（电气工程专业论文）xk8170数控万能工具铣床的电气设计.pdf

t i t l e ：e l e c t r i c a ld e s i g no fx k 8 1 7 0w i t hc n c u n i v e r s a lt o o l m l l l i n gm a c h i n e s u b j e c t ：e l e c t r i ce n g i n e e r i n g a u t h o r ：l a n g a n gq i s u p e r v i s o r ：p m f q i a n gs u ns i g n a t u r e ： p r o f r u n y u a nl ls i g n a t u r e ： a b s t r a c t t h ea u t h o rh a sp 靠f o 删t h ef i l r l b e rr e s e a r c ha n da n a l y s i sf o r t h en cm a c h i n ed 髓i g na n d m o d i f i c a t i o nc o m b i n e dw i t hn cm a c h i n em o d i f i c a t i o np r o j 融o f 坩c o m p a n y0 1 1t h eb a s i so f t h ec o n s t a n tc o n s u l t a t i o no fa b u n d a n tr e l a t i v em a t e r i a l s t h i sp a l m f o c u s e so nd e s c r i b i n gt h e d e s i g no fc o n v o ls y s t e mo f t h em a c h i n e n cs y s t e mi st h ec a i t 髓j i z a t i 伽o ft h ew h o l ec o n t r o l s y s t e m , t h ec n cs y s t e m , e l e c t r i c a lc o n 缸 o ls y s t e ma n dt h es e r v os y s t e mc 缸b eo j 辩蒯 c o o r d i n a t e l ya n du n i f o r m l yv i at h ed e s i g no f p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rs 0a st or c a u z 宅t h en c i ta l s od i s c u s s e st h ec o n t e n ta n ds t e po ft h es y s t e ma 由搬缸n e n to ft h ew h o l en cm a c h i n e , a n a l y s e st h ep l cc o n t r o lp r o c e d u r eo f n c m a c h i n es y s t e m a t i c a l l y , a n di 由瑚临t h ep a r a m e t e r s o f t h ec n cm a c h i n eb a s e do nt h ed e s i g no f n cm o d i f i c a t i o n , i na d d i t i o n , t h en cs y s t e mh a s b e e na d j u s t e da n dl o c a t e dt oo p t m z et h ew h o l ec o n t r o lp e r f o r m a n c e t h e 掀i l i a r yf u n c t i o no f t h em a c h i n ei sd e s i g n e d ，t h em o v i n gt r a c eo fe a c h 碰si si n e s s u r e da n dt h ec a u s e so fe i t o r w h i c hd e a lw i t ht h eu s eo ft h ep o w e r f u le r r o n e o u sc o m p e n s a t i o no ft h en cs y s t e mo ft h e m a c h i n ea r e 缸a l y z e d f i n a l l yt h em a c h i n ei sm o d i f i e ds u c c e s s f u l l ya n dr e a c h e dt h es t a n d a r d s a se x p e c t e d k e yw o r d s ：n cm a c h i n e ；s e r v osy s t e m ；c o n 位o ls y s t e m ；p r og r a m m a b l e c o n 血 o l l c r 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：盈瞧鲴a 刁年，口月动日 学位论文使用授权声明 、旅叫厶，1 本人j 盔瓤兰逸竭在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者躲触导师躲翅血垆朋沙日 第1 章前言 随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，中、 小批量的生产越来越多。