采用SIEMENS802D系统的CK5116数控立车主轴控制设计毕业论.doc

毕业设计（论文）作 者： 学 号： 系 部： 专 业： 题 目： 采用SIEMENS802D系统的CK5116 数控立车主轴控制设计 校内指导教师：企业指导教师评阅者： 年 月 毕业设计（论文）中文摘要 随着科学的发展，机床已经从过去的手动机床发展成自动机床，现在数控机床应用非常广泛。数控立式车床是主要的数控产品，国内外需求量也非常大。其高精度的关键部分就体现在主轴的控制设计上。本设计采用的是德国SIEMENS公司的802D数控系统的CK5116数控立式车床；并给出了该数控系统下的CK5116机床的主控制回路电气原理图以及主轴的相关参数。并深刻做出选用该型号机床、数控系统的要求。并与其他型号或系统的做简单的对比分析。本设计控制简单，实现功能强大，调速范围宽，力矩大，过载能力强。可以应用于精度较高的车削加工。关键词：数控立式车床 802D数控系统 主轴 控制设计 参数目录1 引言 12 CK5116数控立式车床简介 32.1 CK5116数控立式车床的相关结构及性能分析 32.2 CK5116数控立式车床技术要求及相关参数 53 CK5116数控立车的系统分析及选用 74 CK5116数控立式车床主轴控制设计174.1 主轴控制要求分析 174.2 主轴控制系统设计 224.2.1 主轴电机主回路设计234.2.2 电源设计 254.2.3 控制回路设计 264.3 主轴PLC控制 274.4 参数设置 32 结论 35致谢 36参考文献 371 引言现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛应用于相关的领域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如： 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： a） 加工精度高；b） 生产效率高； c） 减轻劳动强度，改善劳动条件；d） 良好的经济效益；e） 有利于生产管理的现代化。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。 中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。 中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之 间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。数控机床行业是具有高技术含量的行业。其特点是技术要求高、产品更新换代快、投资密度大、产品综合性强，各功能部件对整机的质量和性能至关重要。产品市场容量小，竞争对手强大。这对政府的支持协调和企业经营的有效灵活均提出很高要求。基本的政策方向是要把国家政策导向、行业结构的改善和灵活高效的企业机制三者更好地结合起来。但本次毕业设计，综合各类数控机床的优点，充分从性能的实用性和成本价格的考虑，采用了大连生产的，选用西门子802D数控系统的CK5116型号的数控立式车床，分析和对比介绍了其相关性能、参数。并对其主轴的控制，做了详细的设计和说明。342 CK5116数控立式车床简介CK5116数控单柱立车，工作台直径1400mm、加工最大工件重量5t、加工最大工件高度1000mm，适用于各行业的机械加工，可用于外圆柱面、圆维面、端面、切槽、切断等的粗、精车削加工。 工作台采用静压导轨，数控立车主轴径向采用高精度NN30型（D级）轴承，回转精度高承载能力大。 齿轮箱采用40Cr磨齿齿轮，精度高嗓音小。液压件、电器件全部采用国内著名厂家产品，可靠性高。 立车导轨滑动面采用贴塑处理，提高耐磨性。导轨润滑采用集中供油，十分方便。标准配备选用国内著名厂家光栅数显配置。 立式车床铸件采用优质消失模树脂沙铸造工艺，铸件品质高，经时效处理，经久耐用。2.1 CK5116数控立式车床的相关结构及性能分析 该型号机床工作台底座与床身，各自安装固定在永久地基上。横梁在立柱导轨上移动并自动液压夹紧，横梁上配置垂直立刀架。