數(shù)控機床的電氣設計

1、數(shù)控機床的電氣設計 目錄摘要31數(shù)控機床的發(fā)展41.1數(shù)控階段41.2計算機數(shù)控階段41.3數(shù)控機床的工作原理42系統(tǒng)連接52.1驅(qū)動系統(tǒng)52.1伺服電機62.3電氣設計的重要事項82.3.1供電82.3.2電氣柜的設計的基本要求92.3.3接地92.4驅(qū)動器的連接102.4.1 Sinamic S120 書本型驅(qū)動器的連接102.5系統(tǒng)通電112.5.1通電前檢查112.5.2第一次通電113.PLC的調(diào)試123.1PLC應用程序的設計123.2PLC用戶的調(diào)試133.3PLC用戶報警143.3.1報警的屬性143.3.2 激活用戶報警144 自動換刀控制程序155變頻器16致謝 

2、17參考文獻 18數(shù)控機床的電氣設計摘要隨著科技的高速發(fā)展，數(shù)控技術在機械領域得到了廣泛的應用。數(shù)控機床是改造傳統(tǒng)機械加工裝備產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的基礎，它的發(fā)展一直被人們關注著。它有效的解決了復雜，精密等零件加工所存在的問題，能適應新時代所產(chǎn)生的各種難題。 該設計首先對國內(nèi)外數(shù)控技術的發(fā)展情況及趨勢做出描述，然后在對數(shù)控機床的工作原理，伺服系統(tǒng)進行分析總結(jié)。關鍵字：數(shù)控銑床 伺服系統(tǒng)Electrical design of numerical control machine toolAbstract隨著科技的高速發(fā)展，數(shù)控技術在機械領域得到了廣泛的應用。數(shù)控機床是改造傳統(tǒng)機械加工裝

3、備產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的基礎，它的發(fā)展一直被人們關注著。它有效的解決了復雜，精密等零件加工所存在的問題，能適應新時代所產(chǎn)生的各種難題。With the rapid development of technology, numerical control technology has been widely used in the field of machinery. Numerical control machine tool is the basis of transforming traditional machining equipment industry, and it has b

4、een concerned with the development of digital enterprise. It can effectively solve the problems in the complicated and precision machining, and can adapt to the problems of the new era.該設計首先對國內(nèi)外數(shù)控技術的發(fā)展情況及趨勢做出描述，然后在對數(shù)控機床的工作原理，伺服系統(tǒng)進行分析總結(jié)。This design first describes the development situation and trend

5、of numerical control technology at home and abroad, and then analyzes and summarizes the working principle and servo system of CNC machine tools.關鍵字：數(shù)控銑床 伺服系統(tǒng)Key words: CNC milling machine servo system1數(shù)控機床的發(fā)展1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這項成果表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。六年后，即在1952年，計算機技術被應用到了機床上。從此世界上便誕生了第一臺數(shù)控機床。傳

6、統(tǒng)機床便開始發(fā)生了巨大的改變。近50年以來，數(shù)控機床主要經(jīng)歷了以下兩個大階段。1.1數(shù)控階段.數(shù)控階段由于前期的計算機運算速度低，對數(shù)據(jù)處理和計算所造成的影響并不大，但機床實時控制的卻不能適應它的要求。因此人們便采用數(shù)字邏輯電路的方法來“搭”成一臺機床計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，它被稱為硬件連接數(shù)控。為了叫法方便，簡稱數(shù)控。1.2計算機數(shù)控階段1970年，出現(xiàn)涌現(xiàn)出大批小型計算機。其運算速度相對于五，六十年代有了大幅度的提升，這與專門“搭”成的專用計算機相比，不僅節(jié)約了成本，還提高了可靠性。于是它被移植過來成為了數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此便開始進入了計算機數(shù)控階段。到1972年美國的一家公司在世界上首次