在机械、军工、航空工业，中、小批零件的生产几乎占产品数量 的7 5 - - 8 0 9 6 ，而且零件外形越来越复杂，精度要求也越来越高。传统的机床己不能满足 要求，柔性加工的重要性更加突出，数控机床的需求日益增大“1 获得数控生产能力的途 径有两种：购买新设备和旧设备的更新改造，购买新数控设备所需资金较大，在技改资金 短缺的情况下，通过对旧设备的改造来获得数控加工能力不失为一种有效的途径，数控机 床改造成为一个重要的研究课题。 1 1 课题立项背景 京仪世纪公司是我国生产万能工具铣床的骨干企业，创建几十年来，先后设计、试制、 改进改型了近3 0 种机床产品。从八十年代末期，公司开始在机床应用数控技术，1 9 8 8 年 从意大利引进了r u 8 0 0 数控万能工具铣床，并陆续设计开发了经济型数控万能工具铣床 x k 8 1 3 0 a 、x k 8 1 3 2 ，数控万能工具铣床x k 8 1 4 0 a 、x k 6 1 0 2 、x k ? 1 3 2 ，x k 8 1 7 0 1 加工中心x h t l 4 、 d m l 0 0 7 、 a 1 7 1 3 2 ；数控车床c k 6 1 1 0 、c k 6 1 1 0 、c k 6 1 2 5 、c k 6 1 2 5 a 、c k 6 1 2 5 b 等一系列产品， 扩大了公司市场产品覆盖面，增加了公司的经济效益也为京仪公司在国际国内机床市场 赢得了一席之地。 近几年来，在国内航空、军工、轻工业及机械制造业，机械加工中己大量使用数控机 床、数控加工中心、柔性制造系统等自动化设备，就京仪公司的现状而言，随着国内需求 变化，市场对于机床的要求也不断变化，尽管近几年来已成功开发了一些数控机床，但是 一些早期设计的数控机床的电气部分，仍在使用七八十年代的老电气设计方案，这也严重 制约了这部分产品的市场前景。要想摆脱这一被动局面，提高机床产品的市场占有率，必 须对早期的数控机床进行新的技术改造。从九十年代末开始，公司开始利用新技术来设计 改造旧的数控机床，通过技术改造，使这些机床达到用户对机床精度及功能的要求，大大 降低了机床故障率，提高了机床的可靠率，延长这些机床产品的市场销售寿命。同时，这 些改造项目的完成，也在短期内，通过较小的资金投入，极大地缓和了公司机床产品销售 种类和生产能力的矛盾正是在这种背景下，开始本课题的研究工作。与以往的数次数控 机床改造相比，本课题具有以下特点： 1 数控系统的更新改造：即采用新型数控系统代替老化的旧数控系统：是对机床控制 系统的一次重新设计 2 本次改造中，采用了世界上功能最强的数控系统之一西门予8 1 0 d c n c 系统实现数控 功能。 西安理工大学工程硕士学位论文 3 开发8 1 系统的功能，对进给系统进行补偿 因此，本课题有许多新的技术难题需要研究解决。相信通过本课题研究实施，不但可 有效提高该机床加工范围及零件加工精度，极大地提高机床生产效率在合理使用机床， 提高工厂产品素质方面，也具有其切实的现实意义 1 2 机床概况及改造的方案措施和技术难点 x k 8 1 7 0 数控万能工具铣床是我厂为了适应市场需要，而开发的一种数控万能工具铣 床。特别适合于模具加工、仪器仪表、机械制造、刀具、夹具等行业各类复杂零件的加工。 其加工的行程范围为：8 0 0 x 7 0 0 x 5 0 0 咖x k 8 1 7 0 数控万能工具铣床的机床本体是我厂引 进意大利兰包第工业公司r u 8 0 0 万能工具铣床技术图纸与生产工艺，由我厂实现本土化制 造的机床本体机械结构有着刚性强，精度高，机械行程大等优点。八十年代末至九十年 代初的数控系统、伺服驱动器和电机的配置为模拟信号控制，机床主轴电机及伺服电机均 为直流电机。直流电机具有低速特性好，控制原理简单可靠等优点，但由于电机碳刷的磨 损需维护更换带来诸多不便，九十年代初后，逐步被交流伺服电机取代，数控系统为模拟 信号控制。众所周知，模拟信号的非线性以及随温度的变化而产生的信号的偏移使精确控 制十分困难，由于大量继电器组成的逻辑控制电路，线路复杂，难于维护故障率高，备 件无供应，因此，电气售后服务已无法满足机床用户生产的要求，进行改造设计已势在必 行。9 7 年后全数字控制系统开始普遍应用，通过改变参数调节系统的控制特性，总线控 制使得接线简单、可靠的同时使得体积大幅减小，功能增强，为用户控制需求的选择提供 了广泛的空间。 1 ，2 1 数控万能工具铣床x k 8 1 7 0 机床简介 x k 8 1 7 0 数控万能工具铣床总体由数控系统、伺服系统、电气控制柜、液压系统、机 床本体等部件组成，其结构如图卜l 所示。