立刀架在横梁上实现水平进给和移动，滑枕在垂直刀架滑座上实现垂直进给和移动。机床主要零部件：床身、底座、工作台、横梁、立刀架滑座、电动刀台、变速箱体。主传动变速箱均为高强度铸铁和树脂砂工艺铸造，经完善的热处理工艺过程消除残余应力。各零部件结构尺寸合理，并布置足够的加强筋板，保证整机具有足够的强度、刚性和高稳定性。 工作台的回转由主电机、齿轮减速、变速系统驱动，实现四档无级调速。 立刀架安装在横梁上。滑枕材质为球墨铸铁，经完善的热处理 后精加工而成。机械性能尤佳。滑枕在运行时，有较大的接触刚度。为保证滑枕进给切削的稳定性，在刀架滑枕结构上设有平衡油缸装置，克服其重力。工作台采用长主轴结构，径向采用高精度双列圆柱滚子轴承定心。其内圈具有1：12锥度，可以调整径向间隙，确保工作台的回转精度。横梁在立柱导轨上作垂直升降运动。由一台交流电机驱动蜗杆蜗轮副减速箱及升降丝杠。横梁由一个楔铁夹紧，放松。夹紧由液压实现。机床采用集中定点对横梁等及各运动部位进行自动供油润滑。机床运动，移动部位有全方位的安全连锁、互锁。机床的工作条件：电源：AC380V10%，50HZ三相交流。使用机床厂房环境温度范围-540，相对湿度4075%，空气中粉尘浓度不得大于100mg/m3，不得含酸、盐和腐蚀气体。机床安装应远离震源、热源和避免日光直晒。其外观图如图 1：图 1 CK5116数控立车外观图 2.2 CK5116数控立式车床技术要求及相关参数CA5116数控立式车床，采用西门子数控系统控制，既可进行大扭矩切削,又可实现高速高精度切削。可用于外圆柱面、圆锥面、圆弧面、复杂曲面、端面、切槽等粗精加工。本产品具有精度高、刚度大、使用寿命长、抗震性好、可靠性高等特点。a） 几何精度要求：1) 工作台表面的平面度 0.06mm/1400;0.02/1000任意(只许凹) 2) 工作台面的端面跳动 0.02mm/1000mm 3) 工作台径向跳动 0.02mm/1000mm 4) 刀架水平移动对工作台面的平行度 0.02/1000mm 5) 刀架垂直移动对工作台面的垂直度 正面0.06/1000mm 侧面0.02/1000mmb） 工作精度:1) 工件表面粗糙度 平面、圆柱面Ra1.6; 圆弧面Ra3.22) 圆度： 0.02mm/500mm3) 圆柱度 0.02mm/500mm 4) 平面度 0.04mm/1000mm5) X、Z轴定位精度 0.012mm/300mm6) 重复定位精度 0.005mmc） 主要参数如表 1:表1 CK5116数控立车主要参数主要技术参数单位CK5116最大车削直径mm1600工作台直径mm1400最大工件高度Hm1最大工件重量Wt5垂直刀架最大车削力KN25工作台最大扭矩KN.m25工作台转速范围（2级）/无级r/min5-160刀架进级量范围mm/min0.8-86垂直刀架滑枕行程mm800刀架快速移动速度mm/min1800刀杆截面高度mm40主电动机功率KW30机床外行尺寸（长宽高）cm283287340机床重量（约）t13.83 CK5116数控立车的系统分析及选用数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control System），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。而常用的数控系统有发那科、西门子、广数、华中等数控系统。a） 发那科（FANUC）系统：FANUC系统是日本富士通公司的产品，通常其中文译名为发那科。FANUC系统进入中国市场有非常悠久的历史，有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有FANUC 0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在这些型号中，使用最为广泛的是FANUC0系列。 系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。FANUC系统设计了比较健全的自我保护电路。其操作面板及伺服模块如图2所示。 图 2 FANUC操作面板及伺服模块PMC信号和PMC功能指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。