合于普通机床、数显机床的数控化改造以及低档数控机床的数控配套和改造。

我们曾经应用的场合有数控车床、数控镗铣床、数控磨床、枪钻机床、专机等。

SINUMERIK802Sbaseline控制软件已经存储在数控部分的Flash-EPROM（闪存）上，Toolbox软件工具（调整所用的软件工具）包含在标准的供货范围内。

系统不再需的PLC程序示例，以便用户能很快地调试完毕。

1.4本次毕业设计的任务

（a）针对西门子802s系统的功能及X52铣床的数控化改造的一般方法，确定铣床数控改造的总体设计方案。

（b）完成X52机床进给系统、主轴系统等部分的数控化改造的设计，确定进给系统和主轴系统的传动、驱动方案，选择主要驱动装置及其它元器件，设计铣床电气原理图。

（c）根据X52K铣床主要辅助功能的实现方案，设计有关PLC控制程序，并完成系统参数设置等任务。

（d）编写设计说明书，整理设计图纸、PLC控制程序，要求说明书和设计图表达正确、工作量达标。

在设计过程中应该对西门子802S数控系统的组成以及安装调试和它的对外接口了解清楚，同时绘出电气原理图以及PLC程序的设计，也要完成一些重要参数的设定，例如回参考点的设定，硬软件限位开关的参数设定，反向间隙补偿等，也要对X52K立式升降铣床的组成和工作原理有所了解。

通过查资料清楚数控机床的PLC控制。

通过变频器实现主轴的无级调速。

2总体改造方案设计

2.1X52K立式铣床的简介

本机床是一种强力金属切削机床，机床的主轴传动系统由功率为7.5kw的电动机驱动，能承受重负荷切屑。

主轴锥孔可直接或通过附件安装各种圆柱铣刀、圆片铣刀、成型铣刀、端面铣刀等刀具，适于加工各种零件的平面、斜面、沟槽、孔等，是机械制造、模具、仪器、仪表、汽车、摩托车等行业的理想加工设备。

图2-1X52K立式铣床实物图

2.1.1X52K立式铣床的结构

X52K为立式升降台铣床，其主轴轴线垂直于工作台面，外形如图2-1所示，主要由床身、立铣头、主轴、工作台、升降台、底座组成。

图2-2X52K立式铣床结构图

（a）床身—固定和支承铣床各部件；

（b）立铣头—支承主轴，可左右倾斜一定角度；

（c）主轴—为空心轴，前端为精密锥孔，用于安装铣刀并带动铣刀旋转；

（d）工作台—承载、装夹工件，可纵向和横向移动，还可水平转动；

（e）升降台—通过升降丝杠支承工作台，可以使工作台垂直移动；

（f）变速机构—主轴变速机构在床身内，使主轴有18种转速，进给变速机构在升

降台内，可提供18种进给速度；

（g）底座—支承床身和升降台，底部可存储切削液。

X52K立式铣床的特点:

（a）立铣头可在垂直平面内顺、逆回转调整±45°，拓展机床的加工范围；主轴轴承为圆锥滚子轴承，承载能力强，且主轴采用能耗制动，制动转矩大，停止迅速、可靠。

（b）工作台X/Y/Z向有手动进给、机动进给和机动快进三种，进给速度能满足不同的加工要求；快速进给可使工件迅速到达加工位置，加工方便、快捷，缩短非加工时间。

（c）X、Y、Z三方向导轨副经超音频淬火、精密磨削及刮研处理，配合强制润滑，提高精度，延长机床的使用寿命。

（d）润滑装置可对纵、横、垂向的丝杠及导轨进行强制润滑，减小机床的磨损，保证机床的高效运转；同时，冷却系统通过调整喷嘴改变冷却液  流量的大小，满足不同的加工需求。