控制系统结构如图卜2 所示，可实现x ，y ，z 坐标运动，x 坐标即工作台沿升降台纵向移动，y 坐标即主轴座及铣头沿床身导轨的横向 移动，z 坐标即升降台带动工作台沿床身立导轨垂向移动，x 、y 、z 坐标运动采用的是伺 服电机与滚珠丝杠通过圆弧齿同步带轮2 ：1 降速传动，机床主传动通过圆弧齿同步带轮 减速，再通过过渡轴和一对螺旋锥齿轮传递给垂直主轴；或由过渡轴上的滑移齿 轮传递给水平主轴，实现主轴切削。控制系统采用的是d y n a p a t hd e l t a2 0 1 4 系统 2 图l - 1 机床结构图 龟1 if a c i e so fm a c h i n e 机床主要技术参数 工作台面( 长x 宽)7 0 0 x9 0 0 m m 三向行程 纵向(x坐标)800m 横向( y 坐标) 7 0 0 m m 垂向( z 坐标)5 0 0 m 主轴转速4 0 3 0 0 0 r m i n 进给速度( x 、y 、z )1 4 0 0 0 m 机床电气系统是控制机床各部分的工作，协调完成机床加工任务的核心部分，它由大 量继电器构成复杂的逻辑控制电路，通过接受由控制面板及机床各部分位置开关传来的信 号经硬件逻辑运算，确定并控制机床的状态。从功能上，它可分为：三个坐标轴的控制、 各坐标轴伺服电机速度、位置控制、装卸刀、润滑系统、冷却系统、液压系统等辅助功能 的控制从其结构功能上可以看出功能的复杂多样，必然要用复杂的控制系统来实现，该 机床复杂的继电器逻辑控制线路构成的电气控制系统经长期使用，故障率高，由于许多备 件必须进口，而且有些已不在生产，故难于维护。随着计算机及电子控制技术的发展，p l c 或c n c 控制系统已经越来越多用于实现这种复杂多样的控制，因此，对机床改造已势在必 行 3 西安理工大学工程硕士学位论文 1 2 2 本课题的改造方案及研究的内容 首先确定数控系统，通过比较数控系统的功能之后，我们选用西门s i n u 狐r i 髓1 0 d 数控系统与6 l i d 伺服驱动模块构成了全数字控制系统。本次改造分两步完成，第一步对 机床进行安装调试，完成数控的基本功能，第二步运用使用检测工具对机床各轴动轨迹进 行测量，分析误差产生的原因，并利用数控系统其强大的补偿功能，对机床进行误差补偿 将机床的精度再提高一个档次。 1 完成数控基本功能所必须的工作电气控制系统设计。 它包括电气原理图设计，控制柜、接线图设计，计算电机扭矩，选定电机，确定各坐 标位置反馈方式数控系统的安装调试。根据数控系统的特点和机床的要求，调整系统机 床参数，使数控系统正常可靠地工作。可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i oc o n t r o l l e r 缩写为p l c ) 的设计。确定可编程控制器输入输出点数，设计接口电路，并根据机床操作 及运动要求利用西门子s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统所搭配的西门子$ 7 - 3 0 0 可编程控制器编 制控制程序。使数控系统、伺服系统与机床其他部分之间协调一致工作。 2 使用检测工具对机床各轴动轨迹进行测量并利用数控系统的补偿功能对其进行误 差补偿 众所周知数控机床的优劣取决于其精度指标，其中几何精度、定位精度及工作精度三 项。机床的几何精度主要靠工件加工母机的精度及装配过程中人工刮研的方法来解决，保 证坐标轴之间，坐标轴与主轴之间的平行度、垂直度精度要求符合机床的设计指标。定位 精度和重复定位精度是c n c 所发生的定位指令与执行元件反馈指令的误差，误差越小定位 精度越高。在半闭环控制系统中，由于丝杠螺距、传动链的误差存在，机床的反向间隙较 大，主要靠数控系统的反向间隙补偿和丝杠螺距补偿来实现。现代c n c 系统为提高定位精 度，较之过去采用高分辨率的编码器，传动链采用无键连接的无间隙连接等项措旄，使控 制精度得以提高。但由于反向间隙是随机的，任意一点的反向均有不同。这样，间隙的补 偿就存在一定困难，一般采取取平均值方法，这样到丝杠螺距补偿就交得较困难。全闭环， 由于其反馈值是位置误差，这样丝杠螺距误差、传动链的误差均在位置控制环内，其机床 定位精度主要取决于反馈元件光栅尺本身的精度误差。s i n u m e r i k8 1 0 d 采用3 2 位微处理 器进行数据处理，为我们把整个行程无限细分进行补偿提供了可能，通过这一技术可使机 床各坐标运行的可靠性和定位精度大幅度提高运用了圆周补偿功能当我们在加工一 个圆的时候，墨y 坐标要在四个象限内运行。当过象限的时候，肯定要有一个坐标的速 度由正变负，或由负变正。由于摩擦或机械特性改变，动态响应跟不上，在过零点的时候， 会产生停滞。这样会加工出内凹或外凸的圆。根据误差出现在圆周上出现的位置不同，通 过圆周补偿时阃常数、加速度、增益的调整，可以来校正这种内凹或外凸的误差，面不器 改造机床的基本结构 1 2 3 项目的主要技术指标 x k 8 1 7 0 机床控制的基本要求： 1 三轴联动全闭环控制，定位精度0 0 2 r a m ，重复定位精度0 o l 咖。 