西门子802C数控车床的主轴设计

1、 职业技术学院 学生课程设计报告课程名称： 数控技术 专业班级：机械设计制造及其自动化082 姓 名： 贾雨农 学 号： 8080514224 学 期： 2011-2012学年第一学期 目 录前 言3一、课程设计目的4二、数控车床主轴电气系统设计4三、西门子802C数控车床的主轴设计43.1 西门子802C数控车床系统43.1.1 西门子802C的系统43.1.2 人机界面53.1.3 步进进给系统63.1.4 主轴驱动系统63.1.5 刀架控制系统73.2西门子802C数控车床主轴的设计103.2.1 设计方案103.3 PLC程序设计143.3.1 PLC控制流程图143.3.2 PLC的

2、I/O分配143.4 主轴换档及参数设置16四、结论18五、参考文献19六、附录1201 主轴控制程序202 换档程序24摘 要主轴运行的是否平稳直接影响数控车床加工的精度。通过对西门子802C数控车床主轴的研究 、分析，从而掌握数控应用系统设计的一般方法。主轴控制系统由西门子802C数控系统、变频器和主轴电机组成，通过PLC控制主轴的正反转、CNC控制主轴的转速。关键词：数控车床 主轴 西门子802C Designing Spindle Control System for a Siemens 802C CNC Lathe Abstract Whether or not the smooth

3、 running 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

4、direction, and CNC controlling the speed.Keywords: CNC Lathe；Spindle；Siemens 802C system前 言 数控技术是先进制造业技术的基础，在机械及相关行业的应用已呈普及的趋势。作为数控加工的主体设备，数控机床是一种机电一体化的高新技术产品，目前已成为金属加工的主体企业的必要装备。随着数控技术在我国的普及和发展，迫切需要培养大量高素质、能力强的数控技术人才，以加强对学生能力素质的培养。本次设计的课题是“西门子802C数控车床主轴的设计”，主轴在车床中有这很重要的地位，主轴的好坏直接影响到在加工时的精度。802C数控车床

5、主轴是用PLC对变频器的控制来改变电机的速度，来带动主轴的运行。一、课程设计目的了解各种电机调速的优缺点；理解主轴控制的基本要求；掌握802C系统主轴电气系统的接线；掌握802C系统变频器的接线。二、数控车床主轴电气系统设计设计基于SINUMERIK 802C系统的数控车床主轴单元。主轴电机采用通用变频器驱动，采用分段无级变速控制，变速箱为2档，采用电磁离合器自动换挡；为实现螺纹加工，在主轴上安装主轴编码器。要求：根据SINUMERIK 802C数控系统及变频器的接口功能及接线原理，设计主轴驱动与控制部分的电气原理图、主轴换挡控制程序。三、西门子802C数控车床的主轴设计3.1 西门子802C

6、数控车床系统西门子802C数控车床系统由西门子802C数控系统、步进进给系统、主轴驱动系统、刀架等组成。 3.1.1 西门子802C的系统SINUMERIK 802数控系统是西门子公司开发的数控系统，用于数控车床、数控铣床、加工中心、数控磨床等。该系统分为802S、802C、802D三种类型，其中SINUMERl 802S采用步进电动机驱动系统，同时具备一个±10V模拟接口用于连接主轴驱动；SINUMERl 802C采用模拟伺服驱动系统，采用标准的±10V模拟接口，可直接带动模拟驱动；SINUMERl 802D采用数字进给驱动电动机和

7、数字主轴电动机，最多可控制4个数字进给轴和一个主轴。SIEMENS 802S配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板，显示器为7in或5.7in单色液晶显示。集成内置式PLC最大可以控制64点输入与64点输出，PLC的I/O模块与ECU间通过总线连接；系统体积小，结构紧凑，性能价格比高。数控系统与外部模块的连接，见图1。图1 系统结构图3.1.2 人机界面数控系统的人机界面由显示器、操作面板、机床控制面板组成，见图2。图2系统操作面板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

8、停止，系统复位均采用按键形式进行操作。 3.1.3 步进进给系统步进进给系统采用的是（STEPDRIVE C），是单轴型控制器，控制五相步进电机。步进电机的步距角为0.36度。驱动接口采用25芯D型插座。每个驱动器接受三个信号，一个为脉冲信号，一个为方向信号，一个为使能信号。发出的脉冲控制电机运行，每个上升沿使电机向前走一步，脉冲数决定电机转角，脉冲频率决定电机的转速。3.1.4 主轴驱动系统主轴驱动系统采用的是SIEMENS 611U，是目前SIEMENS常用的交流数字式伺服驱动系统，其基本结构与611A相似，采用模块化安装方式，主轴与各伺服驱动单元共用电源。用于进给驱动的伺服驱动模块有单轴

9、与双轴两种结构型式，带有PROFIBUS DP总线接口。驱动器内部带有FEPROM(non-volatile data memory，非易失可擦写存储器)，用于存储系统软件与用户数据，驱动器的调整、动态优化可以在W1NDOWS环境下，通过SimoComU软件自动进行，安装、调整十分方便。驱动器由整流电抗器(或伺服变压器)、电源模块(NE module)、功率模块(Power module)、611控制模块等组成：电源模块自成单元，功率模块、611控制模块、PROFIBUS DP总线接口模块组成轴驱动单元。各驱动器单元间共用611直流母线与控制总线，并通过PROFIBUS DP总线，与SIEME

10、NS 802D/810D/840D系统相连接，组成数控机床的伺服驱动系统。3.1.5 刀架控制系统刀架是经济型的四方位简易刀架，它的机械结构简单，调试和使用方便，结构如图3所示。其功能为：有四个刀位，能装夹四把不同的功能刀具，方刀架回转90°时，刀具变换一个位置，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。 图3 四工位转位刀架 3.1.6 接口信号在PLC用户程序和NCK（数控核心）、MMC（显示部件）和MCP（机床控制面板）之间通过不同的数据区进行信号和数据的交换。PLC用户程序与交换无关，对使用者来说这是自动进行的。PLC/NCK的控制信号和状态信号会循环刷新。信号可以分