（e）机床设计符合人体工程学原理，操作方便；操作面板均使用形象化符号设计，简单直观。

2.1.2X52K立式铣床参数

表2-1X52K立式升降铣床参数

 X52K立式铣床主要技术参数

 X52K

 主轴端面至工作台距离（mm）

 45～415

 主轴中心线到床身垂直导轨的距离（mm）

 350

 主轴孔锥度

 7：

24ISO50

 主轴孔径（mm）

 29

 主轴转速（r.p.m）

 30～1500/18极

 立铣头最大回转角度

 ±45°

 主轴轴向移动距离（mm）

 85

 工作台工作面（宽度×长度）（mm）

 1325×320

 工作台行程纵向/横向/垂向（手动/机动）（mm）

 720/700、255/240、370/350

 工作台进给范围纵向/横向/垂向（mm/min）

 23.5～1180/23.5～1180/8～394

 工作台快速移动速度纵向/横向/垂向（mm/min）

 2300/2300/770

 T型槽槽数/槽宽/槽距（mm/）

 3/18/70

 主电机功率（mm）

 7.5

 进给电机功率（kw）

 1.5

 外形尺寸（mm）

 2530×1890×2380

2.2控制系统的改造

电气部分：

安装微型机数控系统。

它包括：

CPU，扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；能输入加工程序和控制命令的键盘；能显示加工数据和机床状态信息的显示器；光电隔离电路和步进电机驱动电路；螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其它辅助电路。

2.2.1主轴变频器电气控制改造

数控铣床的主轴如果采用齿轮变速,难以进行精密恒定线速度控制，且需要按时定期维修离合器。

直流型主轴虽然可以无级调速，但必须维护换向器，其最高转速亦受到限制。

数控铣床的主轴若采用变频器控制即可消除这些限制，可对普通电动机直接变速传动，因此可以去掉离合器，实现主轴的无级调速。

主轴变频器的基本选型上，目前较为简单的一类变频器是V/F控制（简称标量控制），它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性V/F控制（用于恒转矩）和平方V/F控制（用于风机水泵变转矩）。

所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。

矢量控制相对于标量控制而言，其优点有:

（a）控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;

（b）能适应要求高速响应的场合;

（c）调速范围大;

（d）可进行转矩控制。

当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。

2.2.2进给系统改造

数控机床的进给系统是由伺服电机驱动（由于铣削时作用在电动机轴上的负载转矩较大，所以要选择大功率的步进电动机，而大功率步进电动机驱动较困难。

步进电动机没有过载能力，在高速运动时转矩下降很多，容易丢步。

要是改造后的铣床进给伺服性能较好，在改造中也常采用直流伺服电动机驱动），通过滚珠丝杠带动刀具或工件完成各坐标方向的进给运动。

为确定进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械装置时，以“无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度”为原则，具体措施有：

（a）采用低摩擦、轻拖动、高效率的滚珠丝杠和直线滚动导轨；

（b）采用大扭矩、宽调速的伺服电机直接与丝杠相联接，缩短和简化进给传动链；

（c）通过消隙装置消除齿轮、丝杠、联轴器的传动间隙；

（d）对滚动导轨和丝杠预加载荷，预拉伸。

丝杠传动直接关系到传动链精度。

丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。

滚珠丝杠具有摩擦损失小，效率高等特点，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。

因此可满足较高精度零件加工要求。

因此此次的西门子数控铣床选择滚珠丝杠。

滚珠丝杆螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置。

它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。

该部分主要是由丝杆、螺母、滚珠和滚道、螺母座等组成的。

其工作原理是：

在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。

而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。

回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。

2.3数控机床的外观造型

数控机床的外观大都采用线型简洁的板块组合式全封闭安全防护罩，配备有现代特征的集操作、显示、控制于一体的操作面板，淘汰了普通机床各种操作手柄、手轮和线型复杂零散的多面型表面形态。

安全防护罩可防止高压、大流量冷却液及铁屑飞溅，减少粉尘入侵，隔声降噪，有利于机床的精度保持和环境保护，真正体现了机、电、液一体化的特点。

机床附件的作用是配合机床实现自动化加工。

数控机床专用的附件有：

对刀仪,自动编程机,自动排屑器,物料储运及上下料装置,自动冷却、润滑及各种新型配套件如导轨防护罩等。

3电气系统硬件设计

3.1数控系统的硬件连接和功能接口

系统的接口布局一般系统的接口都位于机箱的背面如图3-1所示。

图3-1系统的接口布局