2 升降( z 轴) 负载( 自重加工件) 重量约一吨，要求升降平滑，断电不溜车。配 液压平衡油缸且z 轴电机带制动器 3 液压拉刀。 4 数控系统接口可与外部计算机相联，实现内外数据交换以及大容量加工程序的缓 冲输入功能。 根据以前机床的使用情况，以及机械部分的现状，对本次改造制定以下主要技术指标 坐标行程x ：8 0 0 m m y ：7 0 0 m mz ：5 0 0 m 工作速度x ：l 4 0 0 蝴i ny ：1 4 0 0 0r a m r a i n z ：1 4 0 0 0m m m i n 快速进给速度 5m m i n 基于上述对机床控制的要求以及对国内外数控系统的比较，本设计选用德国西门子 8 1 0 d 数控系统来实现三轴全闭环控制，各坐标采用交流伺服驱动，代替直流驱动系统， 保留了原有的传动方式，采用西班牙f a g o r 公司的光栅尺作为位置反馈元件，光栅尺本身， 精度可以满足定位精度0 0 1 m m 的要求。原主轴系统、冷却系统保持不变，使维修起来更 方便。机床液压系统的工作原理是采用液压油缸平衡升降( z 轴) 负载，同时为机床提供 液压装卸刀具、主轴喷雾润滑、导轨润滑等辅助功能。数控系统通过对液压系统控制，可。 定时自动问歇润滑。改造后的机床具有如下功能： 1 加工程序的图形模拟功能 2 蓝图编程 3 输入方式具有手动数据输入( m a n u a ld a t ai n p u t 缩写为肋i ) 和软盘输入两种 4 最小编程单位：0 0 0 1 m m 5 用户程序存储器容量：可提供4 5 0 l i b 左右的硬盘( 选件) 空间可供用户存储零件加 工程序及备份系统参数 6 刀具补偿功能。 7 具有加工程序编辑、检索、单段运行、自动运行、空运行功能，可手动操作，具有 快进倍率、倍率、坐标轴保持、应急停等功能。 8 主轴可手动及编程控制启、停及高低转换。 9 冷却液可手动及编程控制开、闭。 l o 具有开机润滑、手动润滑、自动润滑功能。 通过上述改造工作，使该机床成为一台高效率、高精度的数控机床。 西安理工大学工程颈士学位论文 第2 章机床控制系统设计 2 1 西门子s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统概述 本项目采用s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统、西门子6 1 1 d 伺服驱动模块和s i m a t i c s 7 - 3 0 0 可编程序控制器一起，构成全数字式控制系统，实现数控加工功能。其适用于各种复杂 加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。其中西门子8 1 0 dc n c 系统 是德国西门子公司所推出的功能强大的数控系统，与其他c n c 系统相比，其内部结构和 操作界面都有了极大的改变，西门子s i n u 狐r i k8 1 0 d 具有开放式高度的模块化、规范化 的数控系统，具有在运行状态就可以通过c c u 中的x 1 2 2 接口通过p c 适配器与p c 或西门 予专用p l c 编程器进行数据通讯的能力西门子s i n u 姬r i k8 1 0 dp o w e r l i n e 中包含了多 项革新技术：新型强有力的c c u 3 和删i ，在c c u 3 系统中，包含了个高速n c ，一个功 能强大的$ 7 - 3 0 0p l c 和一个用于6 轴控制的新型驱动专用门阵列集成电路芯片，这三个 部件确保了更短的加工循环周期，因而提高了生产效率。在数字化控制的领域中， s i n u m e r i k8 1 0 d 第一次将c n c 和驱动控制集成在一块板子上，即8 1 0 d 系统没有驱动接 口。而西门子8 1 伽数控系统是封闭式。对于西门子8 l 伽来说，只有在i n - o u t 方式下才 能进行数据通讯，必须通过专用p l c 编程器将p l c 程序写入e p r o l d 中。这样以来对于使用 和维修都是十分不便的。从控制的角度来说，s i n u 砸r i k8 1 0 d 可控制高达六个轴。甚至 可以按照机床需要，分别控制4 个进给轴和2 个主轴。除了标准的伺服电机以外， s i n u m e r i k8 1 0 d 亦可装配同步轴、线性电机和扭矩电机 i o j 。 s i n l 蹦e r i k8 1 0 d 的系统控制参数可以通过t f t 液晶显示器和键盘进行修改，并且 每一个参数都具有文字说明：其操作界面也采用了与p c 机类似的窗口、菜单式界面。 s i n u 姬r i k8 1 0 d 的n c 用户内存( r 删) 可达2 5 岫，可用于零件编程、刀具补偿和零点 偏置，n c 用户内存空间动态分配。s i n u 狐r i k8 1 0 d 的p c u 中带有磁盘驱动接口( p c u 2 0 为可选配置，p c u 5 0 或p c u 7 0 为标准配置) ，机床生产商可根据客户需要在p c u 磁盘驱动 接口处外挂硬盘，实现海量用户存储。