基于CA6140车床数控化改造

CA6140 车床数控化改造目录1 引 言 .11.1 机床数控改造研究背景 .11.2 机床数控化改造的意义 .21.3 本文所 研究的主要内容 .22 车床机械部分改造方案 .22.1 主传动系统的改造 .42.1.1 主轴无级变速的实现 .42.1.2 主轴脉冲编码器的选择与安装 .52.2 纵横向进给传动系统的改造 .62.2.1 纵向进给传动系统的改造 .62.2.2 横向进给系统的改造 .72.2.3 齿轮传动间隙的消除 .82.3 刀架部分的改造 .83 电气控制系统整体方案设计 .93.1 数控系统的类型及品牌选择 .93.1.1 数控系统的类型 .93.1.2 数控系统的品牌选择 .93.2 SINUMERIK 802S base 1ine 数控系统特点 .103.3 电柜设计及电源选用 .114 数控系统各部分单元具体设计 .134.1 数控系统各部分的连接及接口设计 .134.1.1 系统的接线 .134.1.2 接口布置 .144.1.3 PLC 输入输出接口定义 .154.1.4 接口连接 .164.2 步进电机的连接 .214.3 回参考点配置 .224.4 驱动电流设定 .234.5 主轴变频器的选用 .234.6 主控电路的设计 .26结 论 .29参考文 献 .30摘 要所谓数字控制机床是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作。数控机床是集机械制造技术和计算机、液压、检测传感、信息处理、光机等技术于一体的典型机电一体化产品。它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。数控机床的技术水平高低及拥有量的多少己成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志之一。我国目前机床总量约 400 万台，其中数控机床总数只有 20 万台。我国役龄 10 年以上的机床占总数的 60%以上，而役龄 10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20%。用这种装备加工出来的产品普遍在质量差、品种少、成本高、供货期长等现象，因而在国际、国内市场上缺乏竞争力。而对于企业而言，单纯依靠购买全新数控机床，所需初始投资较大，致使许多企业，特别是中小型民营企业心有余而力不足。而且替换下来的机床闲置起来又会造成浪费。如果对旧机床进行数控化改造，其投资少，见效快，是在短期内提高我国机床数控化率的一条有效途径。关键字：数控机床，数控化改造，步进电机，经济型数控系统 1 引 言1.1 机床数控改造研究背景机械制造业在世界经济发展中，作为基础产业，具有重要的地位。为此，各国的经济学家和企业家在不断探索新形势下的各种先进制造技术及制造业的发展战略。作为制造业核心的机床制造业则是支柱的基石，是任何行业都不可或缺的。(1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现实基础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动；由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在 510 年，而我国大多数机床都在超期服役。这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。 (2)新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂自改革开放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术、资料及备件等因素，造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。 (3)显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力对于机床拥有者来说，只需花费购买相同新机床 30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床 60%左右的价格。 机械制造业在世界经济发展中，作为基础产业，具有重要的地位。为此，各国的经济学家和企业家在不断探索新形势下的各种先进制造技术及制造业的发展战略。作为制造业核心的机床制造业则是支柱的基石，是任何行业都不可或缺的。1.2 机床数控化改造的意义般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。1.可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。2.