11、为以下几组：普通信号、运行方式信号、通道信号、进给轴/主轴信号，见图4。图4 PLC/NCK接口3.2西门子802C数控车床主轴的设计3.2.1 设计方案利用西门子PLC对MICROMASTER 420变频器的控制来驱动主轴电机的运行，从而实现对主轴的控制。变频器UVW三相电与主轴电机相连；变频器PE接地；变频器5端控制主轴正转(KA2制)；变频器6端控制主轴反转(KA3控制)；变频器8端接24V电源；变频器10 11报警输出；变频器3 4端24V电源给定。.1 速度控制速度控制由NCK实现。速度控制指令（S指令）通过译码以参数的形式把速度值经过D/A变换以010V的模拟电压输出，该模拟电压信

12、号送到变频器的模拟量控制端控制电机转速。.2 方向控制 方向控制由PLC实现。方向控制指令（M03/M04）通过译码以参数的形式把正反转标志传送给PLC，PLC控制程序根据标志位输出正反转控制信号，控制变频器实现电机正反转。.3 安全保护当变频器发生故障，AL0输出报警信号，PLC控制程序根据报警信号实现紧急停止并报警3.2.2 数控机床的主轴传动系统数控机床的主轴系统和进给系统有很大的差别。根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。为了满足量大面广的前两类数

13、控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：主传动电动机应有2.2250kW的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在1：1001000范围内进行恒转矩调速和1：10的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度定向停位控制，甚至要求主轴具有角度分度控制功能等。主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见，大多

14、采用进口产品。交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可以满足数控机床主轴的要求。但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率

15、区域。交流主轴控制单元与进给系统一样，也有模拟式和数字式两种，SIEMENS 802C主轴控制单元即为数字式的。 3.2.3 变频器的使用3.2.3.1 安装检查 检查变频器在运输过程中有可能出现的各种损伤；检查iS5 变频器的名签，确认是否为正确可以使用的变频器。确认安装地点的环境条件 环境温度不能低于14ºF (-10ºC) 并且不能超过 104ºF (40ºC)，相对湿度不能超过90% (无结露)，高度不能超过3,300英尺 (1,000m)。不能把变频器安装在阳光直射的地方，产生剧烈振动的物体应该远离变频器。安装 iS5 变频器必须竖直安装在与相

16、邻设备有足够空间的地方。(水平方向距离大于 2"(50mm)，垂直方向距离大于 6" (150mm)其他 变频器不能放在高温高压、振动大、灰尘多的地方，另外，安装时还需要使用螺钉进行固定。3.2.3.2 变频器的基本配线变频器的基本配线如图5。各符号的含义如表1。表1 变频器配线符号说明符号功能R交流电压输入端子(3 相, 200230V 交流（2 单元）或380-460V 交流（4 单元）)STG大地P正端直流总线端子DB单元（P-P5）连接端子（当要求完成制动(>30%ED),连接DB单元。）P1外部直流电抗器（P1-P2）和DB单元（P2- P5）连接端子。P2

17、N负端直流总线端子DB单元（N-N5）连接端子B1动态制动电阻（B1-B2）连接端子B2U连接电机的3-相电源输出端子(3 相, 200 230V 交流（2 单元）或380 - 460V 交流（4 单元）)VW图5 变频器的基本配线图3.3 PLC程序设计3.3.1 PLC控制流程图图6 PLC流程图3.3.2 PLC的I/O分配本系统用的是西门子S200 PLC，I/O分配表见表2。表2 PLC I/O分配表信 号 说 明输入信号接口: X100X104I0.0主轴正向运行/停止I0.1主轴反向运行/停止I0.2主轴高挡到位检测I0.3主轴抵挡到位检测I0.4故障输出检测接口: X200X2

18、01Q0.0主轴正转/停止Q0.1主轴反转/停止主轴控制PLC子程序的有关变量定义，见表3。表3 主轴控制PLC子程序的有关变量定义3.4 主轴换档及参数设置根据表4中变量地址说明编制主轴换挡PLC程序，并对主轴换挡相关参数进行设置。表4 变量地址说明信 号 说 明输入信号接口: X100X104I0.0主轴正向运行/停止I0.1主轴反向运行/停止I0.2主轴高挡到位检测I0.3主轴抵挡到位检测I0.4故障输出检测接口: X200X201Q0.0主轴正转/停止Q0.1主轴反转/停止主轴具有高低两极速度，每档均具有到位检测信号。换挡可以通过编程的速度自动激活，也可以通过M41（低档）和M42（高

19、档）实现。接口信号说明如表5。表5 接口信号说明参数号定义备注V14000063.6PLC数据PLC数据，用户定义，此程序中用于低速齿轮到位信号V14000063.7PLC数据PLC数据，用户定义，此程序中用于高速齿轮到位信号V27000000.1急停有效来自NCK的信号，接口NCKPLC（只读）V30000000.7复位送到NCK的信号，接口PLCNCK（可读/可写）V32000006.0进给使能禁止送到NCK的信号，接口PLCNCK（可读/可写）V32000006.1读入使能禁止V38030004.3进给/主轴停止送到主轴的信号，接口PLCNCK（可读/可写）V38032002.5摆动速度V38030002.2剩余行程/主轴复位送到主轴的信号，接口PLCNCK（可读/可写）V38032000.0实际齿轮级A送到主轴的信号，接口PLCNCK（可读/可写）V38032000.1实际齿轮级BV38032000.2实