尽管其他数控系统生产厂家近年来也相继推出了 一些与s i n u 胍r i k8 1 0 d 功能结构相当的数控系统，但考虑到公司的客户大多采用西门子 数控系统，对西门子系列c n c 系统的构成、硬件设置及p l c 的开发应用等方面都己有了 相当的经验，这将有利于本课题研究的顺利进行。同时，采用同系列c n c 系统，相同或 相似的各种硬件设备，也极大地减轻了今后对机床保养维护的各种负担。因此确定了采 用西门s i 删e r i k8 1 0 d 数控系统与6 1 1 d 伺服驱动模块的技术方案。 6 机床控制系统设计 2 1 18 1 n u m e r i k8 1 0 1 ) 数控系统组成及系统连接 一、s i n u 眦r i k8 1 0 d 数控系统组成 s i n u m e r i k8 1 0 d 是由数控及驱动单元c c u ，瑚c ，p l c 模块三部分组成。由于在集成 系统时，总是将s i m o d r i 、，e6 1 l d 驱动和数控单元c c u 并捧放在一起，并用设备总线互相 连接，回此在说明时将二者划归一处 咖c ( w a nm a c h i n ec o m m u n i c a t i o n ) 包括：o p ( o p e r a t i o np a n e l ) 单元，姗c 。m c p ( m a c h i n ec o n t r o lp a n e l ) 三部分。 p l c 模块包括：电源模块( p s ) ，接口模块( i m ) 和信号模块( 跚) 。捧安装在一根导 轨上 1 数控单元及驱动单元 i 8 1 0 d 与0 c u 数控单元是s i n u m e r i k 8 1 0 d 的核心，它被称为c c u ( c o m p a c tc o n t r o lu n i t ) 单元， 目前我们使用的是c c u 3 单元。c c u 单元内部集成了数控核心c p u 和s i m a t i cp l c 的c p u 并在c c u 中固化了s i n u 砸r k 8 1 0 d 数控软件和p l c 软件，c c u 上带有m p i 接口，r s 2 3 2 接 口，手轮及测量接口集成了s i m o d r i v e 驱动的功率模块。体现了数控系统与驱动的完 美统一 c c u 单元有两轴版和三轴版两种规格，两轴版用于带两个最大不超过l l n m ( 9 1 8 a ) 进给电机，可驱动即：2 x 1 i n m 。叁轴版用于带两个最大不超过9 n m ( 6 1 2 a ) 进给电机 和一个9 k w ( 1 8 3 6 a 的f d d 或2 4 3 2 a 的m s d ) 的主轴，即：2 x 9 n m + 1 x 9 e w ( 主轴) 。 c c u 单元上有6 个反馈接入口，最大可带5 轴包括1 主轴( 带位置环) ，根据需要可 在c g u 单元右侧扩展s i m o d r i v e6 1 1 d 模块，给机床配置带来更大的灵活性。本x k 8 1 7 0 改造在c c u 右侧安装一个s i m o d r i v e6 1 1 d 单轴模块，用于z 轴。 i i 驱动模块 s i n u m e r i k8 1 0 d 配置的驱动一般都采用s i m o d r i v e6 11 d 。其包括两部分组成，即： 电源模块与驱动模块( 功率模块) 。 电源模块主要为n c 和为驱动装置提供控制和动力电源，产生母线电压，同时监测电 源和模块状态。根据容量不同，凡小于1 5 k w 均不带馈入装置，记为u e 电源模块。凡大 于1 5 肼均需带馈入装置，记为i r f 电源模块。本x k 8 1 7 0 改造采用i r f 电源模块 i i i s i m o d r i v e6 1 1 d 是新一代由数字控制总线驱动的交流伺服驱动模块，它分为 双轴模块和单轴模块两种。与其相应的进给伺服电机可采用i f r 6 或者i p k 6 系列，编码器 信号为i v p p 正弦波，可实现全闭环控制。主轴伺服电机为i p h 7 系列。本x k 8 1 7 0 改造采 用1 - a x i sf i ) dm o d u l e 单轴模块 2 o p 单元和姗c o p 单元和删c 起到建立s i n i 脏r i k8 1 0 d 与操作者之间的交互界面之作用。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 i o p 单元和肝1 0 p ( o p e r a t o rp a n e l ) 单元包括一个1 0 4 ”t f t 显示屏和一个n c 键盘 根据用户不同需要，用户可选配不同的o p 单元，如：o p 0 3 0 、0 p 0 3 1 ，o p 0 3 2 、0 p 0 3 2 s 等本x k 8 1 7 0 改造采用o p 0 1 0 单元 s i n u m e r i k8 1 0 d 应用了m p i ( m u l t i p l ep o i n ti n t e r f a c e ) 总线技术，传输速率为 1 8 7 5 i 【s ，0 p 单元为此总线构成的网络中的一个节点 i i 蹦c 瑚c 实际上就是一台计算机。m m c 有独立的c p u ，可带硬盘，带软驱。