可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人“修配” 。4.可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5.拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。6.降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。数控技术现已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1.3 本文所研究的主要内容1、根据数控化改造后车床所具备的功能，制订了车床总体改造方案，并绘制了改造后车床总体装配图;2、为使改造后的车床主轴能够实现无级变速，本次改造采用了变频器驱动主轴电机的方式，本文对主轴变频器的计算和选型作了深入研究;3、为使改造后的车床能够加工螺纹，在改造时，在主轴端部通过异轴安装方式加装了主轴脉冲编码器，本文对脉冲编码器的安装方法作了详细论述;4、在利用填充聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，粘接工艺的好坏将直接影响改造后导轨的性能。本文对粘接工艺的控制作了深入研究;5、在电气改造方面，设计了车床主控电路原理图及数控系统 PLCI/O 口接线图，对纵横向步进电机的计算和选型也作了详细阐述;2 车床机械部分改造方案数控化改造设计时，在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件，尽量减少改动量。尤其是对车床上较大的部件，例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，只做少量的加工改造，这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。例如，CA6140 普通车床横向丝杠的名义直径为 22cm，改进设计时，横向进给丝杠直径可取 20cm 或 25cm，这样就可以利用原有的床鞍，不致于因滚珠丝杠直径选得太大，在原来的空间里放不下。CA6140 型普通车床数控化改造后主要用于中小型轴类、盘类以及螺纹零件的粗加工或半精加工，这些零件加工工艺要求机床应实现的功能主要有:（1）控制主轴正反转和实现主轴的无级变速以提供不同的切削速度；（2）刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成刀具选择；（3）加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距(单头螺纹加工)或导程(多头螺纹加工)。要实现以上功能，确定总体改造方案如下:(1)拆除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实现刚性连接；(2)横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部(相对操作者)，纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置；(3)要实现自动换刀，需拆除原手动刀架，在小拖板上安装数控转位刀架；(4)为了使改造后的车床能够加工螺纹，需要加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速的同步检测，编码器安装在挂轮箱内；(5)为使加工过程中不超程，纵横向要安装行程限位开关；(6)为实现回参考点的动作，须在纵横向安装接近开关；(7)纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以防赃物、油污和切屑等进入，机床整体也要加装防护罩，以防止加工过程中的切屑飞溅伤人；(8)考虑到改造的成本，尽可能采用可靠性高的经济型数控系统。车床总体改造如图 2-1 所示。1-向滚珠丝杠副向 2-减速器 3.向滚珠丝杠副数控转位刀架4-尾座 5-Y 向减速器 6-Z 向电机 7-支架 8-X 向电机 10-主轴脉冲编码器图 2-1CA6140 普通车床数控化改造示意图2.1 主传动系统的改造2.1.1 主轴无级变速的实现CA6140 车床的主轴变速为手动、有级变速(正转 24 级、反转 12 级)。考虑到数控车床在自动加工的过程中负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式；其二是直接采用伺服电机实现无级变速。采用方式二需要重新购买主轴伺服电机，另外主轴箱也要做相应的改造以安装伺服电机。考虑到改造的成本，我们决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。