基与西门子C的数控车床系统设计说明书

1、基于西门子802C的数控车床控制系统设计摘要随着科学技术的不断进步社会生产力的不断发展，以数控技术为基础的先进制造技术正以较快的速度逐步取代传统的机械制造技术,这已成为当今机械制造技术发展的趋势。数控机床在制造业中的大量应用,使社会对能熟练掌握数控机床的操作,编程及维修的工程应用人才的需求量越来越大。近年来各院校相应开出的数控专业,便从教育的层面上反映出社会的这种需求。然而这也向我们提出了数控教学如何培养适应工程应用的数控人才的问题。本设计是基于西门子公司的SINUMERIK8020控车床控制系统设计，首先了解和掌握了西门子802C数控系统的结构、工作原理、控制方式等知识后根据它配备伺服系统、

2、主轴控制系统和辅助运动控制系统，通过查阅资料对数控车床的硬件进行选择，了解各个模块的工作原理，并设计外部硬件线路，最终设计出能完成主轴控制、进给运动控制、辅助装置控制等功能。通过对资料的查阅掌握西门子802C数控系统的内置PLC的特点，设计自动回转刀架PLC控制的程序。止匕外，对数控系统的一些主要参数进行设定。关键词：西门子802C,伺服系统，主轴控制系统，电气原理图BasedonSiemens802CCNCsystemdesignCNCturninglathecontrolsystemABSTRACTWiththecontinuousprogressofscienceandtechnolog

3、ysetever-breakingdevelopmentofsocialproductiveforces，advancedmanufacturingtechnologyisbasedonthenumericalcontroltechnologyatafasterrategraduallyreplacedthetraditionalmechanicalmanufacturingtechnology，whichhasbecomethetrendofmechanicalmanufacturingtechnologydevelopmentCNCmachinetoolusedinmanufacturin

4、gindustry,enablingthecommunitytoskilledinCNCmachinetooloperation，programmingandmaintenanceofengineeringapplicationtalentsdemandisgrowingInrecentyearstheinstitutionsappropriatetowriteNCprofessional，fromthelevelofeducationreflectsthisdemandofthecommunityButitalsoputforwardtoushowtheteachingofnumerical

5、controltrainingprojectontheapplicationofnumericalcontroltalentsThisdesignisSINUMERIK802CCNClathecontrolsystembasedonSiemenscompany,firsttounderstandandgraspthestructureofSiemens802CCNCsystem,workingprinciple,controlmethodsbasedontheknowledgethatitisequippedwithservosystems,controlsystemsandauxiliary

6、spindlemotioncontrolsystem,throughaccesstoinformationontheCNClathehardwarechoices,understandtheworkingprinciplesofthevariousmodulesandexternalhardwarecircuitdesign,tocompletethefinaldesignofthespindlecontrol,thefeedmotioncontrol,auxiliarydevicecontrolfunctions.Featuresaccesstoinformationthroughtheus

7、eofSiemens802CCNCsystemsbuilt-inPLC,thedesignofautomaticrotaryturretPLCcontrolprocedures.Inaddition,someofthemainparametersofCNCsystemsetting.keywordss:iemens802c,servosystem,spindlecontrolsystem,electricalcircuitdrawing目录 TOC o 1-5 h z 摘要I HYPERLINK l bookmark2 o Current Document ABSTRACTH概述1数控机床的发

8、展趋势1数控机床的产生于发展1数控机床的发展趋势1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 数控机床的组成和工作原理3数控机床的促成3数控机床的工作原理4数控车床的特点5数控机床的结构特点5数控机床的优点52西门子802C数控系统的介绍7西门子802C数控系统概述7西门子802C数控系统的操作面板7 TOC o 1-5 h z 面板的划分7NC键盘区8MCP机床控制面板区域9屏幕划分11西门子802C数控系统的软件功能12 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 数控车床的硬件系统的选择与连接14 HYPER

9、LINK l bookmark24 o Current Document 数控车床的硬件的选择14数控车床进给系统伺服驱动器的选择14数控车床主轴系统变频器的选择20进给轴的伺服电机的选择23主轴电机的选择24西门子802C数控系统与各硬件之间的连接25西门子802C数控系统的接口介绍25西门子802C系统的接线29 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 自动回转刀架的设计33 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 西门子802C系统的数控车床的操作36数控车床的上电过程36数控车床的断电过程36系统的