o p 单元其实为 这台计算机的显示器，面j 4 c 的控制软件也固化在这台计算机中。m m c 经常选配的有两种： m m c l 0 0 2 和m m c i o 3 ，s i n u m e r i k8 1 0 d 选配龇1 0 0 2 本x k 8 1 7 0 改造采用眦1 0 0 2 3 p l 、u p c u ( p cu n i t ) 是专门为配合的操作面板o p i o 、o p l o s 、o p l o c 、0 p 1 2 、o p l 5 等而开 发的m m c 模块，目前有三种p c u 模块p c u 2 0 、p c u s o 、p c u 7 0 ，p c u 2 0 应于咖c 1 0 0 2 ，p 1 c u 5 0 和p c u 7 0 应于珊i c i o 3 ，与姗c 不同的是：p c u 5 0 的软件是基w i n d o w sn t 的。p c u 的软件 被称作咖i ，蹦i 又分为两种：即嵌入式h m i 和高级h m i 。一般p c u 2 0 装载的是嵌入式删i ， 而p c u 5 0 和p c u 7 0 装载高级删i 。本x k 8 1 7 0 改造采用p c u i o 。 4 m c p m c p ( m a c h i n ec o n t r o lp a n e l ) 是专门为数控机床而配置的，其也是咿i 总线上的一 个节点，根据应用场合不同，其布局也不同。目前，有车床版w c p 和铣床版m c p 两种。对 于8 1 0 dm c p 的胛i 地址分配为1 4 。用m c p 后面的s 3 开关设定。 5 p l c 模块 s i n i 舭r i k8 1 0 d 系统的p l c 部分使用的是西门子s i m a t i c $ 7 - 3 0 0 的软件及模块，在 周一条导轨上从左到右依次为电源模块( p o w e r s u p p l y ) ，接口模块( i n t e r f a c e m o d u l e ) 及信号模块( s i g n a lm o d u l e ) p l c 的c p u 与n c 的c p u 是集成在c c u 中的 电源模块( p s ) ：为p l c 和n c 提供+ 2 4 v 和+ 5 1 ，电源。 接口模块( i m ) ：是用于各级之间的互连，并与c c u 连接。 信号模块( 跚) ：是用于机床p l c 输入输出模块“1 二、s i n u 姬r i k8 l o d 系统连接 在上文中介绍了西门子s i n u m e r i k 8 1 0 d 数控系统的主要组成部分，对于要进行x l ( 8 1 7 0 万能工具铣床的改造，我们就要将数控系统的各个组成部分根据x k 8 1 7 0 万能工具铣床的 动作要求合理的组合在一起。 西门子s i n u m e r i k 8 1 0 d 应用了m p i ( m u l t i p l ep o i n ti n t e r f a c e ) 总线技术，其8 1 0 d 数控系统的各个组成部分作为各个节点是通过m p i 总线连接的，也就是说其系统的连接也 是m p i 总线的连接。其连接框图如下： 0 机床控翻系统设计 图2 - 1s i n u 赴r i k8 1 0 d - 伊i 总线连接简图 h g l | l r e 2 1t h ec o n n e c a n gd i a g r a mo f s i n u m e r i k8 1 0 dm p lb u s 本x k 8 1 7 0 改造之系统连接图请见附录勰1 7 0 电气原理图。 2 1 。2s i n u m e r i k8 1 0 dc n c 的性能及工作方式 ? 、s i n u 肥r i k8 1 0 dc n c 的性能 从上述机构可以看出，该数控系统比以往系统功能更加强大，其主要性能指标有： 1 显示和操作，系统采用标准t f t 液晶显示器，全c n c 键盘操作。可连接机床控制 面板，手持操作单元，软盘驱动器等。在操作使用上，其系统用户界面分成5 个工作区， 即：机床、参数、程序编辑、服务、诊断。机床区有自动、手动、示教、m d a ( m a n u a ld a t a a u t o m a t i c ) 四种操作模式，可实现手动操作、自动程序运行、刀具轨迹模拟等多种操作。 参数区可设定如工作台面大小、刀具补偿等操作者在工作中，根据加工零件及工序的不 同而需要改变的参数。程序编辑区可输入、修改、模拟显示零件加工程序，并对用户程 序存储区进行管理。服务区管理系统与外设的接口，并连接软盘驱动器，可通过这些接 口连接外部计算机或通过软驱与外界交换数据诊断区可显示一定时间内，系统的故障 信息，并为系统技术人员提供修改机床参数、诊断系统故障、调整系统总体性能的工具。 2 轴的控制。连接s i m o d r i v e6 1 1 d 数字伺服模块，最多可控制5 个轴( 1 个主轴) 。 