西门子802S数控车床的主轴设计

1、西门子802S数控车床的主轴设计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802S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 802S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$制主轴的转速。关键词：数控车床主轴西门子802SDesigning Spindle Control Systemfor a Siemens 802S CNC LatheAbstractWhether or not the smooth running of the spindle directly affects the accur

2、acy ofCNC 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 802S CNCsystem, inverter and the spindle motor, where PLCcontrolling the direction, and CNC controlling the speed.Keywords: CNC

3、 Lathe ; Spindle ; Siemens 802S system前 言 2第一章数控系统的介绍 31.1数控系统发展简史 31.1.1数控NC阶段31.1.2计算机数控(CNC)阶段31.2数控技术未来发展方向 41.2.1向开放式、基于 PC的第六代方向发展 41.2.2向高速化和高精度化发展 41.2.3向智能化方向发展 4第二章西门子802S数控车床系统 62.1西门子802S的系统 62.2人机界面72.3步进进给系统82.4主轴驱动系统 82.5刀架控制系统 9第三章西门子802S数控车床主轴的设计 103.1设计方案103.2 变频器 MICROMASTER 42011

4、3.2.1变频器的选型 113.2.2变频器的接口 123.2.3变频器的主要参数设置 123.4控制电路的设计 123.5西门子802S的主轴参数调试 13第四章PLC程序设计 154.1 PLC控制流程图154.2 PLC 的 I/O 分配164.3 PLC的部分参数设定 18致谢 错误！未定义书签。参考文献 20附录1PLC程序 21附录2电气原理图 32、八刖 曰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

5、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802S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。802S数控车床主轴是用 PLC对变频器的控制来改变电机的速度，来带动主轴的运行。本说明书由4个章节构成。第一章介绍了数控系统的发展史、数控技术未来发展方向；第二章介绍了西门子 802S车床系统的组成，如人机界面和各驱动系统；第三章介绍了系统设计方案、控制电路的设计、主轴参数的调试等；第四章介绍了 PLC程序设计思路和控制流程、I/O 地址的分配、PLC的部分参数的设定。第25页第一章数控系统的介绍1.1数控系统发展简史1

6、.1.1数控NC阶段早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不打，不能适应机床实时 控制的要求。人们采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接 数控(HARD-WIRED NC )，简称为数控(NC)。这个阶段历经了三代发展：第一代NC是电子管NC。它是1948年美国怕森兹公司为研制新型直升机桨叶，在MIT的协助下，于1952年完成的。由电子管、继电器、模拟电路构成的三坐标连续轨迹控制的数控铳 床，用作数控机床的原型机或样品机。第二代NC是晶体管NC。1958年，晶体管取代了电子管，并广泛采用印制线路板。第三代NC是采用小规模集成电路的 NC。1965年

7、的三代一小规模集成电路。1.1.2计算机数控(CNC)阶段通用小型计算机已出现并成批生产，于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(NCN)阶段(把计算机前面应有的“通过”两个字省略了)。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件一运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上， 称之为微处理器(MICROPROCESSOR ),又可称为中央处理单元(简称CPU )。到1974年，微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能 力有富裕，不如采用微处理器经济合理，而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的处理器的 速度

8、和功能虽还不高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部 件，故仍称为计算机数控。到了 1990年，PC机(个人计算机，国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段，可以PC的阶段。满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于计算机数控阶段也经历了三代：即1970年的第四代一小型计算机；1974年的第五代一微处理器和1990年的第六代一基于 PC。1.2数控技术未来发展方向1.2.1向开放式、基于 PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统厂家会走上这条道路。至少采用 PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程

9、和联网通信等 问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC机所具有的友好的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯、远程诊断和维修将更加普遍。日本、欧盟和美国等针对开放式的CNC,正在进行前后台标准的研究。1.2.2向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和和高精度方向发展的需要。要求数控系统高速处理并计算出伺服电 机的移动量，并要求伺服电机能快速地做出反应。为使在极短的空程内达到高速度和在高行程 速度下保持高定位精度，必须具备高加、减速度和高精度的位置检测系统和伺服品质。通过减 少数控系统的误差和采用补偿技术来提高极度。1.2.3向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统

10、的智能化程度将不断提高。(1) 用自适应控制技术。数控系统能检测过程中的一些重要信息，并自动调整系统的有关 参数，达到改进系统运行状态的目的。(2) 引入专家系统指导加工。 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律与特殊规律存入 系统中，以工艺参数数据库伟支撑，建立具有人工智能的专家系统。当前，已开发出来模糊逻 辑控制和带自学习功能的人工神经网络电火花加工数控系统。(3) 引入故障诊断专家系统。当数控机床某部分出现故障时，故障诊断专家系统会进行判 断、反馈，产生报警，或显示故障代号、故障部位等信息。(4) 智能化数字伺服驱动装置。通过自动识别负载而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。第二章西

