基于西门子SINUMERIK802S的CA6140车床数控化改造

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。关键词：数控机床，数控化改造，步进电机，经济型数控系统ABSTRACTNC machine tools is the integrated products of typical electromechanies collecting mechanical manufacturing technology and computer，hydraulic pressure，measure sensing，information processing ， optical-mechanical-electrical integration，etc .technologies in an organic whole . It has well solved the processing problems of complex shape and structure，high Precision，small batch and changeable parts，and can stabilize the processing quality of the products，reduce workers labor intensity，improve production efficiency by a large margin. The engineering level of NC machine tools and owning amount have already become one of the important signs of weighing a national industry，modernized level . About 4 million of total amount of the machine tools at present of our country，of which a total of NC machine tools are only 200，000 sets. Our enlistment age 10 years over the machine total of 60%，and the enlistment age to10years of machine tools，automatic / semi-automatic machine tools less than 20%. Such equipments are used for processing the products prevalence of poor quality，lack of variety and high cost，availability such along period，therefore is uncompetitive on world and domestic markets . For enterprises，relying solely on the purchase of new NC machine tools，a large initial investment required，resulting in many enterprises，especially small and medium-sized private enterprises felt helpless . If carrying on the NC transformation to the old machine tools，it is with little investment，with instant effete is an effective way of improving numerical control rate of our country in a short time .Key word: NC machine tools，NC transformation，stepper motor，economical NC System，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 .32 车床机械部分改造方案 .42.1 主传动系统的改造 .52.1.1 主轴无级变速的实现 .52.1.2 主轴脉冲编码器的安装 .52.2 纵横向进给传动系统的改造 .72.2.1 纵向进给传动系统的改造 .72.2.2 横向进给系统的改造 .82.2.3 齿轮传动间隙的消除 .82.3 刀架部分的改造 .92.4 导轨的改造 .103 电气控制系统整体方案设计 .123.1 数控系统的类型及品牌选择 .123.1.1 数控系统的类型 .123.1.2 数控系统的品牌选择 .123.2 SINUMERIK 802S base 1ine 数控系统特点 .133.3 电柜设计及电源选用 .144 数控系统各部分单元具体设计 .174.1 数控系统各部分的连接及接口设计 .174.1.1 系统的接线 .174.1.2 接口布置 .184.1.3 PLC 输入输出接口定义 .194.1.4 接口连接 .204.2 步进电机的连接 .234.3 回参考点配置 .244.4 驱动电流设定 .254.5 主轴变频器的选用 .264.6 主控电路的设计 .28结 论 .31参考文献 .33致 谢 .351 引 言1.1 机床数控改造研究背景数控技术，简称数控(Numerical ControlNC)，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控。采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，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。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛。随着计算机技术的发展，数控机床不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，它的性能日趋完善，应用领域日益扩大。同时，为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高要求，当前，世界数控技术及其装备正朝着下述几个方向发展： 高速、高效、高精度、高可靠性； 模块化、智能化、柔性化和集成化； 开放式体系结构； 出现新一代数控加工工艺与装备。我国从 1958 年开始研制数控机床，几十年来，经历了发展、停滞、引进技术、自行开发等几个阶段。1965 年，国内开始研制晶体管数控系统，20 世纪 60 年中期至 70 年代初，先后研制成功了 CJK-18 型晶体管数控系统、X53-IG 立式控铣床及 YK53 数控非圆齿轮插齿机。从 70 年代开始，数控技术在车床、铣床、铿床、磨床、齿轮加工机床、电加工机床等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性、稳定性未得到解决，因此未能广泛推广。80 年代，我国从日本引进了 5、7、3 等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机技术，以及从美国、德国等国引进了一些新技术。推动了我国数控机床稳定的发展，使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。改革开放以来，我国数控系统的开发与生产发展迅速，取得了更为喜人的成果。通过“七五”引进、消化、吸收，“八五”攻关和“九五”产业化，数控技术取得了长足进步。在与数控主机匹配方面可以说已基本上改变了“拖后腿”的局面，性能和质量显著提高，功能价格比有优势。我国具有自主版权的数控系统产业开始形成，在市场上具有一定竞争力，逐步提高了市场占有率。目前我国可供市场的数控机床有 2000 多种，覆盖了超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压机床、前沿高技术机床等领域，可与日本、德国、意大利、美国并驾齐驱。数控系统经过多年的市场激烈竞争，已经形成由日本的发那科公司占市场 50%、德国西门子公司占市场 25%的垄断局面。我国从 20 世纪 90 年代末开始掌握基于通用 32 位工业控制机开放式体系结构的数控系统，特别是能够控制五轴联动并具备网络化远程监测、诊断、操作功能的数控系统。并开发出弧齿锥齿轮数控加工、三维激光视觉检测、螺旋浆七轴五联动加工和世界独创的空间曲面插补软件。