其工艺特性： 控制精度0 0 0 1 m m 进给速度0 o l 哪m i n - l 0 0 0 0 m m i n 主轴转速0 1r p m 9 9 0 0 0 r p m 具有2 d + 2 螺旋线插补功能 进给倍率嘴一1 2 嘶( 内部0 - - 1 5 0 ) ，快速进给倍率2 0 0 3 p l c 采s t e p7 编程语言，可用s t l ( s t a t e m e n tl i s t ) ，l a d ( l a d d e r d i a g r a m ) ，c s f ( c o n t r o ls y s t e m f l o w c h a r t ) 三种方式在p c 机上编程，具有1 2 8 个计时器， 1 2 8 个计数器，1 0 2 4 个标志位，输入输出点采甩撞块化结构，最多可扩展至1 0 2 4 1 0 2 4 9 西安理工大学工程硬士学位论文 用户程序存储器3 2 k 、数据存储器8 k 4 安全与诊断 整个c n c 系统可对其各部分的运行进行实时监控，当有故障发生时，系统除对相应 部分进行保护外，并可进行自我诊断，在显示器上显示报警信息同时增加了安全锁， 可对用户分级，对各级用户赋予不同的操作权限。 5 窗口式的界面、菜单选择、对话框式的操作，更加简单易学并且各部分工作可 并行执行。 6 蓝图编程功能，使得加工程序可用机床工具直接编程，修改程序更加方便快捷， 并能对加工程序进行模拟加工显示。 7 系统与s i n u m e r i k 系列模块的全面兼容性，也有助于实现控制系统的最优组合。 8 集成的一系列高级标准功能使生产得以简化，其中包括手轮在线修调及2 1 ) + 2 螺旋 插补；轮廓破损预告；间隙补偿，测量系统误差补偿和象限补偿；以及速度相关的前馈 补偿” 二、s i n u 髓r i k8 1 0 dc n c 工作方式 s i n u 姬r i k8 1 0 dc n c 工作方式可用如下框图表示： 图2 _ - 2s i n u 狐r i k8 1 0 vc n c 工作框图 f i g u r e2 - 2 t h ew o r k i n go f s i n u m e r i k8 1 0 d 机床控制系统设计 根据机床控制的要求，充分利用西门子8 1 0 d 系统的结构特点，进行了整个控制系统 的总体结构设计。在设计中，尽量利用系统提供的各项功能，简化了外围控制线路，提 高了整个系统的稳定性和可靠性。整个控制系统可分成c n c 系统、机床操作及电气控制 系统、坐标伺服系统等几个重要部分其总体结构如图2 _ - 2 。从图中可以看出，c n c 系 统包括c c u 、姗c 及其接口、p l c 及其接口和系统操作显示单元。它承担了系统启动、操 作显示、与外设通讯、数据存储、逻辑控制等重要任务。是整个控制系统的核心。其中 p l c 是c n c 系统与外部协调工作的一个重要接口，它通过i m 模块接收c c u 的指令或向其 传送信息，或由k f c p 、0 p 等单元接收机床操作指令、监控机床的状态，并根据这些输入 信息运行事先编制好的机床动作逻辑程序，将结果送达c c u 或由p l c 上的输出口直接驱 动电气控制系统执行相应动作。同时，将相关信息送达0 p 进行实时显示 因此正是通过p l c 设计，使c n c 、伺服系统及机床等个个部分形成一个有机的整体一 数控机床。机床操作采用西门子标准铣床控制面板及手持单元，肝i 总线与p l c 相连，通 过该面板，可选择c n c 系统四种工作状态，朗：手动、自动、i d d a 、示教。并具有轴选择、 倍率、快速倍率、点动、回参考点、断点返回、进给、进给保持，主轴启、停，系统启 动、停止、复位及1 5 个自定义键供用户根据机床自己定义用途。电气控制系统通过p l c 涮 模块相连，完成机床操作指令的输入并根据p l c 发出的指令实现机床各种动作。伺服系 统包括伺服电机及其控制器，该系统根据c c u 的指令进行轴定位、运动及联动运行，以 达到数控加工的目的。 2 2 机床伺服系统设计 2 2 1 交流伺服系统的基本工作原理 对于x k 8 1 7 0 数控万能工具铣床来讲，进给系统是主要的组成部分，选用的好坏直接 影响整个机床的精度和质量。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来 越多地应用于数字控制系统中为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用 全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 交流伺服系统主要由功率逆变，p w m ，位置控制，速度控制，电流控制，电动机及 位置检测元件等部件组成。系统组成如图2 - 3 所示。伺服系统中有电流环，速度环，位置 环，其中分别对应有电流调节器，速度调节器，位置调节器；通过对应的调节器控制可以 实现系统的稳态精度，动态特征等控制目标。 电流环和速度环均为内环。电流环的作用是提高系统的快速性，抑制电流环内部干扰 限制最大电流，保障系统的安全运行电流环中的电流调节器输出控制电压与外加调制电 压叠加送入脉冲形成，分配和驱动环节，从而控制i g b t 通断时间，调节p w m 对电机输 出的平均功率，通过电流传感器检测电枢回路，形成电流反馈环节m - 。 