交流异步电动机的转速与电源频率 f，电动机磁极对数 p 以及转差率 s 之间的关系式为:n=60f/px(1-s)原电机的磁极对数 p=2，转差率 s=0.05，则电动机转速 n 与频率 f 之间的关系为:N=28.5f。因此，改变电源频率 f 即可改变电动机的转速 n。变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转、停止和变速。经过分析，选用日本三菱变频器 FR-A54O-7.5K-CH。为保证电机的转速,输出转矩(功率)特性与机床主轴的转速,转矩(功率)特性相匹配,根据无级变速主传动系统的设计原则,主轴转速采用四档无级 CA6140/BQ 主轴转速图变速,所设计的CA6140/BQ 的主轴转速图如下图所示 CA6140/BQ 主轴转速图2.1.2 主轴脉冲编码器的选择与安装根据前面所选择的车床数控系统 GSK980TA 的技术参数可知，普通车床普通车床普通车床普通车床主轴应加装 1024P，光电编码器。结合脉冲编码器每转进给脉冲数(即分辨率)对螺纹加工范围、机床配件机床配件机床配件机床配件加工精度和车螺纹时步进电动机运行频率及主轴转速的影响，以及加工常见多头螺纹的需要，脉冲编码器每转进给脉冲数应尽可能取较大值，再结合环境特性，最后根据机床主轴转速不允许超过主轴机床配件脉冲发生器的最高许用转速的原则，普通车床选择长春三峰传感技术有限公司生产的常规型实心轴光电编码器 PIE 一 1024 一(305C 编码器，其分辨率为人二 1024Pr。该编码器经济适用，力矩小，多规格，适应多种数控设备，其最高许用转速为 5000rmin，远大于车床主轴最高转速2000rmin。由于异轴安装后不能加工穿出主轴孔的较长的工件的缺陷，通过无间隙柔性连接传动方式，普通车床编码器的引出轴机床配件通过传动比为 1：1 的同步齿形带与主轴联系起来。 通常在加工螺纹时，将其安装上；不使用时将其断开，避免不必要的磨损和信号干扰，以延长主轴脉冲发生器的使用寿命。为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹，须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴脉冲编码器数控系统步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式:一是同轴安装，二是异轴安装，同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿出车床主轴 L 的零件，限制了零件的加工长度。因此，异轴安装较合适。主轴通过主轴箱中 58/58 和 33/33 两级齿轮(实现传动比 l:1)把动力传递给挂轮轴 X，主轴编码器 1 通过支架 2 固定，并通过联轴器 3 与闷头 4 相连，闷头 4 通过过盈配合与主轴箱内轴 X 连接，如图 2-2 所示。1-ZXB 型主轴编码器 2-固定支架 3-MC 型联轴器 4-闷头 5-轴 X图 2-2 主车由编码器装配图2.2 纵横向进给传动系统的改造2.2.1 纵向进给传动系统的改造纵向进给传动系统的改造如图 2-4 所示。纵向步进电机 1 通过一对减速齿轮 2 把动力传递给纵向滚珠丝杠 3，再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台 4 做往复移动。原车床的进给箱保留，滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴 6 通过套筒联轴器 5 与滚珠丝杠 3 相连，这种联轴器用两个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠连接起来，结构简单，径向尺寸小，可防止被连接轴的位移和偏斜所带来的装配困难和附加应力。1-纵向步进电机 2-减速齿轮 3-纵向滚珠丝杠 4-工作台 5.套筒联轴器 6-支撑轴图 2-4 纵向进给系统图如图 2-5 所示，滚珠丝杠右端仍利用原有的滑动轴承支承座 10，通过一对深沟球轴承 7 实现径向支承，丝杠左端通过一对圆螺母(图中未画出)实现滚珠丝杠的预拉伸和锁紧。因此纵向滚珠丝杠的支承形式为一端固定，一端浮动，三点支承。滚珠丝杠采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，调整方便。步进电机 1 通过消隙齿轮 8 减速，减速器输出轴用套筒联轴器 12 与丝杠 3 连接，固定销 9 防止减速器转动。7-深沟球轴承 8-消隙齿轮 9-固定销 10-滑动轴承支承座 11-圆螺母 12-套筒联轴器图 2-5 纵向步进电机装配图滚珠丝杠 3 仍女装在原滑动丝杠的空间位置，其螺一母副通过支架 l 安装在床鞍的底部，如图 2-6 所示。支架 1 做成可移动的形式方便装配，丝杠位置调整好后，由螺钉拧紧。