11、门子802S数控车床系统西门子802S数控车床系统由西门子 802S数控系统、步进进给系统、主轴驱动系统、刀架 等组成。2.1西门子802S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、数控铳床、加工中心、数控磨床等。该系统分为802S、802G 802D三种类型，其中 SINUMERl 802S采用步进电动机驱动系统，同时具备一个土 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，采用标准的土 10V模拟接口，可直接带动模拟驱动；SINUMERl 802 D采用数字进给驱 动电动机和数字主轴电动机，最多可控制4个数字进给轴和

12、一个主轴。SIEMENS 802S配OP020独立操作面板与 MCFM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2-1。ECUDC24V=：-：ZDPIWi3SPIKDLEEV：i5ERX w*lfHLCL25Emo=XSDO2-3ABC1-6FxeC02-AA01-RS2326=XflC32-2CD01-,5口 LX引LX帽L：国泠3&心，4辞弗业精 STEPDkdTE C卜由电机 旧帽器PrfFG6FX6CDZ

13、 曙日。1-.他于手轮按 mi： )DUO 19N. 0.*H B_=15OU1F XOUT 81*#-孕wire :J id 1 ：|fl Ke |D.1J. 1.51iu.iGUVDGF,源图2-1系统结构图2.2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 2-2。LCD显示NC键盘MCP区域图2-2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，数控启动与数控停止，系统 复位均采用按键形式进行操作。2.3步进进给系统步进进给系统采用的是（STEPDRIVE

14、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。2.4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-

15、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、PROFIBUSDP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SIEMENS 802D/810D/840D 系统相连接，组成数控机床的伺服驱动系 统。2.5刀架

16、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2-3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2-3四工位转位刀架第三章 西门子802S数控车床主轴的设计3.1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

17、；变频器 3 4端24V电源给定。见图3-1。（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 变频器 MICROMASTER 420本系统采用西门子 MICROMASTER42

18、0变频器。该变频器的主要功能如下：(1) 磁通电流控制(FCC),改善了动态响应和电动机的控制特性(2) 快速电流限制(FCL)功能，实现正常状态下的无跳闸运行(3) 内置的直流注入制动(4) 复合制动功能改善了制动特性(5) 加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能(6) 具有比例，积分(PI)控制功能的闭环控制(7) 多点V/f特性另外，还具有过电压/欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护、I2t电动机过热保护、PTC电动机保护等。3.2.1变频器的选型根据设计要求，变频器选用参数如下：电源电压380V 土 10%功率11KW输入频率50HZ过载能力在额定电流基础上过载 50%合

19、闸冲击电流小于额定电流串行接口RS232制动直流注入制动，复合制动保护等级IP20温度范围-10Co到+50Co相对湿度<95%保护的特征欠电压，过电压，过负载，接地，短路，电机失步，电机锁定保护3.2.2变频器的接口MICROMASTER420变频器，采用 RS232接口。插座类型为 9芯D型插座，各引脚分配请见表3-1.表3-1引脚分配引脚信号类型引脚信号类型16DSRI2RxDI7RTSO613TxDO8CTSI9101l54DTRO95MVO3.2.3变频器的主要参数设置变频器的设置的参数如下：P0010=0; P3900=1;P0304=380; P0305=36; P0307

20、=7.5P0310=50; P0311=2900; P0700=2 ;P1000=2;P1120=5; P1121=53.4控制电路的设计802S数控车床的主轴控制主要包括NCK DI/O、MICROMASTER42皈馈装置和电机。主轴控制的简单说明：NCK的信号通过电流传送到变频器，然后变频器通过电流的高低来改变电机的转速，从而来控制主轴的速度；输入、输出口通过PLC的程序来控制中间继电器（KA1、KA2）的常开与常闭，从而来控制主轴的正、 反转；变频器MICROMASTER420过ALO和AL1来反馈给 CNC统。变频器控制电路见图 3-3。图3-3变频器控制电路3.5西门子802S的主轴

21、参数调试主轴分为开关量主轴和模拟量主轴。本系统采用模拟量主轴加变频器方案。有关机床参数如下。轴参数号参数名单位轴输入值参数定义30130CTLOUT-YYPE主轴0无模拟量输出30130CTLOUT-YYPE主轴1有正负10vdc模拟量输出30134IS-UNIPOLAR-OUTPUT主轴0双极性主轴输出，Q0.0和Q0.1可以由PLC使用30134IS-UNIPOLAR-OUTPUT主轴1°单极性主轴输出，Q0.0和Q0.1/、可以由PLC使用；30134IS-UNIPOLAR-OUTPUT主轴2单极性主轴输出，Q0.0和Q0.1/、可以由PLC使用；30200NUM-ENCS主轴