7、把計算機的控制器和運算器，運用大規(guī)模集成電路的方法把它集成在了一塊小芯片上，并稱之為微處理，亦稱之為中央處理單元(簡稱CPU)。1974年CPU被用在了數(shù)控系統(tǒng)上。由于CPU仍然是通用計算機的核心部件所以還是被稱為計算機數(shù)控。1.3數(shù)控機床的工作原理(1) 把編好的加工程序通過操作面板上的鍵盤或者輸入機將數(shù)字信息運送給數(shù)控裝置。(2)數(shù)控裝置把所接收的信號進行處理后，再將處理結(jié)果用脈沖信號的形式進行分配：一種是向進給伺服系統(tǒng)發(fā)出進給等執(zhí)行命令，另一種是向可編程序控制器發(fā)出S，M，T等指令信號。(3)可編程序控制器接到S，M，T等指令信號后，控制機床主體則立即執(zhí)行這些指令，并將機床主體執(zhí)行的情況

8、實時反饋給數(shù)控裝置。(4)伺服系統(tǒng)在接到進給執(zhí)行命令后，則立即驅(qū)動機床主體的各坐標軸(進給機構(gòu))嚴格按照指令要求進行準確的位移，自動完成工件的加工。(5)在各坐標軸位移過程中，檢測反饋裝置將位移的實測值迅速反饋給數(shù)控裝置，以便與指令值進行比較，然后再以極快的速度向伺服系統(tǒng)發(fā)出補償執(zhí)行指令，直到實測值與指令值吻合為止。(6)在各坐標軸位移的過程中，如果發(fā)生“超程”現(xiàn)象，則限位裝置就可以向可編程序控制器或直接向數(shù)控裝置發(fā)出某些坐標軸超程的信號，數(shù)控系統(tǒng)就一方面通過顯示器發(fā)出報警信號，另一方面則向進給伺服系統(tǒng)發(fā)出停止執(zhí)行命令，以實施超程保護。2系統(tǒng)連接2.1驅(qū)動系統(tǒng)SINAMICS S120 系統(tǒng)是

9、西門子最新的一代驅(qū)動應用系統(tǒng)。S120 驅(qū)動系統(tǒng)運用了世界上最先進的硬件、軟件以及通訊技術等。運用高速驅(qū)動的接口，與之配套的1FK8永磁同步伺服電機并具有獨立的電子銘牌，系統(tǒng)不僅可以自主識別所配置的驅(qū)動系統(tǒng)，更具有超高的動態(tài)控制特性和控制精度以及可靠性。和802D sl配套使用的驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品包括：書本型驅(qū)動器和用于單軸的 AC/AC 模塊式驅(qū)動器。 書本型驅(qū)動器，其電源模塊和電機模塊的非開構(gòu)成了它的結(jié)構(gòu)形式，而且直流母線上被電機模塊所連接（一個或多個），同時3相交流電源還會被一個電源模塊整流成540V或600V的直流電。單軸 AC/AC 模塊式驅(qū)動器，其結(jié)構(gòu)形式為電源模塊和電機模塊集成在一起。

10、（802D sl value 采用該類型驅(qū)動器）SINAMICS S120 書本型驅(qū)動器由獨立的電源模塊和電機模塊共同組成。電源模塊全部采用饋能制動方式，其配置分為調(diào)節(jié)型電源模塊（Active Line Module 縮寫為 ALM） 和非調(diào)節(jié)型電源模塊（Smart Line Module 縮 寫為 SLM）。無論選用 ALM 或 SLM，均需要配置電抗器。電機模塊（Motor Module 縮寫為 MM）。 2.2伺服電機SINAMICS S120 書本型驅(qū)動器的電源模塊、電機模塊均需要外部 24V 直流供電。 Sinamics S120 AC/AC 模塊式驅(qū)動器由兩部分組成：控制單元適配器

11、 CUA31 和功率模塊 PM340。 控制單元適配器 CUA31 上指示燈的含義： 圖5Sinamics S120 AC/AC 模塊式驅(qū)動器不需要獨立的 24V 直流供電。2.1.3802D各單元間的連接SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)是基于PROFIBUS總線的數(shù)控系統(tǒng)。信號都是通過PROFIBUS傳送的。2.3電氣設計的重要事項2.3.1供電1. 24VDC 電源的容量確定 802D sl 的 PCU210.3 和輸入輸出模塊 PP72/48，以及各驅(qū)動部件均需要 24V 直流供電。 PP72/48 的輸出信號也需要 24VDC 供電，所需的電流要根據(jù)輸出點的個數(shù)以及輸出信號的同時系