1-支架 2-丝杠托架 3-纵向滚珠丝杠 4-丝杠防护罩 5-大拖板 6-过渡板图 2-6 纵向滚珠丝杠装配图2.2.2 横向进给系统的改造横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图 2-7 所示。横向步进电机 1 及减速器 2 安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴 11，通过套筒联轴器 10 与滚珠丝杠 7 连接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承 12，以承受双向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构，用一个联轴套 4 和一根连接短轴 6 把滚珠丝杠 7 与减速器输出轴 3 连接起来，并通过一对圆螺母5 实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母通过螺母座 9 直接固定在中拖板 8 上。1-横向步进电机 2.减速器 3.减速器输出轴 4.联轴套 5.圆螺母 6.连接短轴7-横向滚珠丝杠 8.中拖板 9.螺母座 10.套筒联轴器 11.支撑短轴 12.推力球轴承图 2-7 横向进给系统图2.2.3 齿轮传动间隙的消除数控车床在加工过程中，会经常变换移动方向。当进给方向改变时，如果齿侧存在间隙会造成进给运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，影响传动精度和系统稳定。因此，必须消除齿侧间隙。通常齿侧间隙的消除主要有刚性调整法和柔性调整法。刚性调整法虽然结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿，柔性调整法是调整后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。因此决定采用柔性调整法中的双片齿轮错齿消隙法。1，2 薄齿轮；3，8.凸耳 4.弹簧 5，6.螺母 7.调节螺钊图 2-8 双片齿轮错齿消隙法结构图 2-8 是双片齿轮错齿式消除间隙结构。两个相同齿数的薄齿轮 1 和 2 与另一个厚齿轮(图中未画出)啮合。齿轮 1 空套在齿轮 2 上并可作相对回转。每个齿轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳 3 和 8。齿轮 1 的端面还有另外四个通孔，凸耳 8 可以在其中穿过。弹簧 4 的两端分别钩在凸耳 3 和调节螺钉 7 上，通过转动螺母5 就可以调节弹簧 4 的拉力，调节完毕用螺母 6 锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮 1 和 2 错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上，消除了齿侧间隙卿。2.3 刀架部分的改造拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架。根据车床的型号及主轴中心高度，选用常州市宏达机床数控设备厂生产的 LD4B-CK6140 型电动刀架，该刀架内带 12OW 三相交流异步电动机用于驱动正转选刀。内置的 4 只霍尔元件检测刀位位置，电动机反转完成刀具定位锁紧。安装时，拆除车床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，使刀架转动到 45。左右时，装上螺钉，然后固定刀架即可。电动刀架的安装较为方便，安装时须注意以下两点:(l)电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行；(2)电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。3 电气控制系统整体方案设计3.1 数控系统的类型及品牌选择3.1.1 数控系统的类型(l)步进电机驱动的开环数控系统:该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度相对较低。但该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。(2)交/直流伺服电机驱动，光栅测量反馈的闭环数控系统。该系统与开环系统的区别是:由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，更大的驱动功率。(3)交/直流伺服电机驱动，编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。