西安理工大学工程硕士学位论文 图2 - 3 伺服控制系统原理圈 f i g u r e 2 - 3s e r v o - p a c kd i a g r a m 速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度的波动。根据系统对各个控制 环的要求，对速度环和电流环均可采用p i d 控制一提高系统的快速跟踪能力。速度环中 速度调节器的输出作为电流调节器的给定量应限制在一定的幅值内。速度环采用比例调节 器控制方式时，若比例系数过大，电机的响应特性可能会变成震荡，而且仅采用比例控制 时，也不能完全补偿外加负载所引起的扰动。因此，通常采用比例积分控制方式以改善输 出响应，并在稳态实现无差控制。在某些情况下，还会加上微分控制作用，以提高系统的 快速性。但是微分作用会加宽系统频带，使系统抗干扰能力降低。 位置环作为系统外环，其作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能半闭环结构以 伺服电机轴的角位移为反馈量。位置环的位置检测元件( 编码器) 将运动机构实时的位移 或角变化以脉冲形式传输到控制设备中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息。位 置环的给定可以使操作人员在现场及时输入期望的位置数据，也可以是由按照编好的运动 轨迹程序给出位置信息。 2 2 2 交流伺服电机及传动系统 根据全数字式交流伺服系统工作原理，因此本项目所使用的伺服驱动电机选用西门 子公司生产的i f k 7 型交流伺服电机及s i m o d r i v e6 1 1 d 伺服驱动模块。 s i - i o d r i v e6 1 1 d 伺服驱动模块是西门子公司为数控机床研制的一种交流数字调速伺 服系统。它采用模块式结构，由一个主电源模块及各轴的控制模块组成电源模块为每 个轴控制模块提供直流母线电压，并监控各控制模块的运行。控制模块则根据c c u 的指 令驱动各轴电机以某一速度运行或停止它具有如下特点： 1 紧凑性，模块化设计，节省空间 2 各进给模块可根据用户要求任意组合 3 可通过跳线改变各轴控制器的参数以实现与饲服电机的最优配合。 4 电流控制、速度控制采用串联式数字量闭环控制。标准的速度控制器可调节比例 增益和积分作用时间。 机床控镧系统设计 5 速度控制回路的速度控制范围l ：l 0 0 0 0 0 6 具有轴速度控制器使能信号( 浮置输入) 7 具有工作电压、电机温度、测速发电机功能，控制器状态和1 2 t 值监视。电源模块 具有电流短路保护和接地线断路保护。通过程序控制器使投入运行简化，安装使用十分 方便。 对于西门子i f k 7 交流伺服电机来说，具有较高的动态性能、高可靠性及非常低的维 护要求。其主要特点有： 1 i f k 7 电机重要特点是轴强度高、轴承间隙小。 2 在整个速度设定范围内，该伺服电机都能确保恒定连续的扭矩和恒定的过载能 力 一 3 6 1 1 d 驱动器的6 0 0 v 直流母线电压，使该电机体积更小。 一 4 热量的发散，特别是产生于定子绕组和定子铁心的热量，都可以通过具有良好热 传导能力的电机外壳直接散发出去，因此该电机不需要外部冷却。 5 具有良好的防水、防油保护能力。 6 设计的独特性，使该电机更易于使用。 鉴于6 1 1 d 与i f k 7 伺服电机的这些优点，本项目中，我们根据原机床各坐标伺服电 机功率及设计要求，适当加入一定余量，选择了各坐标电机，其具体参数如下表2 - 1 ： 表2 - 1 三个坐标电机参数 1 曲k2 - 11 kp a r a m e t e r so f t h r r e f e r e n c ee l e c t r o m o t o r 坐标轴额定转距( n m ) 额定转速( r p m )输出功率( k v o x1 63 0 0 05 0 ， y 1 6 3 0 0 05 o z1 63 0 0 05 o 2 3 本章小结 本章从西门子公司8 1 0 d 数控系统的结构特点出发，分析了三坐标数控铣床控制系统的 总体结构，从这种结构可以看出，整个控制以数控系统为中心，可分成了c n c 系统、电 气控制系统、伺服系统等几部分各部分之间通过c n c 系统中的p l c 协调统一工作，以 实现数控加工。在阐述了各部分的功能及特点的同时，着重讨论了数控系统的特点、伺 服系统的设计过程，介绍了本课题中这两部分工作原理及结构特点。并提出了本课题的 研究。 西安理工大学工程硕士学位论文 第3 章可编程序控制器设计 可编程控制器是数控系统中用于逻辑动作控制的部分，它通过输入、输出模块与机 床、电气控制系统、伺服控制系统相连接，采集各部分的工作信息，根据c n c 指令及控 制软件来控制上述各部分的运行在c n c 内部，通过数据块( d a t ab l o c k 简称胞) 与n c u ， 删c 交换信息，以使各部分之间的工作协调统一 3 1p l c 总体设计 由于p l c 具体设计具有程式化和模式化，在此只作概述表述。 3 1 1s i n u m e r i k8 1 p l o 的功能