12、數(shù)來確定：輸出信號所需的電流 = 輸出點數(shù) * 0.25 * 同時系數(shù)（A）。 在確定系統(tǒng)的配置，以及輸入輸出的負載情況后，確定 24V 直流電源的輸出能力。 使用倆個獨立的24V直流電源，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中一個電源用在 802D sl 的 PCU210.3、PP72/48 和輸入信號的公共端，另一電源則為驅(qū)動部件和 PP72/48 的輸出信號供電（X111、X222、X333 端子 47/48/49/50）。兩個 24VDC 電源的"0"V 應連通。 2. 24VDC 電源的選擇 使用24V直流電源。3.驅(qū)動器供電 交流電源由電抗器、濾波器、電源開關等部件接到進線

13、電源模塊上，電抗器是必須存在的配件。2.3.2電氣柜的設計的基本要求電氣柜應具有 IP54 防護等級； 各部件應安裝在沒有涂漆的鍍鋅板上； 變頻器，驅(qū)動器以及其他強電電氣不能和弱電部件（如 PCU、PP72/48）等在一起安裝；200mm 的間距是其在安裝上的最小間距； 用于 PCU 和 PP72/48 的 24VDC 電源的共地與浮地連接； 系統(tǒng)可以采用浮地連接，但推薦采用共地連接。共地可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，但前提條件是具有良好的"地"。2.3.3接地接地標準及辦法需遵守國標 GB/T 5226.1-2002（等效 IEC 204-1:2000） "工業(yè)機械

14、電氣設備 第一部分: 通用技術條件 "； 中性線不能作為保護地使用！ PE 接地只能集中在一點接地，接地線截面積必須6mm2，接地線嚴格禁止出現(xiàn)環(huán)繞。 1）L1，L2，L3 三相中未被其他設備使用的兩相； 2）只有 PE 接地良好時才能連接，如果不能確定 PE 是否良好，禁止連接； 3）接地線截面積必須 ³ 6mm²，以確保接地效果； 4）接地線截面積必須 ³ 10mm²，以確保接地效果。 2.4驅(qū)動器的連接2.4.1 Sinamic S120 書本型驅(qū)動器的連接 書本型驅(qū)動器是由電機模塊和進線電源模塊這倆部分所組成。其中進線電源模塊的作用是將

15、360V 交流電源變?yōu)?580V 直流電源，以方便為電機模塊供應所需電量。進線電源模塊則可以分為調(diào)節(jié)型和非調(diào)節(jié)型這兩種。母線電壓為直流580V的是調(diào)節(jié)型的。母線電壓和進線的交流電壓相關的就是非調(diào)節(jié)型。無論是調(diào)節(jié)型的亦或是非調(diào)節(jié)型的進線電源模塊均采用的制動方式是饋電式-制動的能量饋回電網(wǎng)。 調(diào)節(jié)型進線電源模塊（Active Line Module 縮寫為 ALM） ALM具有 DRIVE CLiQ 接口，由802D sl X1接口引出的驅(qū)動控制電纜 DRIVE CLIQ 連接到ALM的 X200 接口，由ALM的 X201 連接到相鄰的電機模塊的 X200，然后由此電機模塊的X201連接至下一相

16、鄰電機模塊 的 X200，按此規(guī)律連接所有電機模塊。 注意：功率大的電機模塊應與電源模塊相鄰放置。 非調(diào)節(jié)型進線電源模塊（Smart Line Module 縮寫為 SLM） SLM 沒有 DRIVE CLiQ 接口，由 802D sl X1 接口引出的驅(qū)動控制電纜 DRIVE CLIQ 直接連接到第一個電機模塊的 X200 接口，由電機模塊的 X201 連接到下一個相鄰的電機模塊的 X200，按此規(guī)律連接所有電機模塊。 注意：功率大的電機模塊應與電源模塊相鄰放置。 2.5.1通電前檢查檢查 24VDC 回路有無短路； 如果使用兩個 24VDC 電源，檢查兩個電源的"0"V