10、相关参数的说明37总结38致谢39参考文献40附录41附录I802C数控系统的接线图41附录II自动回转刀架的换刀过程流程图42附录III自动回转刀架的梯形图程序431概述数控机床的发展趋势数控机床的产生于发展科学技术的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率也提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最主要的方法之一。它不但能提高产品的质量、提高生产效率、降低生产成本、还可以很大程度上改善工人的劳动条件。大批量的自动化生产广泛采用自动机床、组合机床和专用机床以及专用自动生产线，实行多刀、多工位多面同时加工，以达到高效率和高自动化。但这些都属于刚性自动化，在面对小批量生产时这

11、种方法并不是适用，因为小批量生产需要经常变化产品的种类，这就要求生产线具有柔性。而从某种程度上说，数控机床的出现正是很地满足了这一要求。1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的试验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是第一代世界上的第一台数控机床。我国是从1958年开始研究数控技术，一直到60年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出试验样机，开发也是从电子管开始的。1965年国内开始研制晶体管数控系统。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研

12、制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代，我国从日本发那科公司引进了5、7、3等系列的数控系统和交流伺服电机、交流主轴电机技术，以及从美国、德国引进一些新技术。这使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。1985年，我国数控机床品种有了新的发展。90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展。目前，在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着很大的差距，但是这种差距正在飞速的缩小。随着工厂、企业、技术改造的深入开展，各行各业对数控机床的需要将会有很大幅度的增长，这将有力地促进数控机床的发展。数控机床的发展趋势高精度化现代科学

13、技术的发展、新材料及其新零件的出现，对精密加工技术不断的提出新的要求，提出高的加工精度，发展新型超精密加工机床，完善精密加工技术，适应现代科技的发展，已经成为数控机床的发展方向之一。其精度已从微米级到亚微米级，甚至纳米级。提高数控机床的加工精度，一般上可以通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术来实现。在减少数控系统的误差方面，通常可以采用提高数控系统的分辨率、提高位置检测精度、在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。在机床误差补偿技术方面，除了采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，还可以对设备热变形进行误差补偿。（2）高速化提高生产率是数控机床追求的基本目标之一。数控

14、机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可以大幅度提升加工效率，降低加工成本，而且还可以提高零件的表面加工质量和精度，对制造业实现高效、优质、低成本生产具有广泛的适用性。要实现数控设备的高速化，首先要求数控系统能对微小程序段构成的加工程序进行高速处理，以计算出伺服电动机的移动量，同时要求伺服电动机能高速度的作出反应，采用32为及64为的微处理器，是提高数控系统高速处理能力的有效手段。实现数控设备高速化的关键是提高切削速度、进给速度和减少辅助时间（3）高柔性化采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争能里的有效手段。数控机床在提高单机柔性化的同时，

15、朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。（4）高自动化高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入二自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。自20世纪80年代中期以来，以数控车床为主体的加工自动化已从“点”、“线”、“面”和“体”的方向发展。尽管这种高自动化的技术还不够完备，投资过大，回收期较长，从而提出“有人介入”的自动化观点，但数控机床的高自动化并向着FMCFMS#成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。数控机床的自动化除进一步提高其自动编程、上下料、加工等自动化程度外，还在自动检索、监控、诊断等方面进一步发展。（5）智能化随着人工智能在计算机领域的不断发展，为适应制造业生产柔

16、性化、自动化发展需要，智能化正成为数控机床研究及其发展的热点，它不仅贯穿于生产加工的全过程，还贯穿于产品的售后服务和维修中，目前采取的主要技术措施包括以下几个方面：a）自适应控制技术自适应控制可干根据切削条件的变化，自动的调节工作参数，使加工过程保持最佳宫坐状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗超度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率，达到改进系统的运行状态的目的。如通过监控切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形状、切削力机零件的加工质量等，向制造系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节。b）专家系统技术将专家的经验和切削加工一般规律与特殊规律存入计算