系统提供串行RS232C接口，以太网接口，能够完成PC和机床之间的数据传输。 FANUC系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本统一的操作界面。FANUC系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。 鉴于前述的特点，FANUC系统拥有广泛的客户。使用该系统的操作员队伍十分庞大，因此有必要了解该系统的一些软、硬件上的特点。 我们可以通过常见的FANUC 0系列了解整个FANUC系统的特点： 1) 刚性攻丝 主轴控制回路为位置闭环控制，主轴电机的旋转与攻丝轴（Z轴）进给完全同步，从而实现高速高精度攻丝。 2) 复合加工循环 复合加工循环可用简单指令生成一系列的切削路径。比如定义了工件的最终轮廓，可以自动生成多次粗车的刀具路径，简化了车床编程。 3) 圆柱插补 适用于切削圆柱上的槽，能够按照圆柱表面的展开图进行编程。 4) 直接尺寸编程 可直接指定诸如直线的倾角、倒角值、转角半径值等尺寸，这些尺寸在零件图上指定，这样能简化部件加工程序的编程。 5) 记忆型螺距误差补偿 可对丝杠螺距误差等机械系统中的误差进行补偿，补偿数据以参数的形式存储在CNC的存储器中。 6) CNC内装PMC编程功能 PMC对机床和外部设备进行程序控制 7) 随机存储模块 MTB（机床厂）可在CNC上直接改变PMC程序和宏执行器程序。由于使用的是闪存芯片，故无需专用的RAM写入器或PMC的调试RAM。b） 西门子数控系统：西门子（SINUMERIK）数控系统是德国西门子公司的产品。西门子凭借在数控系统及驱动产品方面的专业思考与深厚积累，不断制造出机床产品的典范之作，为自动化应用提供了日趋完美的技术支持。SINUMERIK 不仅意味着一系列数控产品，其力度在于生产一种适于各种控制领域不同控制需求的数控系统，其构成只需很少的部件。它具有高度的模块化、开放性以及规范化的结构，适于操作、编程和监控。主要包括：控制及显示单元、PLC输入/输出单元（PP）、PROFIBUS总线单元、伺服驱动单元、伺服电机等部分。 主要数控系统类型有： 1) SINUMERIK 802S/C系统 SINUMERIK 802S/C系统专门为低端数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。802S/C两个系统具有同样的显示器，操作面板，数控功能，PLC编程方法等，所不同的只是SINUMERIK 802S带有步进驱动系统，控制步进电机，可带3个步进驱动轴及一个10V模拟伺服主轴；SINUMERIK 802C带有伺服驱动系统，它采用传统的模拟伺服10V接口，最多可带3个伺服驱动轴及一个伺服主轴。 2) SINUMERIK 802D系统 该系统属于中低档系统，其特点是：全数字驱动，中文系统，结构简单（通过PROFIBUS连接系统面板、I/O模块和伺服驱动系统），调试方便。具有免维护性能的SINUMERIK 802D核心部件-控制面板单元（PCU）具有CNC、PLC、人机界面和通讯等功能，集成的PC硬件可使用户非常容易地将控制系统安装在机床上。 3) SINUMERIK 840D/810D/840Di系统 840D/810D是几乎同时推出的，具有非常高的系统一致性，显示/操作面板、机床操作面板、S7-300PLC、输入/输出模块、PLC编程语言、数控系统操作、工件程序编程、参数设定、诊断、伺服驱动等许多部件均相同。 SINUMERIK 810D是840D的CNC和驱动控制集成型，SINUMERIK 810D系统没有驱动接口，SINUMERIK 810D NC软件选件的基本包含了840D的全部功能。 采用PROFIBUS-DP现场总线结构西门子840Di系统，全PC集成的SINUMERIK 840Di数控系统提供了一个基于PC的控制概念。 4) SINUMERIK 840C系统 SINUMERIK 840C系统一直雄居世界数控系统水平之首，内装功能强大的PLC 135WB2，可以控制SIMODRE 611A/D模拟式或数字式交流驱动系统，适合于高复杂度的数控机床。 