17、 是否連通； 檢查驅(qū)動器進線電源模塊和電機模塊的 24V 直流電源跨接橋是否可靠連接； 檢查驅(qū)動器進線電源模塊和電機模塊的直流母線是否可靠連接（直流母線上的所有螺釘必須牢固旋 緊）； 檢查 DRIVE CLiQ 電纜是否正確連接； 檢查 PROFIBUS 電纜是否正確連接，終端電阻的設定是否正確。2.5.2第一次通電如果通電前檢查無誤，則可以給系統(tǒng)加電。合上系統(tǒng)的主電源開關，802D sl 的 PCU210.3、PP72/48，以及驅(qū)動器均通電： 如果PP72/48 上標有"POWER" 和"EXCHANGE" 倆個單詞的綠燈全部變亮- 那么就表示 PP

18、72/48 模塊已經(jīng)準備緒，且會伴隨總線數(shù)據(jù)交換的發(fā)生。 注意：總線連接有問題的表現(xiàn)方式是是"EXCHANGE"綠燈沒有亮。 802D sl 進入主畫面 這時已經(jīng)進入了 802D sl 的系統(tǒng)畫面，先找到 PLC 的狀態(tài)表。所有輸入信號的狀態(tài)都會在PLC狀態(tài)表上看到。 注意：如果看不到輸入信號的狀態(tài)，請檢查總線連接或輸入信號的公共端。 驅(qū)動器的電源模塊和電機模塊上的指示燈： READY： 桔色 - 正常，表示驅(qū)動器未設置；紅色 - 故障 DC Link：桔色 - 正常；紅色 - 進線電源故障 若無指示燈亮，則表示無外部直流電源 DC 24V 供電 3.PLC的調(diào)試在 802

19、D sl 的各個部件正確連接后，PLC的控制邏輯的設計和調(diào)試應該放在第一位。最重要的是在開始調(diào)試驅(qū)動器和 802D sl 參數(shù)之前，必須確保所有有關的PLC的安全功能是全部正確的，沒有錯誤的。 3.1PLC應用程序的設計利用 PLC 子程序庫可非常迅速地建立一個 PLC 應用程序。在開始設計 PLC 應用程序之前，請詳細閱讀 802D sl PLC 子程序庫說明；PLC 編程軟件的使用請參閱軟件內(nèi)的在線幫助，PLC 與 NCK 的接口信號定義見第 15 章，PLC 指令集見第 16 章。 802D sl 為用戶提供了三種類型的 PLC 機床參數(shù)。它們是 32 個 16 位整型數(shù) -MD1451

20、00 31、32 個 8 位十六進制數(shù) - MD14512031和 8 個 32 位浮點數(shù) -MD1451407。PLC 機床參數(shù)可以使 PLC 應 用程序更加靈活。但必須注意的是，如果使用了 PLC 機床參數(shù)，一定要在 PLC 應用程序中考慮其取值范圍。 為簡化系統(tǒng)設計，可利用 PLC 應用程序?qū)︱?qū)動器電源模塊的控制端子進行控制。控制功能由子程序 33 - EMG_STOP 實現(xiàn)。 注意 出于安全原因，請對所使用的子程序庫中的子程序進行全面測試，確保子程序的功能在與您的程序聯(lián)在一起后正確無誤！3.2PLC用戶的調(diào)試首先利用準備好的"直連網(wǎng)線"把802D sl 的 X5 和

21、計算機連接起來；然后開啟 PLC 編程工具，再設定802D SL的參數(shù)， 默認地址為 169.254. 11.22。首先要擁有一個編譯準確的 PLC 應用程序，然后才可以把該應用程序通過 PLC 編程工具軟件將下載到 802D sl 中；下載完成后，應該重新啟動PLC程序；通過內(nèi)部地址狀態(tài)的監(jiān)控；通過"交叉引用表"來檢查地址是否有沖突。注意 在利用西門子機床控制面板時，PLC 程序中對于手動增量功能選擇的編程應注意 - 不論是增量點動還是連續(xù)點動，都必須通過信號接口選擇。 3.3PLC用戶報警最有效的診斷手段之一便是PLC 報警。在下圖 所示的例子中，利用繼電器和接觸器的輔