17、机中，以加工工艺参数数据库为支持，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数，使加工系统达到最佳的工作状态，从而提高编程效率和降低对操作员的技术要求，缩短生产准备时间。c）故障自诊断、自修复技术在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障，立即采用停机等措施，进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等，并利用相关的技术，自动进行相关的反应。d）智能化交流伺服驱动技术目前已开始研究能自动识别负载并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳的运行状态。e）模式识别技术应用图像识别和声控技术，

18、使机器自己识别图样，按照自然语音命令进行加工。数控机床的组成和工作原理数控机床的促成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服机构和机床本体组成，如图1-1所示,其中实线部分表示开环系统。为了提高加工精度精度，再加入测量装置构成反馈，形成闭环系统。图1-1数控机床的组成a）控制介质控制介质又称为信息载体。数控机床加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称为“控制介质”。控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件信息的媒介物，它记载这零件的加工程序。控制介质有多种，如穿孔带、穿孔卡、磁带以及磁盘等，业可以通过通信接口直接输入所需各种信息，采用何种控制介质则取决于数控

19、装置的类型。b）数控装置数控装置可以分为普通数控系统（NC和计算机数控系统（CNC两大类。前者利用控制计算机，又称为硬件数控；后者利用通用的小型计算机或微型的计算机佳软件，又称为软件数控。数控装置是数控机床的核心，一般由输入装置、控制器、运算器、和输出装置等组成。它根据输入的程序和数据，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。这些控制信号最基本的信号时：经插补运算决定的各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量指令，送伺服驱动系统驱动执行部件坐进给运动；主运动部件的变速、换向、和启停信号；选择和交换刀具指令信号；控制冷

20、却、润滑的启停，工作和机床部件松开、夹紧，分度工作台转位等辅助指令信号等。c）伺服系统伺服系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件和机械部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个做进给运动的执行部件，都配有一套伺服系统。伺服系统有开环、半闭环和闭环之分。在半闭环和闭环伺服系统中，使用了位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。数控机床的工作原理用数控机床加工零件时，首先应将加工的零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入部分送入数

21、控装置，经过数控装置的处理、运算，按照各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，是刀具与工件及其他辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数顺利的进行，从而加工出零件的全部轮廓。数控机床的加工，是吧刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，是坐标移动若干各最小的位移量，从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值，向各个坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线

22、或圆弧轮廓。数控装置进行的这种“数据点的密化”称为插补，一般数控装置都具有对基本函数进行插补的功能。对任意曲面零件的加工，必须使刀具的运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需要的零件。数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需要重新编写加工程序即可，原来的程序可以储存备用，不必像组合机床那样需要针对新的加工零件重新设计机床，致使生产的准备时间过于太长。数控车床的特点数控机床的结构特点a）传动链短。沿纵、横两个坐标轴方向的运动是通过用伺服电动机直接与滚珠丝杠联结带动刀架运动，伺服电动机与丝杆间也可以用同步皮带或齿轮副联结。b）刚度大、转速较高，可实现无级变速。数控车床的总体结构刚性好、抗震

23、性好，能够使主轴的转速更高，实现高速、强力切削。它多采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令做无级变速。c）轻拖动、润滑好、排屑方便，机床寿命较长。刀架移动多采用安装在专用滚动轴承上的滚珠丝杠副；润滑大部分采用油雾自动润滑；一般都配有自动排屑装置。d）加工冷却充分、防护较严密。一般都使用安全防护门实现全封闭或半封闭的加工状态，因此，可以将原来的单向冲淋冷却方式改变成多方位强力喷淋，从而改善了刀具和工件的冷却效果。e）自动换刀。数控车床都配有自动换刀刀架实现自动换刀，以提高生产效率和自动化程度。f）模块化设计。数控车床的制造多采用模块化设计。数控机床的优点a）加工对象改型的适应性强利用数

24、控机床加工改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工，它不同于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和检具，更不要重新调整机床。因此，数控机床可以快速地从加工一种零件到另一种零件，这就为单件、小批以及试制新产品提供了极大的方便。它不仅缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用。b）加工精度高数控机床是以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量一般达到了0.001mm而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。这是由数控机床结构设计采用的了必要的措施以及机电结合的特点决定的。首先是在结构上采用了滚