交流驱动系统 SIMODRE611A：模拟式伺服，配合1FT5系列进给驱动电机（600V）和1PH7主轴电机，可控制主轴，进给轴，及普通异步电机。 SIMODRE 611D：数字式伺服，配合1FT6/1FK6系列进给驱动电机和1PH7主轴电机，可控制主轴，进给轴等，只能配合810D、840D、840C数控系统。 SIMODRE 611U：通用型伺服，可接收模拟信号或数字信号（PROFIBUS），可以进行位置控制、速度控制及转矩控制。配合1FT6/1FK6和1PH7电机，是理想的驱动系统解决方案之一。 SIMODRE 611UE：通用E型伺服，通过PROFIBUS接连，其余同611U。c） 广州数控（GSK）系统：中国南方数控产业基地，广东省20家重点装备制造企业之一，中国国家863重点项目中档数控系统产业化支撑技术承担企业，拥有中国最大的数控机床连锁超市。公司秉承科技创新、追求卓越品质，以提高用户生产力为先导，以创新技术为动力，为用户提供GSK全系列机床控制系统、进给伺服驱动装置和伺服电机、大功率主轴伺服驱动装置和主轴伺服电机等数控系统的集成解决方案，积极推广机床数控化改造服务，开展数控机床贸易。GSK拥有国内最大的数控系统研发生产基地，中国一流的生产设备和工艺流程，科学规范的质量控制体系保证每套产品合格出厂。GSK产品批量配套全国五十多家知名机床生产企业，是中国主要机床厂家数控系统首选供应商。其操作面板图如图 3：图 3 广州数控操作面板简图 GSK980T车床数控系统（CNC），于1998年推出的普及型数控系统。作为经济型数控系统的升级换代产品，GSK980T采用高级处理器（CPU）和可编程门阵列（PLD）进行硬件插补，实现高速m级控制。 采用四层线路板，集成度高，整机工艺结构合理，可靠性高。液晶（LCD）中文显示、界面友好、操作方便。加减速可调，可配套步进驱动器或伺服驱动器。可变电子齿轮比，应用方便。 GSK928TC为经济型m级车床数控系统，采用大规模门阵列（CPLD）进行硬件插补，真正实现了高速m级控制。 使用图形液晶显示器（LCD），中文菜单及刀具轨迹图形显示，界面友好。加减速时间可调，可适配反应式步进系统、混合式步进。 系统或交流伺服系统构成不同档次的车床数控系统。 GSK980i车床数控系统（CNC）为新近推出的中高档数控系统，该系统率先采用以DSP运动控制芯片为核心、以嵌入式结构PC为平台（PC-BASED）的新一代数控系统。该系统采用DSP和主CPU并行处理机制，具有较高的动态跟踪精度和良好的加工性能，可作为经济型数控的升级换代产品。GSK980i系统具有以下特点： 1) 四个独立的伺服电机连接口可实现两轴联动和四轴的全闭环控制； 2) 独立主轴通道可连接模拟量主轴（0-10V）或伺服主轴； 3) 具有一个可带512点的串行I/0接口； 4) 完全的速度环控制系统，高速、高精度、高效率； 5) 中、英文界面可选； 6) 图形、坐标、代码实时跟踪； 7) 全功能代码编辑器，编辑大小不受限制； 8) 直观的MDI输入控制； 9) 方便直接的系统参数配置； 10) PLC梯形图输入（选配）； 11) 在线代码帮助体系故障诊断。d） 华中数控系统简介：华中数控系统有限公司成立与1995年，由华中理工大学，中国国家科技部，湖北省，武汉市科委，武汉市东胡高新技术开发区，香港大同工业设备有限公司等政府部门和企业共同投资组建。近几年来，公司都以300%的速度迅猛发展。 公司在“八五”期间，承担了多项国家数控攻关重点课题，取得了一大批重要成果。其中“华中I型数控系统”在中国率先通过技术鉴定，在同行业中处于领先地位，被专家评定为“重大成果”、“多项创新”、“国际先进”。该项目同时还获得了中国国家863的重点支持。1997年，华中I型数控系统被国家科技部列入1997年度中国国家新产品计划（742176163004）”和“九五国家科技成果重点推广计划指南项目（98020104A）”。其华中数控生产的数控系统核心部件图如图 4：图 4 华中数控生产的数控系统核心部件 华中I型（HNC-1）高性能数控系统主要特点： 1) 以通用工控机为核心的开放式体系结构： 系统采用基于通用32位工业控制机和DOS平台的开放式体系结构，可充分利用PC的软硬件资源，二次开发容易，易于系统维护和更新换代、可靠性好。 