3.1.2 数控系统的品牌选择当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司有德国 SIEMENS 公司、日本 FANUC公司；国内公司有华中数控公司、广州数控设备厂、中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、南京新方达数控有限公司、上海开通数控有限公司、南京清华通用数控工程有限公司、南京大地数控有限公司和沈阳高档数控国家工程研究中心等。SINUMERIK 802S base line 是专门为中国数控机床市场而开发的经济型 CNC 控制系统。外观如图 3-1 所示。其结构紧凑，具有高度集成于一体的数控单元、机床操作面板和输入输出单元。机床调试配置数据少，系统与机床匹配快速、更容易。并具有简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用。图 3-1 西门子 SINUMERIK 802S base line 数控系统外观图3.2 SINUMERIK 802S base 1ine 数控系统特点SINUMERIK 8025 base line 数控系统集成了所有的 CNC，PLC，HMI，I/O 于一个单一的部件，其主要特点如下:1、可独立于其他部件进行安装。坚固而又节省空间的设计，使它可以安装到最方便用户的位置；2、操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制动作的按键以及 8 英寸 LCD 显示器，同时还提供 12 个带有 LED 的用户自定义键。工作方式选择(6 种)，进给速度修调，主轴速度修调，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作；3、SINUMERIK 8025 base line 的输入/输出点为 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。为了方便安装，输入输出采用可移动的螺丝夹紧端子，该端子可用普通的螺丝刀来紧固；4、SINUMERIK 8025 base line 可控制三个进给轴和一个伺服主轴或变频器。提供脉冲及方向信号的步进驱动接口。除三个进给轴外，SINUMERIK 8025 base line 还提供一个1OV 的接口用于连接主轴驱动；5、SINUMERIK 8025 base line 的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。系统不再需要电池，免维护设计。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的 PLC 程序示例，以便用户能很快地调试完毕。3.3 电柜设计及电源选用1、在设计电柜时应注意以下事项:(l)电柜应有冷却或通风装置，在使用风扇时必须在进气窗口安装防尘过滤网；(2)电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上；(3)电柜的防护等级为 IP54；(4)接地应遵守国标 GB/T5226.l-2002/IEC6OZO4-l:2000“机械安全机械电气设备第 1部分:通用技术条件”；(5)电柜中布线时，交流电源线(如 85VAC，22OVAC，380 劝、C 以及变频器到主轴电机的电缆)必须与 24VDC 电缆和信号线电缆分开走线；(6)系统直流稳压电源 24VDC 之前需接入隔离变压器(控制变压器 38OVAC 分220VAC，JBK3-4OOVA)，如图 3-2 所示。图 3-2 控制变压器7)现场没有良好接地的情况下，控制变压器必须为浮地设计，但此时任何与 CNC 控制器连接的外设(如 PC 等)，其 220VAC 电源必须连接到控制变压器，如图 3-1 所示。2、24VDC 电源选用CNC 控制器采用 24V 直流供电，系统可在 24V-15ry0 到+2006 之间正常工作。直流电源的质量是系统稳定运行的关键，所以在选择电源时，其输出波形应如图 3-3 所示。图 3-3 电源波形24V 直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性(按照工 EC204-，条款 6.4，PELV)，其电气参数如表 3-1 所示。因此我们选用西门子配套的 24V 直流稳压电源。表 3-1 负载电源电气参数参数 最小值 最大值 单位 条件电压平均值 20.4 28.8 V波动性 3.6 V非周期性过压 35 V 500ms 持续时间50s 恢复时间额定消耗电流 1.5 A启动电流 4 A数字输入和输出所需的 24VDC 用独立的 24V 直流电源，而不能与 CNC 控器共用同一个24VDC 稳压电源。所有输入信号必须为电平信号，即“0”电平和“l” 11V-30VDC电平。悬空和高阻信号均为“O”电平。