22、助觸點作為檢測信號，這樣一旦冷卻泵不工作，通過 PLC 用戶報警，可以給操作人員或維護人員明確的診斷信息。 SINUMERIK802D sl 報警系統(tǒng)有多個PLC 用戶報警。與報警相關的是報警變量即與與之對應的報警文本有關，也就是說設定一個報警機床便對應著一個報警。參數(shù) MD14516。3.3.1報警的屬性1清除條件 當不滿足報警的情況時，重新上電可以將報警取消 當不滿足報警的情況時，摁下清除或復位健可以將報警取消當不滿足報警的情況時，報警會自動清除2報警響應 PLC 停止 當PLC不在進行掃描時，接口信號失去作用，所有輸出變會無效 急停 接口信號被報警激活產(chǎn)生“急?！边M給保持 接口信號被報警

23、激活產(chǎn)生“進給保持" 讀入禁止 接口信號被報警激活產(chǎn)生“讀入禁止" 啟動禁止 接口信號被報警激活產(chǎn)生 “啟動禁止" 只顯示 報警不能做出反應，但能顯示文本和報警號3.3.2 激活用戶報警 用戶擁有多個系統(tǒng)提供的用戶報警。PLC擁有多個NCK地址位。它與每個用戶報警相對應。參見 PLC 接口說明。 激活報警的地址位是“1”,清除報警的地址位是“0”。64位的報警變量可以對應所有的報警: VD16001000 到 VD16001252。變量值可以按照報警文本的定義隨意輸入.報警變量的類型如下所示： %d：十進制；%x：十六進制；%b：二進制；%o：八進制；%u：無符號

24、整型；%f：浮點數(shù) 報警文本中可插入報警變量，用于將可變得信息顯示在報警文本中。例如，700012 0 0"冷卻啟動信號生效，但接觸器 KM %d 沒有吸合！4 自動換刀控制程序數(shù)控機床要求能夠準確、快速地換刀。使用電動刀架來替代原來使用的手動刀架，不僅提高了換刀的速度和定位的準度，更可以達到在一次裝夾時完成多道工序的要求。也提高了物品加工時的效率和反復定位的準度，完成自動換刀和回轉(zhuǎn)。在此處選用四刀位電動刀架，因為他的結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，剛性好，體積小等多個優(yōu)點。另外，采用電動刀架,也可使機械結(jié)構(gòu)簡單,省去大量液壓管路。選用自動轉(zhuǎn)位電動刀架，刀架上同時安裝四把不同的車刀，可在一個工序

25、中依次用四把車刀自動完成幾個表面的加工。這對于加工形狀復雜、加工表面較多、相對位置精度要求較高的零件是特別適宜的。發(fā)出換刀指令自動換刀的控制流程如圖14。 T0D6T1D5D5 = D6 ?換刀完成 是 D5 D6 ? 否 是 否D5D64 D8D5D6 D8刀架正轉(zhuǎn)計數(shù)器計數(shù)換刀完成圖14自動換刀控制流程圖該控制的設計充分利用了PLC具有豐富的數(shù)據(jù)功能指令的優(yōu)點，用數(shù)據(jù)指令來進行判斷比較。假設T0是實際刀號,T1為待換刀號。數(shù)據(jù)寄存器D6存放實際刀號，D5存放待換刀號。D7存放待換刀號與實際刀號的差值。用比較指令CMP進行數(shù)據(jù)比較。比較結(jié)果使M17，M18，M19中的一個接通。當D5大于D6時，M17接通；D5等于D6時，M18接通；D5小于D6時，M19接通。在程序中首先對D5和D6中存放的值進行比較，判斷是否到位。當D5D6時，表示刀號相符；當D5D6時，將D5D6的值存放到D8中，當D5D6時，將D5D64的值存放到D8中。D8中存放的是旋轉(zhuǎn)刀位數(shù)，將它作為計數(shù)器的計數(shù)值，由計數(shù)器對轉(zhuǎn)過的刀位進行計數(shù)，當計數(shù)值到，表示換刀結(jié)束。5變頻器(1)主回路：由于變頻器可能產(chǎn)生高次諧波，而高次諧波會通過電源輸出回路流經(jīng)到電網(wǎng)來影響別的受電設備，