2) 独创的曲面直接插补算法和先进的数控软件技术： 处于国际领先水平的曲面直接插补技术将目前CNC上的简单直线，圆弧差补功能提高到曲面轮廓的直接控制，可实现高速、高效和高精度的复杂曲面加工。采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能，具有三维仿真校验和加工过程图形动态跟踪功能，图形显示形象直观。 3) 系统配套能力强： 公司具备了全套数控系统配套能力。系统可选配该公司生产的HSV-11D交流永磁同步伺服驱动与伺服电机、HC5801/5802系列步进电机驱动单元与电机、HG.BQ3-5B三相正弦波混合式驱动器与步进电机和国内外各类模拟式、数字式伺服驱动单元。 华中-2000型高性能数控系统： 是面向21世纪的新一代数控系统 华中-2000型数控系统 (HNC-2000) 是在国家八 五科技攻关重大科技成果-华中I型（HNC-1）高性能数控系统的基础上开发的高档数控系统。该系统采用通用工业PC机、TFT真彩色液晶显示器，具有多轴多通道控制能力和内装式PLC，可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可靠性好、性能价格比高、操作维护方便的优点，是适合中国国情的新一代高性能、高档数控系统。 HNC-1M铣床、加工中心数控系统： HNC-1M铣床、加工中心数控系统采用以工业PC机为硬件平台，DOS及其丰富的支持软件为软件平台的技术路线，使得系统具有可靠性好，性能价格比高，更新换代和维护方便，便于用户二次开发等优点。系统可与各种39轴联动的铣床、加工中心配套使用。系统除具有标准数控功能外，还内设二级电子齿轮、内装式可编程控制器、双向式螺距补偿、加工断点保护与恢复、故障诊断与显示功能。独创的三维曲面直接插补功能，极大简化零件程序信息和加工辅助工作。此外，系统使用汉字菜单和在线帮助，操作方便，具有三维仿真校验及加工过程动态跟踪能力，图形显示形象直观。 HNC-1T车床数控系统： 可与各种数控车床、车削加工中心配套使用。该系统以32位工业PC机为控制机，其处理能力、运算速度、控制精度、人机界面及图形功能等方面均较目前流行的车床数控系统有较大的提高。系统具有类似高级语言的宏程序功能，可以进行平面任意曲线的加工。系统操作方便，性能可靠，配置灵活，功能完善，具有良好的性能价格比。e） 系统选用：综合以上考虑，本机采用的是德国西门子802D数控系统。西门子802D系统是西门子公司在2002年针对中国大陆市场发行的一款全简体中文的数控系统,它以其友好的操作界面,强大的数控加工功能,在国内数控机床中占有了非常大的比重.西门子802D系统是西门子840D系统的简化版,拥有大部分840D的数控功能,窗口式操作界面,极大的方便操作人员的使用,并拥有非常强大的维护、诊断功能。西门子802D标准控制系统的特征是具有大量的控制功能，如钻削、车削、铣削、磨削以及特殊控制，这些功能在使用中不会有任何相互影响。全数字化的系统、革新的系统结构、更高的控制品质、更高的系统分辨率以及更短的采样时间，确保了一流的工件质量。 采用32位微处理器、实现CNC控制，用于完成CNC连续轨迹控制以及内部集成式PLC控制。 可实现钻、车、铣、磨、切害、冲、激光加工和搬运设备的控制，备有全数字化的SIMDRIVE611数字驱动模块：最多可以控制31个进给轴和主轴进给和快速进给的速度范围为100-9999mm/min。其插补功能有样条插补、三阶多项式插补、控制值互联和曲线表插补，这些功能。为加工各类曲线曲面零件提供了便利条件。此外还具备进给轴和主铀同步操作的功能。1) 西门子802D系统组成简图如图 5：图 5 西门子802D数控系统简要组成结构图2) 西门子802D系统总体连接图如图 6 ：802D系统的三大部件通过PROFIBUS总线连接的！图 6 西门子802D系统总体连接图3) 西门子数控系统3种产品的性价比较： 西门子数控SINUMERIK 802D：具有免维护性能的SINUMERIK802D，其核心部件PCU （面板控制单元）将CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体。