4 数控系统各部分单元具体设计4.1 数控系统各部分的连接及接口设计4.1.1 系统的接线SINUMERIK 802S base line 控制器与步进驱动 STEPDRIVEC/C+和步进电的连接如图 4-1 所示。连接电缆必须使用屏蔽电缆。在系统一侧，电缆内屏蔽层须与插头中的金属壳相连，为了使模拟量的指令值信号免受低频信号的干扰，动一侧的屏蔽不能接地。图 4-1 数控系统接线图4.1.2 接口布置系统的接口布置如图 4-2 所示。图 4-2 数控系统接口布置图l、CNC 部分(1)Xl 电源接口(DC24V):3 芯孔式端子排，用于连接 24VDC 负载电源；(2)X2 通信接口(RS232):9 芯 D 型针式插座；(3)X6 主轴接口(SPINDLE):巧芯 D 型孔式插座，用于连接一个主轴增量编码器(RS422)；(4)X7 驱动接口(AXIS)，50 芯 D 型针式插座，用于连接具有包括主轴在内多 4 个模拟驱动的功率模块；(5)X10 手轮接口(MPG)，10 芯针式端子排，用于连接最多 2 个电子手轮；(6)X20 高速输入接口(BERO)，10 芯针式端子排，用于连接 NCREADY 电器和 BERO 接近开关。2、DI/O 部分:(l)XIOO 到 X105，各为 10 芯插头，用于数字输入；(2)XZOO 到 X201，各为 10 芯插头，用于数字输出；3、S2 系统总清开关；4、调试开关 S3 保险丝；5、F1 启动方式选择开关，4A 保险丝，外部设计使用户可以方便地更换。6、D157 字段 LED 显示当前系统的工作状态。4.1.3 PLC 输入输出接口定义SINUMERIK 802S base line 在出厂时已经预装了“SAMPLEPTP”集成 PLC 实例应用程序，我们在定义系统输入输出接口的时候，可以与厂家提供的 PLC 实例程序中的接口定义保持一致，这样在改造的过程中，我们就无需自编 PLC 程序，只需利用厂家提供的“SAMPLE.PTP”PLC 实例程序就可以了，所要做的工作只是设定一下 PLC 机床参数。本次改造的输入输出接口定义如表 4-1 所示。表 4-1 输入输出接口定义类别 接口名称 说明I0.0 硬限位 X+I0.1 硬限位 Z+I0.2 X 向参考点开关I0.3 Z 向参考点开关I0.4 硬限位 X-I0.5 硬限位 Z-I0.6 过载X100I0.7 急停按钮I1.0 刀架信号 T1I1.1 刀架信号 T2I1.2 刀架信号 T3I1.3 刀架信号 T4I1.4 -I1.6 未定义X101I1.7 就绪信号输入信号X102-X105 未定义Q0.0 主轴正转 CWQ0.1 主轴反转 CWQ0.2 冷却控制输出Q0.3 未定义Q0.4 刀架正转 CWQ0.5 刀架反转 CCW输出信号X200Q0.6，Q0.7 未定义Q1.0- Q1.3 未定义X201Q1.4 主轴制动Q1.5- Q1.7 未定义4.1.4 接口连接1、电源端子的连接(Xl)系统工作电源为直流 24V 电源，接到接线端子 Xl 上。其 CNC 一侧端子分配如表 4-2 所示。表 4-2 电源端子 X 端子分配端子号 信号名 说明1 PE 保护地2 M 0V3 P24 直流 24V2、通讯接口 RS-232 的连接(XZ)在使用外部 PC 用 G 与 8025baseline 进行数据通讯(WinPCIN)或编写 PLC 程序时，使用RS-232 接口，各引脚如图 4-3 所示。其引脚 1 为屏蔽，其它引脚功能参见信号说明。图 4-3 通讯接口 RS232 与 PC 的连接信号说明:RxD数据接收；TxD数据发送；RTS发送请求；CTS发送使能；DTR备用输出；DSR备用输入；M接地。3、主轴测量系统的连接(X6)X6 作为主轴编码器接口使用，用于把主轴的旋转角度反馈给 8025baseline。所连接的编码器应为 SV 增量式编码器。4、步进及主轴驱动器与 CNC 控制器的连接(X7)X7 用于将步进驱动器及主轴驱动器同 CNC 控制器相连。连接示意如图 3-6 所示。图 4-4 步进及主轴驱动器与 802S base line 的连接5、手轮接口(X10)通过手轮接口 X10 可以在外部连接两个电子手轮。X10 有 10 个接线端子，引脚说明见表 4-3。表 4-3 手轮接口 X10引脚 信号 说明 引脚 信号 说明1 A1+ 手轮 1 A 相+ 6 GND 电源接地2 A1- 手轮 1 A 相+ 7 A2+ 手轮 2 A 相+3 B1+ 手轮 1B 相+ 8 A2- 手轮 2 A 相+4 B1- 手轮 1 B 相+ 9 B2+ 手轮 2 B 相+5 P5V +5VDC 10 B2- 手轮 2 B 相+6、高速输入接口(XZO)通过接线端子 XZO 可以连接 3 个接近开关。由于数控车床只有 x 和 z 两轴，所以需要两个接近开关。如图 4-5 所示，sQll、SQ12 分别为 X 轴、Z 轴回参考点接近开关(霍尔式、PNP型常开、有效电平为 DC24v)，分别接入高速输入接口 X20 的 3 号管脚 Hll 和 5 号管脚 HI3。