25、珠丝杠螺母机构、各种消除间隙的结构等，使机械传动误差尽可能的减少；其次采用了软件精度补偿技术，是机械误差进一步减少；第三是用程序控制加工，减少了人为因素对加工精度的影响。这些措施不仅可以保证了较高的加工精度，同时还保持了较高的质量稳定性。c）生产效率高零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数控机床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床高。数控机床主轴转速和进给来那个的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控机床一定部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，因而选用了很高

26、的空行程运动度，消耗在进给、快退和定位的时间要比一般机床少。数控机床在更换被加工零件时几乎不要重新调整机床，而零件有都安装在简单的定位夹紧装置中，可以节省用于停机进行零件安装调整的时间。数控机床的加工精度比较稳定，一般只做首件检验或工序间关键尺寸的抽样检验，因而可以介绍停机检验的时间。在使用带有刀库和自动换刀装置的数控加工中心机床时，在一台机床上实现了多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产效率的提高就更为明显d）自动化程度高数控机床对零件的加工是按照事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自

27、动化完成的，不需要进行繁复的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。e）良好的经济效益使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是比较昂贵的。但在单件、小批生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产时间、生产管理费用以及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。2西门子802C数控系统的介绍2.1西门子802C数控系统概述SINUMER11802cbaseline是在SINUMER11802c基础上新开发的全功能说控系统，它可以控制2到3个伺服电机进给轴和一个伺服主轴或变频主轴，连接SIMODRIVE611U或SIMODRIVEbaseline.当系统

28、匹配SIMODRIVE611UESIMODRIVEbaseline时连接1FK7系统伺服电机。它主要由：CNC控制器、驱动器和电机、电缆这三大部分组成。它具有结构紧凑，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机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用西门子802Cbaseline集成了所有的CNCPLCHMLI/O于一身可独立于其他部件进行安装等优点。正如下图2-1所示，西门子802C数控系统在西门子公司数控系统产品中拥有高性能、低价位的特性，一直以来备受人们的青睐西门子公司数控系统产品结构,性能高性能型普

29、及型以普及型里0。FM-NC1高性能.低价位80&802C802S价格数控系统的基本构成图2-1西门子公司数控系统产品结构2.2西门子802C数控系统的操作面板2.2.1面板的划分西门子802C数控系统的操作面板可以划分为三大区：LCD显示区、NC键盘区和机床控制区域，如图2-2所示二U国国m同期 0 HaDBeras图2-2面板划分面板定义LCD显示区：8液晶黑白显示，640 x320象素点，VGA显示，CCFL背光。NC键盘区：34个数字字符键，5个软键，7个功能键和4个特殊键。MCP机床控制区域：27个功能键，12个用户定义键键，16个LED显示。2.2.2 NC键盘区2)4)5)6)7

30、)8)各功能键说明：1）加工显示键：按此键后，屏幕立即回到加工显示的画面，在此可以看到当前各轴的工作状态。2）返回键：返回到上一级菜单。3）软键：在不同的屏幕状态下，操作对应的软键，可以执行相应的操作。4）删除/退格键：在程序编辑画面时，按此键删除（退格）清除前一字符。5）报警应答键：报警出现时，按此键可以消除报警（取决于报警级别）。6）光标向上键/向上翻页（上档）键。7）菜单扩展键：进入同一级的其他菜单画面。8）区域转换键：按此键后立即回到主界面。9）垂直菜单键：在某些特殊画面，按此键可垂直显示选项。10）光标向右键。11）光标向下键/向下翻页（上档）键。12）回车/输入键：按此键确认所输入

31、的参数或换行。13）选择/切换键：在设定参数时，按此键可以选择或转换参数。14）空格键：在编辑程序时，按此键插入空格。15）光标向左键。16）字符键：用于字符输入，上档键可转换对应字符。17）上档键：按数字键或字符键时，同时按此键可使数字/字符的左上角字符生效。18）数字键：用于数字输入。2.2.3MCP机床控制面板区域各按键功能说明：基本功能区：POK（绿灯）：电源上电，灯亮表示电源正常供电。ERR（红灯）：系统故障，此灯亮表示CNC出现故障。DIA（黄灯）：诊断。该灯显示不同的诊断状态，正常状态时闪烁频率为1:14）急停开关1) 2)34)5?81n13J12321J22J23024 32