目前批量投入市场的国产数控系统，具有性能价格比的优势，正在改变国外强手在中国市场上的垄断局面。1.2 机床数控化改造的意义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，即我国机床数控化率仅为 5%左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达到 20%以上。我国机床役龄 10年以上的占 60%以上；役龄 10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20%，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占 60%以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等现象，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而且替换下来的旧机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造之路。从美国、日本等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如日本的大企业中有 26%的机床经过数控改造，中小型企业则是 74%，在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提供机床数控化改造服务。因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小型企业更是如此。利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台新高效、多功能数控机床，其投资少，见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。2000 年我国机床总产量约 17.5 万台，其中数控机床产量是 14053 台，产量数控化率为 8%。而像美国、日本等工业发达的国家机床产量数控化率已超过了 50%。我国数控机床占机床生产总值的比例远远低于美国、日本等发达国家。由此可见，我国目前仍然以生产普通机床为主，因此机床设备的数控化改造将会长期存在据中国机电装备维修与改造技术协会有关统计数据表明，我国每年大约有 10 万台普通机床需要改造，维修改造的市场前景十分广阔。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;6、在机械改造方面，对数控转位刀架的安装和选用作了介绍。并对纵横向伺服进给机构，特别是滚珠丝杠作了详细设计研究;7、为使数控系统中的设置参数与改造后车床实际情况相匹配，本文对 PLC 及机床参数设置作了研究;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: 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； 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； 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。2.1.2 主轴脉冲编码器的安装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主轴编码器选用长春第一光学有限公司的 ZXB 注型编码器。该编码器结构坚固，可靠性高，寿命长，耐环境性强。主轴编码器与轴的连接可采用刚性连接和柔性连接。刚性连接是指常用的轴套连接。此方式对连接件制造精度及安装精度有较高的要求，否则，同轴度误差的影响，会引起主轴编码器发生偏扭而造成信号不准，严重时损坏光栅盘。柔性连接，是较为适用的连接，是采用弹性元件的连接。弹性联轴器选用日本东方电机的 MC 型联轴器，该联轴器有固定螺钉型和夹钳型两种。固定螺钉型是将螺钉押入轴内进行安装的连接方式。因螺钉前端直接碰触轴面，有可能引起轴受损，因此我们选用夹钳型弹性联轴器。夹钳型是利用螺丝的锁紧力，收缩孔径，锁紧轴部。因此能在不损伤轴的情况下，进行轻松的安装与拆卸工作。选用的型号为 MC200608-C，尺寸图如图 2-3 所示，。锁紧时使用扭力扳手，紧固转矩为 1Nm(1Okgfcm)。图 2-3 联轴器尺寸图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。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。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。24 导轨的改造由于导轨表面有明显的划痕，摩擦系数变大，会产生进给运动的失动。为了恢复导轨的精度，增加耐磨性，提高机床的稳定性，提高机床的防爬行和吸振性能，对机床导轨选用填充聚四氟乙烯软带来改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青铜粉、二硫化硅、玻璃纤维粉、二硫化铝、石墨、聚苯等填充剂，使聚四氟乙烯的胜能改善如下:(1)耐负荷变形可提高 5 倍；(2)刚性提高 4-5 倍；(3)洲热膨胀系数减小 1/3-1/2;(4)导热率提高 2 倍;(5)硬度提高 10%:(6)抗压强度增加 2-3 倍。在利用填充聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，主要是对粘接工艺的控制。具体工艺为:1. 对原导轨进行刮研，保证粘接前导轨的表而粗糙度为 1.6-6.3um，平面度达到0.01/l000 精度；2. 选用厚度为 1.smm 的软带；3. 用钠基溶液处理聚四氟乙烯软带表面；4. 粘接前需对金属导轨粘接面除锈去油，可先用砂布、砂纸或钢丝刷清除锈斑杂质，然后再用丙酮擦洗干净、晾干；5. 专用胶须随配随用，按 A 组份/B 组份=1/1 的重量比称量混合，搅拌均匀后即可涂胶。可用“带齿刮板”或 lmm 厚的胶木片进行涂胶。专用胶可纵向涂布于金属导轨上，横向涂布于软带上，涂布应均匀，胶层不宜过薄或太厚，胶层厚度控制在 0.08-0.12mm 之间。软带刚粘贴在金属导轨上时需前后左右蠕动一下，使其全面接触，要用手或器具从软带长度中心向两边挤压，以赶走气泡。用重物加压或扣压于床身导轨上，加压均匀，压强通常为 0.05-O.1MPa。加压前在软带面上覆盖一层油纸或在加压面上涂一薄层润滑脂或机油，防止胶粘剂粘接加压物。软带粘接后约 24 小时固化(环境温度巧以上)，可清除余胶，切去软带工艺余量，并倒角;对软带进行开油槽和刮研，油槽深度可为软带厚度的 1/2-2/3，油槽离开软带边缘至少 6mm 以上，刮研要求达到与导轨面接触面积为:全长不少于 75%，全宽上不少于 50%。在经过刮研后，导轨与床鞍配合精度达到要求，并根据 JB/T8324.1-96-简式数控卧式车床精度检验标准中 GZ 项检验，达到了在水平面内溜板移动的直线度 0.02 的标准。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。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统，避免系统功能过剩，同时考虑到原车床的精度和改造的成本、周期、难易程度等各方面因素，决定采用以步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。国产的经济型数控系统生产厂家较多，价格上虽有优势，但性能和稳定性稍差，所以决定采用国外的经济型数控系统。我校现有的 8 台数控车床都是采用的西门子数控系统，目前，各个数控系统生产厂家的数控指令格式差异较大，为了使改造后的车床能真正发挥其用处，最后决定采用西门子经济型数控系统，最终确定数控系统品牌为 SINUMERIK 802S base line。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 控制变压器步进驱动 85VAC 必须采用独立的隔离变压器(驱动变压器 38OM 气 C 分 85VAC，JBK3 系列)，如图 3-2 所示。两个变压器的初级不可以接入到 380VAC 的同一相。图 3-3 驱动变压器(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Q1.4 主轴制动X201Q1.5- 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