可靠性高、易于安装。 SINUMERIK802D可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴。通过生产现场总线PROFIBUS将驱动器、输入输出模块连接起来。 模块化的驱动装置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。 通过视窗化的调试工具软件，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化。 SINUMERIK802D集成了内置PLC系统，对机床进行逻辑控制。采用标准的PLC的编程语言Micro/WIN进行控制逻辑设计。并且随机提供标准的PLC子程序库和实例程序，简化了制造厂设计过程，缩短了设计周期。 SINUMERIK 810D： 在数字化控制的领域中，SINUMERIK 810D第一次将CNC和驱动控制集成在一块板子上。快速的循环处理能力，使其在模块加工中独显威力。 SINUMERIK 810D NC软件选件的一系列突出优势可以帮助您在竞争中脱颖而出。例如提前预测功能，可以在集成控制系统上实现快速控制。另一个例子是坐标变换功能。固定点停止可以用来卡紧工件或定义简单参考点。模拟量控制控制模拟信号输出;刀具管理也是另一种功能强大的管理软件选件。 样条插补功能(A，B，C样条)用来产生平滑过渡；压缩功能用来压缩NC记录；多项式插补功能可以提高810D/810DE运行速度。 温度补偿功能保证您的数控系统在这种高技术、高速度运行状态下保持正常温度。此外，系统还为您提供钻、铣、车等加工循环。 西门子数控SINUMERIK 840D：SINUMERIK 840D数字NC系统用于各种复杂加工,它在复杂的系统平台上，通过系统设定而适于各种控制技术。840D与SINUMERIK_611数字驱动系统和SIMATIC7可编程控制器一起，构成全数字控制系统，它适于各种复杂加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。4 CK5116数控立式车床主轴控制设计 数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。 随着机电一体化技术的推广，其典型产品，是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，是数控机床完成切削任务的核心部件，其精度和承载能力直接影响到零件的精度和质量。而动力约占整台车床的动力的70%80%。动力的基本控制有主轴的正转、反转和停止，可自动换挡和无极调速。在目前数控车床中，主轴控制装置主要是采用交流变频器来控制交流主轴电动机来实现。为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须具有以下几个性能：a） 要有较宽调速范围，且速度稳定性能要高；在断续负载情况下，电机的转速波动范围要下；b） 电机加减速响应时间要短；c） 过载能力强；d） 使用噪声低、震动小、寿命长。本章便是根据传统数控车床主轴控制研究的基础上，对CK5116型数控立车主轴设计的进一步研究和分析。4.1 主轴控制要求分析a） 对主轴驱动的要求1) 主轴输出大功率 为了满足生产率的要求，通常主传动电机应有2.5250kw的功率范围，因此，对功率驱动电路提出了更高的要求。2) 调速范围要足够大一般要求如能在（1:100）(1:1000)范围内进行恒转矩调速，1：10范围内进行恒功率调速，并能实现四象驱动功能。3) 控制功能：主轴与进给驱动的同步控制；准停控制（便于自动换刀）；角度分度控制。b） 对进给驱动的要求1) 精度高 进给驱动系统的精度是指输出量能复现输入的精度程度。2) 稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。3) 快速响应 它反映了系统的跟踪精度。4) 调速范围宽5) 低速大转速c） 电气元件的选择1) 熔断器的选择熔断器是一种简单而有效的保护电器。