32、53K1K12用户自定义键（带LED：用户可以编写PLC程序进行键的定义。运行方式键：6）增量选择键：在JOG方式（手动运行方式）下，按此键可以进行增量方式的选择，范围为：X1,X10,X100,X100007）点动方式键：按此键切换到手动方式。8）回参考点键：在此方式下运行回参考点。9）自动方式键：按此键切换到自动加工方式，按照加工程序自动运行。10）单段运行键：按此键设定单段方式，程序按单段运行。11）手动数据键：在此方式下手动编写程序，然后自动执行。主轴键：12）主轴正转键：按此键，主轴正方向旋转。13）主轴停止键：按此键，主轴停止转动。14）主轴反转键：按此键，主轴反方向旋转。倍率键：

33、15）进给轴倍率增加键（带LED）：按动此键，进给轴倍率增大。当进给轴倍率大于100%时LED亮，达至IJ120%寸（最大）LED闪烁。16）主轴倍率增加键（带LED）：按动此键，主轴倍率增大。当主轴倍率大于100%时LED亮，达到120%寸（最大）LED闪烁。17）进给轴倍率100%键：按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，进给轴倍率直接变为100%。18）主轴倍率100%键：按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，主轴倍率直接变为100%。19）进给轴倍率减少键（带LED）：按动此键，进给轴倍率减少。按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，进给轴倍率直

34、接变为0%。进给轴倍率在0%-100%时LED灯亮，降为0%寸（最小）LED闪烁。20）主轴倍率减少键（带LED）：按动此键，主轴倍率减少。按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，进给轴倍率直接变为50%。进给轴倍率在50%-100%时LED灯亮，降为50%寸（最小）LED闪烁。点动键：X轴正向点动键：在手动方式下按动此键，X轴向正方向点动。Z轴正向点动键：在手动方式下按动此键，Z轴向正方向点动。23）快速运行叠加键：在手动方式下，同时按此键和一个坐标轴点动键，坐标轴按快速进给速度点动。Z轴负向点动键：在手动方式下按动此键，Z轴向负方向点动。X轴负向点动键：在手动方式下按动此键，X

35、轴向负方向点动。启动/停止键：26）复位键：按此键，系统复位，当前程序中断执行并退出。27）数控停止键：按此键，当前执行的程序中断执行。28）数控启动键：按此键，系统开始执行加工程序。.4屏幕划分如图2-5所示，屏幕显示区是整个数控系统的显示窗口，具体说明如下:(15图2-5屏幕划分1）当前操作区域：加工、参数、程序、通讯、诊断。通过主菜单不同的软键进行操作。2）程序状态：程序停止；程序运行；程序复位。3）运行方式：点动方式、自动方式、MDAT式。4）状态显示：程序段跳跃、空运行、快速修调、单段运行、程序停止、程序测试、步进增量。5）操作信息。6）程序名。7）报警显示行：在NC或PLC报警时显

36、示报警信息。8）工作窗口：工作窗口和NC显示。9）返回键：软键菜单中出现此符号时，表明存在上一级菜单，按下返回键后不存储数据直接回到上一级。10）扩展键：出现此符号表明同级菜单中存在其它菜单，按下扩展键后可以选择这些功能。11）软键。12）垂直菜单：出现此符号时表明存在其它菜单功能，按下垂直菜单键后，这些菜单显示在屏幕上，并可用光标进行选择。13）进给轴速度倍率：在此显示当前进给轴的速度倍率。14）齿轮级：在此显示当前主轴的齿轮级。15）主轴速度倍率：在此显示当前主轴的速度倍率。2.3西门子802C数控系统的软件功能数控系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接

37、口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。CNC（统的核心是CNCg置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能,又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的等功能。数控系统的通过软件功能来更好的弥补数控机床硬件所不能直接完成的控制。SINUMERIK802C系统主要的软件功能可分为加工、参数、程序、通信和诊断五个操作区域，如图2-6所示。在主菜单下可通过所对应的