图 4-5X20 接线图7、数字输入端的连接(XIOO 和 XIOI)PLC 数字输入接口 X100 的接线如图 4-6 所示，SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、SQ9 和 SQ10 分别为 X+硬限位、Z+硬限位、X-硬限位、Z-硬限位、X 轴参考点减速开关、Z 轴参考点减速开关，FRI、FRZ 和 FR3 为热继电器的常开触点，当主电机、刀架电机或冷却泵电机过载时将闭合，其产生的过载信号从 10.6 数字输入口输入。SBI 为急停按钮，当被按下时，所有 PLC 输出端口均无信号输出。SQ5、SQ6、SQ7、SQ8 和 SBI 均采用常闭逻辑。若采用常开逻辑，则当P24 端子到 PLC 输入点线路接触不良或开路时会造成 SQ8 等无效(即便是 SQ8 等闭合)，从而会导致机床出现重大事故。而采用常闭逻辑(负逻辑)，则可避免事故的发生。因为当 P24 端子到 PLC 的输入点之间的线路出现开路或接触不良时，该点被认为有效，机床会立即报警，这样就保证了机床只有在电路连接良好的情况下才能正常运行，提高了机床的安全性。图 4-6 X100 接线图X101 的接线如图 4-7 所示，11.7 接步进驱动器 2 中的 RDY 准备好信号。SQ1、SQ2、SQ3和 SQ4 为四个霍尔式接近开关，分别对应于自动刀架的四个工位。当某一刀位处于工作位置时，其位置传感器(霍尔元件)输出低电平，其余三个刀位的霍尔元件输出处于悬空状态，没有电平输出。而 SINUMERIK 802S base line 系统的 PLC 输入线是高电平输入有效，由于系统内有缓冲电路，可以定义为常开连接(输入闭合有效)或常闭连接(输入断开有效)，故在每个刀位的霍尔元件输出端接上一个“上拉电阻(l.8K)”，输入定义为常闭连接(输入断开有效)，这样一来当某一刀位处于工作位置时，该刀位输出的是低电平，相当于 PLC 输入端没有高电平输入而处于断开状态，由于刀架输入定义为断开有效，所以该输入点被激活有效;其它三个刀位由于不在工作位置其输出电平处于悬空状态，由于上拉电阻的接入，三个刀位的输出信号至 PLC 的输入端实际上接入了高电平，同样由于输入点定义为常闭连接，是断开时有效，所以另外三个刀位的 PLC 输入点没有被激活有效。图 4-7 X101 接线图8、数字输出端的连接(XZOO 和 X201)X2OO 和 X2O1 的接线如图 4-8 所示，KAI、KAZ、KA3、KA4、KAS 和 KA6 分别为主轴正转、主轴反转、刀架正转、刀架反转、冷却泵和主轴制动用中间继电器，VDZ 一 VD7 为继电器线圈两端浪涌电压吸收二极管。图 4-8 X201 接线图4.2 步进电机的连接步进驱动器与步进电机的连接如图 4-9 所示。87图 4-9 步进驱动器与步进电机的连接4.3 回参考点配置为了使系统在开机以后能够立即精确地识别机床零点，必须使系统与进给轴的位置测量系统进行同步，该过程就是所谓的回参考点过程。对于使用步进电机的进给轴，尽管没有测量系统，但也必须有回参考点过程。为了确定参考点位置，每个坐标轴必须配备一个接近开关(PNP 型常开，即 24VDC 电平输出)，用于产生返回参考点的零脉冲。返回参考点的配置形式有两种:分别为双开关方式和单开关方式。为了提高返回参考点的速度、精度和可靠性，决定采用双开关方式，如图 4-10 所示。该方式可高速寻找减速开关，然后低速寻找接近开关。图 4-10 回参考点配置示意图系统在返回参考点时有两种采样接近开关的方式，如图 4-11 所示。1、系统采样接近开关上升沿，以上升沿有效电平作为参考点脉冲，如 a)所示;2、系统在采样完上升沿后，系统控制坐标继续运动，记录上升沿参考脉冲后的运动距离，同时采样接近开关的下降沿。在采样到下降沿后计算两沿的中点，以此作为坐标的参考点，如 b)所示。图 4-11 采样接近开关方式4.4 驱动电流设定所选用的 STEPDRIVEC 可驱动不同扭矩的步进电机。在调试时需按照所使用电机的扭矩设定驱动器的驱动电流。设定方法如图 4-12 所示。图 4-12 驱动电流设定方法4.5 主轴变频器的选用首先要选择变频器的控制方式。变频器的控制方式主要有 U/f 控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择 U/f 控制方式是能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的 U/f，在负载较轻的情况下，电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在 O.8Hz 时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服 U/f 控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。