在电路中主要起短路保护作用，选择熔断器时主要是选择熔断器的类型、额定电压、额定电流及熔体的额定电流。 选15A，选RT18-32 控制线路中PU12*3220V=0.7A，选择2A型号为RT18-32。2) 变频器的选择 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 根据生产机械的负载特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，决定选用那种控制方式的变频器，在变频器选型前应掌握传动系统的参数：电动机的极数；转矩特性、临界转矩、加速转矩；电磁兼容性。 由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。电机除了考虑常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还应考虑定子电阻、定子漏感抗、转子电阻、转子漏感抗、互感抗和空载电流。 3) 接触器 接触器是一种用来频繁地接通和分断带有负载的主电路的自动控制电器。接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。其中电磁机构由线圈、动铁心和静铁心组成；触点系统包括三对触点、辅助触点。 工作原理是当线圈通电后，铁心产生电磁吸力将衔铁吸合。衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触电系统随之复位。选择交流接触器时主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率等。 u=380V，II1=8A，选CJ1010 冷却电机、卡盘电机电路。4) 继电器 继电器是一种根据电量参数（电压、电流）或非电量参数（时间、温度、压力等）的变化自动接通或断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。继电器用途广泛，种类繁多。按反应的参数可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等；按动作原理可分为电磁式、电动式、电子式等。 U=220V，I2=2.9A，I3=0.33A，触点对数为4对。 型号选择JZ744，5A，220V，JZ844，5A，24V。5) 变压器 变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器。 变压器的功能主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）；自耦变压器；高压变压器（干式和油浸式）等。选择变压器的主要依据式变压器的额定值。 根据实际情况选择一次额定电压U1（380V、220V），在选择二次额定电压U2(二次额定值是指初级加额定电压时，二次的空载输出电压，二次带有额定负载时输出电压下降5%，因此选择输出额定电压时应略高于份额在额定电压)。 根据实际负载情况，确定各二次绕组额定电流I2。一般绕组的额定输出电流应大于或等于额定负载电流。二次额定容量由总容量确定。根据经验公式 P=KP 式中P-电磁元件的吸持功率和灯等负载消耗的功率，单位为 kW； K-变压器的容量储备系数，K=1.11.5。6) 空气开关 电源总空气开关D1-QF1主要给主轴电动机H1-M1提供电源, 而在控制变压器二次侧的NC、强电控制电路等在变压器一次侧产生的电流相对较小,因此电源总空气开关D1-QF1的额定电流的选择，主要考虑主轴电动机H1-M1的额定电流。P1=3Kw，P2=1.1Kw，P3=125w，U=380V I=P1U=7.9A，I2=2.9A，I3=0.33A，I总=I1+I2+I3=11.3A，所以选择16A，确定空气开关为DZ115401901，220V，16A，级数为一。7) 其他元气件的选择 直流稳压电源： 直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。 在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器及信号指示灯等提供直流电源。