38、软件进入各操作区域的子菜单、扩展菜单，如图2-7是SINUMERIK802C（统的主菜单及其菜单树。输出M数据输入与4刖r图2-6西门子802C系统软件功能操作区域A百IMTO程序笠制1句区放大搜索工1#除各轮进境执行先能程序G功能区放大DRKY功能区放Xf剧L画语句区放大工件里标实标值放大H箸轴躺G功能R放AM功能区放k4手轮各轴讲第丁件里标空际值放大3数控车床的硬件系统的选择与连接数控车床的硬件的选择数控车床进给系统伺服驱动器的选择伺服驱动器的工作原理及其对数控系统和电机的要求（1）伺服驱动器的工作原理伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类

39、似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好

40、的三相电或市电，再通过三相正弦PWW压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC勺过程。整流单元（AC-DC主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。（2）伺服驱动器对伺服进给系统的要求a）调速范围宽b）定位精度高c）有足够的传动刚性和高的速度稳定性d）快速响应，无超调，为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。e）低速大转矩，过载能力强，一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半

41、小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载46倍而不损坏。f）可靠性高，要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。（3）伺服驱动器对电机的要求a）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。b）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载46倍而不损坏。c）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。d）电机应能承受频繁启、制动和反转。伺服驱动器的

42、选择在本次设计中选用了SIMODRIVE611响服驱动器SIMODRIVE611胴服驱动器的概述611U是一种功能可以灵活配置的伺服驱动系统。用户可以根据不同的应用场合的要求，组合选择不同的配置，形成各种不同的应用系统。611U可以与SINUMERII802Cbaseline数控系统组合使用。可以驱动1FK7伺服电机和1PH7主轴电机。驱动器一般采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，是伺服系统必不可少的组件。SIMODRIVE611U勺组成611U的各个模块之间采用标准化设计。它主要由以下几部分组成：电源模块（6SN1145/6SN1146；功率模块（6SN1123；控

43、制板模块（6SN118;其他附件图3-1SIMODRIVE611Ua）电源模块外部强电供电系统经过电源模块连接到各个驱动单元，将主电源变换为直流母线上的直流电压。另外，通过电源模块上的设备总线提供功率模块和控制板模块所需要的各种电源（+/-24V,+/-15V,+5V等等）。电源模块可以分为非调节型电源模块和调节型电源模块。非调节型电源模块（UI模块）：输出功率较低，最大功率为10KW其内部含有一个整流电抗器和脉冲电阻器；调节型电源模块（再生反馈模块）；可以将直流连接线圈产生的多余能量重新输入，比如讲制动产生的能量重新输入电网系统。这样可以优先电柜的冷却效果，降低能量消耗，允许各个驱动轴在恒定

44、直流连接电压下工作。J0F图3-2电源模块b）功率模块在单轴功率模块和双轴功率模块之分。功率模块根据电流安培数分级，相应的必须具有不同的冷却方式。图3-3功率模块c)控制板模块图3-4控制板模块d)其他附件脉冲电阻模块：脉冲电阻模块可以实现直流母线的快速放点，将直流母线连接线路的能量转换为热量损失。当最大功率大于200WM,建议使用隔热板以阻止热量从上面的模块传出来。外部脉冲电阻器：外部脉冲电阻器可以讲热量损耗转移到电柜以外。28KW勺非调节型电源模块需要安装外部脉冲电阻器。过电压限制模块：在接通感应负载或变压器时，可能会产生过压。这时需要电压限制模块。对于功率为10KW或10KW以上的功率模

45、块，过电压限制模块可以出入到X181接口。脉冲电阻模块外部脉冲电阻器过电压限制模块SIMODRIVE611U勺功能SIMODRIV611U与SINUMERII802Cbaseline一起使用的场合SIMODRIV611U主要具有以下的功能：a）控制板：双轴Resolver（旋转变压器）控制板（6SN1118-0NK00-0AA）;单轴Resolver（旋转变压器）控制板（6SN1118-0NK00-0AA）;b）系统软件（固件）：nset设定值c）运行方式：闭环速度控制方式d）存储器模块：固件（系统软件）；用户数据（参数）；e）显示和控制面板：能够显示参数状态，设定参数；f）调试工具：“Sim