数控车床属于连续运转，连续运转时所需的变频器容量(kvA)计算式如下:（3-1）cosMCNkP （3-2）3103MCNIkUP（3-3）I式中 Pm负载所要求的电动机的轴输出功率；电动机的效率(通常约 0.85)；cos 沪电动机的功率因素(通常约 0.75)；Um电动机的电压，380V；Im电动机工频电源时的电流，为 15.4A；k电流波形的修正系数(PWM 方式时取 1.05-1.10)；Pcn变频器的额定容量 kVA；Im变频器的额定电流,A；由式（3-1） )(94.1275.08kVACN由式（3-2） )(19.033kP由式（3-3） )(.6.1ICN选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。综合以上分析计算，确定为三菱FR-A54O 系列变频器，具体型号为 FR-A54O-7，SK-CH。其最大输出功率为 7.8kw，额定容量为 13kVA，额定电流为 17A，过载能力为 150%60 秒，200%0.5 秒，额定输出电压为3 相 38OV/50Hz，电源电压允许波动范围为 323V 至 528V。其外形如图 4-14 所示。图 4-14 三菱 FR-A540-7.5K-CH 变频器外形图其主要特点如下:1. 采用先进磁通矢量控制方式，调速比可达 1:120(0.5-60Hz)。由于在 RISC 处理器中采用了新的在线自动调整功能使得电机在不影响启动速度的情况下，迅速得到调整，从而在不用 PLG 而低速运行时，达到高精度运行和高转矩输出。2. 可拆卸式风扇和接线端子，维护方便。3. 柔性 PWM，实现更低噪音运行。4. 内置 RS485 通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准,PID 等多种功能适合各种应用场合。端子接线图如图 4-15 所示:图 4-15 三菱 FR-A54O-7.5K-CH 变频器端子接线图4.6 主控电路的设计电气控制线路主电路如图 4-16 所示，QF1-QF4 为空气开关，FU 为熔断器，对电路实现短路保护。Ml 为 7.5KW 主电机，选择三菱 FR-A540-7.5K-CH 变频器实现变频调速，交流接触器 KMI 控制变频器的通电和断电，当变频器无故障时，B 端触头闭合，KMI 吸合，变频器通电;当变频器有故障时，B 端触头断开，KMI 线圈失电，其常开触头断开，变频器自动断电，同时 A 端触头闭合，报警灯 HL 显示报警。FRI 为热继电器，对主轴电机实现过载保护，RCI为三相灭弧器，构成三相负载的阻容吸收回路，能够抑制接触器吸合释放时的干扰噪声。L是为改善功率因素而使用的交流电抗器。R、S、T 为变频器的电源输入端，U、V、W 为输出控制电机端，STF 和 STR 分别接主轴正反转控制继电器触头 KAI 和 KAZ，2 和 5 分别接主轴模拟量输出信号(0-+10V)A04 和 AGND4，以控制变频器的输出电压频率。执行过程为:当 PLC 发出主轴正反转信号时，KAI 或 KAZ 的常开触头闭合，KMI 线圈得电，KMI 的常开触头闭合，变频器开始工作，当 PLC 发出主轴制动信号时，KA6 的常闭触头断开，KMI 线圈失电，KMI 的常开触头断开，变频器停止工作，主电机停转。MZ 是刀架电机，KMZ吸合时，刀架电机正转，KM3 吸合时，刀架电机反转，刀架电机正反转的控制信号来自数控系统 PLC 输出口 Q0.4 和 Q0.5。M3 为冷却泵电机，其控制信号来自数控系统 PLC 输出口QO.2。图 4-16 主电路图交流控制电路如图 4-17 所示，RC4、RCS 和 RC6 为单相灭弧器，M4 和 MS 为两电柜风扇，线路电压为 AC110V。图 4-17 交流控制电路图本章首先论述了 SINUMERIK 802S base line 数控系统特点，从安全性和可靠性出发，确立了电柜设计及电源选用原则，阐述了数控系统各部分的连接方法。接下来设计了数控系统 PLCI/O 口接线图，FO 口接线图中的 I/O 口定义与厂家提供的 PLC 实例程序“SAMPLE.PTP”中的接口定义保持一致，其目的是为了利用厂家提供的 PLC 实例程序，这样就无需自编 PLC 程序，所要做的工作只是设定一下 PLC 机床参数。再接下来阐述了各轴接近开关的配置方法和步进电机驱动电流的设定方法以及主轴变频器的选用原则，并且通过计算确定了主轴变频器的型号三菱 FR-A540-7.5K-CH。最后设计了车床主控电路原理图及交流控制电路图。结 论数控机床作为机电一体化典型产品，在机械制造业中发挥着越来越大的作用，它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工