在数控机床中主要使用开关电源。 直流稳压电源的功率为100W。 按钮的选择： 根据需要的触电数目,动作要求,使用场合及颜色等进行按钮的选择。一般用红色表示停止，绿色表示启动。4.2 主轴控制系统分析主轴是车床最主要的部件之一，整个机器的性能很大程度上决定于主轴的性能，主轴直接承受切屑力，转速的范围很大。所以我们引入主轴控制系统,利用CNC控制器监控主轴的转动速度和方向来完成对工件的精确加工。主轴控制系统由五个部分组成：控制器CNC、变频器、编码器、主轴电机、主轴。主轴控制系统原理图如图 7所示。图 7 主轴控制系统原理图 主轴控制单元（或称主轴放大器）接受来自CNC的译码指令，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种实际工作状态报告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。主轴电机控制接口为主轴串行输出（与模拟输出相对，串行输出中输出到主轴的命令值为数字数据）。同时使用外接位置编码器与CNC相连，用于检测主轴的位置。使主轴能以指定的转速旋转，如，S500 M03。 本机床由CNC控制主轴电机的速度和极性。主轴有高低两挡齿轮，高速挡主轴与主轴电机之间齿轮传动比为1：1；低速挡主轴与主轴电机之间齿轮传动比为1：4.95。 换挡时序图如图 8所示：图 8 换挡时序图NCK档位1表示主轴的编程速度在第一档速度范围内，或编程了M41；NCK档位2表示主轴的编程速度在第二档速度范围内，或编程了M42。4.2.1主轴电机主回路设计a） 主轴电机需具备的性能：1) 电机功率要大，且在大的调速范围内速度稳定，恒功率调速范围宽；2) 在断续负载下电机转速波动要小；3) 加速、减速时间短；4) 温升低，噪声小，震动小，可靠性高，寿命长，易维护，重量轻；5) 电机过载能力强。b） 主轴变频器电气控制原理图，如图 9：图 9 主轴变频器控制电气控制原理图4.2.2电源设计 三相动力电源（380V)通过伺服变压器（380V电压转换成200V电压）输送到电源模块的控制电路输入端、电源模块的主电路的输入端以及作为主轴电动机的风机和急停输入电源。其电气原理设计如下图 10：图 10 电源电气原理图简单设计图4.2.3控制回路设计主轴润滑、主轴冷却控制回路分析，如图 11：图 11 主轴控制回路电气原理简图4.3 主轴PLC控制a） PLC常用地址定义及范围如表2：表 2 PLC常用地址定义操作地址符说明范围V数据V00000000.0到V99999999.7T计时器T0到T15,单位：100msC计数器C0到C31I数字输入I0.0到I7.7Q数字输出Q0.0到Q7.7M标志位M0.0到M127.7SM特殊标志位SM0.0到SM0.6AACCU（逻辑）AC0到AC1（Udword）AACCU(算术)AC2到AC3(Dword)b） 主轴控制地址说明如表3：表 3 主轴控制地址说明地址变量类型数据类型注解I0.0输入BOOL电源模块T64状态I0.1输入BOOL主轴使能I0.2输入BOOL单模态主轴选择I0.3输入BOOL主轴正转按钮I0.4输入BOOL主轴反转按钮I0.5输入BOOL主轴停止按钮I0.7输入BOOL系统急停I4.7输入BOOL冷却泵过载Q1.0输出BOOL主轴正转Q1.1输出BOOL主轴反转Q1.2输出BOOL主轴停止Q1.3输出BOOL主轴运行灯Q1.4输出BOOL报警：主轴运行未完成Q0.4输出BOOL主轴冷却泵M0.0中间继电器TEMP主轴运行状态M0.1中间继电器TEMP-M0.2中间继电器TEMP主轴正转指令M0.3中间继电器TEMP主轴反转指令c） 主轴控制PLC相关设计与分析：1) 主轴的控制包括正转、反转、停止、制动、使能等。控制要求如下：通过M03/M04/M05实现: M03：主轴正转 M04：主轴反转 M05：主轴停止通过MCP按钮实现:按正转按钮时电动机正转；按反转按钮时电动机反转；按停止按钮时电动机停止；电动机过载报警后正反转按钮无效。2) 在电气安全互锁设计方面，主轴正/反转在接触器和继电器分别进行了安全互锁；急停对主轴运转进行了安全互锁。3) 相关参数号说明，如表 4：表