46、oComUg）通讯：通过串行接口RS232使用SimoComU进行通讯；h）接口：每个驱动器2个模拟量输出接口（+/10V）;角度编码器接口（WS破口）；每个驱动器4个数字输入接口、4个数字输出接口（可以自由设定参数）；2个测试管脚（05V）;安全启动禁止（AS1/AS2）;i）按键和LED灯；上电复位按键/故障红灯LED;j）编码器：RESOLVER旋转变压器，极对数1和4;k）611U各个部件的功能：电源模块（NE模块）：连接到外部3向电网；产生直流母线电压；驱动设备总线；设备总线：提供控制板的各种电压和使能信号；直流母线：功率模块从直流母线中获取控制电机的电源；功率模块：在SIMODRI

47、VER611康统中作为单轴或双轴控制板使用；存储模块：集成在控制板上，可以更换；并具有FEPROMI于储存固件和用户数据；电机：连接到功率模块上；编码器：电机中角度编码器，测量实际位置；调试工具：SimoComU数一种调试工具，用于设决定参数、调试和测试控制板，它是在Windows，95/98/NT2000/XP下运行的软件使用该工具，可以使用下列功能：对“SIMODRIVE611U通用”模块参数化各轴快速；设定最佳化；下载的系统专用软件；串接机床的标准启动；诊断（如测量功能）；数控车床主轴系统变频器的选择变频器的工作原理和特点（1）变频器的工作原理变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换

48、成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。如图4-1所示，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。图3-5变频器内置电路a）整流器:它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压；b）中间电路，有以下三种作用：使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用；通过开关电源为各个控制线路供电；可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能；c）逆变器：将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压；d

49、）控制电路：它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：利用信号来开关逆变器的半导体器件；提供操作变频器的各种控制信号；监视变频器的工作状态，提供保护功能；（2）变频器的特点a）功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。b）软启动节能电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电

50、流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。变频器的选择在本次设计中选用了西门子MM42度频器MICROMASTER420器的概述MICROMAST420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从120W6U200kW但定转矩（CT）控制方式），或者可达250kW何变转矩（VT）控制方式，供用户选用。MM4段频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极

51、型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICROMAST420具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于MICROMAST4R0具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。MICROMASTER）既可用于单独驱动系统，也可集成到自动化系统中。MICROMASTER4201器的特征a）主要特性易于安装，参数设置和调试；易于调试；牢固的EMC设计；对控制信号

52、的响应是快速和可重复的；参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置；电缆连接简便；具有多个继电器输出；具有多个模拟量输出（020mA）;6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PN脸线；2个模拟输入：AIN1:0-10V,0-20mA和-10至+10V;AIN2:0-10V,0-20mA;2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入；BiCo（二进制互联连接）技术；模块化设计，配置非常灵活；脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低；有多种可选件供用户选用：用于与PC通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP）,高级操作面板（AOP）,用于进行现场总线通讯的PROFIBUS!讯模块；b）性能特征

53、矢量控制：无传感器矢量控制（SLVC）;带编码器的矢量控制（VC）;V/f控制：磁通电流控制（FCC）,改善了动态响应和电动机的控制特性；多点V/f特性；快速电流限制（FCL）功能，避免运行中不应有的跳闸；内置的直流注入制动；复合制动功能改善了制动特性；内置的制动单元（仅限外形尺寸为A至F的MM44改频器）；加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能：起始和结束段带平滑圆弧；起始和结束段不带平滑圆弧；具有比例，积分和微分（PID）控制功能的闭环控制；各组参数的设定值可以相互切换：电动机数据组（DDS）;命令数据组和设定值信号源（CDS）;自由功能块；动力制动的缓冲功能；定位控制的斜坡下降曲线；c）

54、保护特性过电压/欠电压保护；变频器过热保护；接地故障保护；短路保护；t电动机过热保护；PTC/KTY电动机保护；进给轴的伺服电机的选择伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。在电机选型中，原则上应该根据负载条件来选择伺服电机。在电机轴上所加的负载有两种，即阻尼转矩和惯量负载。选型时一般要满足：电机最大转速大于系统所需的最高移动转速；电机的转子惯量与负载惯量相匹配；电机额定扭不小于连续负载工作扭力；电机最大输出扭力大于系统

55、所需最大扭力(加速时扭力)。在设计中进给轴选用1FK7伺服电机，1FK7电机是高度紧凑型的永磁同步电机。根据不同的应用，可以选择相应的编码器。作为选件的集成齿轮箱和较宽的产品范围使得1FK7电机可以方便地应用到各种场合。1FK7电机只有自然风冷，没有外部冷却系统,热量通过电机表面散发。1FK7电机有很强的过载能力1FK7的优点:功率密度高、节省安装空间；用途广泛；型号齐全；极低的转子惯量，极高的动态响应;1KF7的应用:机床；机器人和机械手；木材、玻璃、陶瓷和石器加工；包装/塑料和纺织机器；辅助轴表3-11FK7的参数电动机型号1FK7060-5AH71-1额定转速1000rpm额定转矩6.8

56、Nm额定电流4.4A额定功率2.14Kw极对数4转子转动惯量15X104Kgm2堵转转矩8主轴电机的选择数控机床的主轴轴系是高速、高精度主轴的主体。为使主轴轴系在极宽的转速转速范围内正常平稳工作，必须有合理完善的轴系结构分析，使其工作转速远离其固有频率,否则会引起巨大的振动，不利主轴的良好运转。主轴电机用于接受驱动控制器提供的中频电，使其电能转换为主轴的机械能。为适应数控机床在宽转速范围内，实现低速大扭矩的特殊性，电机常被设计为包功率制。高转速电主轴的支撑通常选用角接触球轴承。这类轴承可承受较大的轴向载荷和径向载荷。根据工作状况和转速要求，可选用油脂润滑和油气润滑。必要时，还需选用陶瓷球混合型

57、轴承，以提高滚动体的强度和耐热性。在设计中主轴选用电机是西门子公司的1LG0090-6AA型低压三相交流异步电动机，具技术参数如下表所示。表3-21LG0090-6AA电机的参数:电机型号1LG0090-6AA额定功率0.75kW额定转速910rpm额定电压220VD/380VY效率69%功率因数0.72额定电流2.29A额定转矩7.9Nm西门子802C数控系统与各硬件之间的连接西门子802C数控系统的接口介绍数控系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，习惯上称为CNC8统。CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，

58、离开软件硬件便无法工作，二者缺一不可。数控系统的基本组成如图3-6所示。图3-6数控系统的基本组成CNCI置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。从本质特征来看，CNC统统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNCt理软件和CNC空制软件两部分组成。它是CNC8统活的灵魂。其结构框图如图3-7所示。图3-7CNC系统软、硬件结构图在本设计所用的数控系统是西门子802C数控系统，它的优点在于结构紧凑、系统硬件结构简单，便于经济的配置备件，其完善自诊断能力也使维修变得简单

59、。802CBaseline系统可控制23个交流伺服电机轴和一个伺服主轴或变频器主轴。802CBaseline由下列各部分组成：a）操作面板（OP020:分为LCD显示、NC盘和MCM域;b）集成式、紧凑型CNC空制器；c）输入输出（DI/0）以及其他接口：48输入16输出等；其中西门子802C系统的接口如图3-8所示。图3-8SINUMERIK802C系统的接口（1）电源端子X1系统工作电源为直流24V电源，接线端子为X1。如表3-3所示表3-3系统工作电压（X1）1PE保护地2M0V3P24直流24V（2）RS232!讯接口X2在使用外部PCf802C进行数据通讯或者上传、下载PLC程序时，

60、使用RS232接口,其各引脚定义如图3-9所示802S/Cksc1incFC9芯MM头(孔)。芯。甲!插奘5)J802S/CbaseIinePC。芯D型插头（孔）25芯口整插头33umm尸_3TxD1RaBhDSR5(IV4DTKSCTS7RTSrnmKxU2TxD3DTR40V50混6RTS?CTS8rvXL/j.TxD3DTR40V5DSRbRTS?CTSSnIi;!a_iIxDhDSR70V50bTR$CTS4RTS1qI*.is1pB1iiM11*111I?!I!.*:；-L_图3-9通讯接口（X2）（3）编码器接口X3X6编码器接口X3,X4和X5,为SUB-D15芯孔插座，仅用于西