22、0主轴无编码器反馈ENC-RESOLIPR主轴1024编码器每转脉冲数32260RATED-VELORPM主轴3000主轴额定转速36200AX-VELO-LIMIT0RMP主轴3300最大主轴监控速度.536300MA-ENC-FREQ-LIMITHz主轴55000主轴监控频率35010GEAR-STEP-CHANGE-ENABLE主轴1模拟主轴换档使能35110GEAR-STEP-MAX-VELO0 , 1 .5RPM主轴转速i主轴换档最大速度GEAR-STEP-MAX-VELOIMIT0 ,1 .5RPM主轴转速i主轴换档最大速度AX-VELO-LIMIT0, 1.5RPM主轴转速i各档

23、最大主轴监控速度DRIVE-AX-PATIO-DENUM0 ,1 .5主轴转速i主轴各档变化（电机端）DRIVE-AX-RATIO-NUMERA0 ,1 .5主轴转速i主轴各档变化（主轴端）MD30134=1 时； Q0.0=伺服使能；Q0.1 =负方向运行；MD30134=2时；Q0.0=伺服使能正方向运行;Q0.1 =伺服使能负方向运行;4.1 PLC控制流程图第四章PLC程序设计图4-1 PLC流程图4.2 PLC的I/O分配本系统用的是西门子S200 PLC , I/O分配表见表4-1。表4-1 PLC I/O分配表信号说明输入信号接口 ： X2003I0.0刀架位置码:T1I0.1刀

24、架位置码:T2I0.2刀架位置码:T3I0.3刀架位置码:T4I0.4I0.5I0.6冷却,润滑热继保护（主轴控制需要的）I0.7变频器报警（主轴控制需要的）接口 ： X2004I1.0X+限位I1.1Z+限位I1.2X-限位I1.3Z-限位I1.4X参考点减速开关I1.5Z参考点减速开关I1.6驱动就绪I1.7急停（主轴控制需要的）接口 : X2005Q0.0主轴正转（主轴控制需要的）Q0.1主轴反转（主轴控制需要的）Q1.2冷却控制（主轴控制需要的）Q1.3刀架正转Q1.4刀架反转Q1.5导轨润滑Q1.6报警输出（主轴控制需要的）Q1.7冷却，润滑报警主轴控制PLC子程序的有关变量定义，见

25、表 4-2。表4-2主轴控制PLC子程序的有关变量定义AddressNameVar TypeData DypeENINBOOLLW0NODEFINWORDL2.0T-64INBOOLL2.1T-63INBOOLL2.2SPADINBOOLL2.3OPTMINBOOLL2.4OverallINBOOLL2.5-1LMTpINBOOLL2.6-1LMTnINBOOLL2.7-1REFINBOOLL3.0-2LMTpINBOOLL3.1-2LMTnINBOOLL3.2-2REFINBOOLL3.3-3LMTpINBOOLL3.4-3LMTnINBOOLL3.5-3REFINBOOLININ-OUTL

26、3.6-BRKOUTBOOLL3.7MSG1OUTBOOLL4.0MSG2OUTBOOLOUTL4.1X1HWLTEMPL4.2X2HWLTEMPL4.3X3HWLTEMPL4.4R-HWLTEMP4.3 PLC的部分参数设定表4-3 Bit6/Bit7定义主轴倍率转换速度Bit6Bit7主轴倍率转换速度00标准速度：50%, 55%, 60% , 65%, 70% , 75%, 80% , 85% , 90%, 95%, 100% , 105%,110%, 115%, 120。01两倍标准速度：50%, 60%, 70%, 85%, 100% , 110%, 120%。11约三倍标准速度：5

27、0%, 60%, 70%, 85%, 100% , 120%。11约四倍标准速度：50%, 60%, 80%, 100%, 120%。MD14512 16Bit 0=0PLC正常运行（缺省设定）Bit 0=1调试方式。PLC不检测馈入模块的就绪信号Bit 1=0无主轴命令且主轴已停止，停止后按主轴停止键取消主轴使能（缺省设定）Bit 1=1无主轴命令，且主轴停止后主轴使能自动取消Bit 2=0带有+/-10V给定的模拟上轴（缺省设定）Bit 2=1带有010V给定的模拟上轴Bit 3=0MCP上无主轴倍率开关（缺省设定）Bit 3=1MCP有主轴倍率开关Bit 6/5/4=0SINUMERIK

28、 802S 旋转监控无效（缺省设定）Bit 6/5/4=1SINUMERIK 802S 旋转监控生效MD14512 17Bit 2/1/0=0返回参考点时进给倍率有效（缺省设定）Bit 2/1/0=1返回参考点时进给倍率无效Bit 6/5/4=0Z/Y/X轴电机无抱闸（缺省设定）Bit 6/5/4=1Z/Y/X轴电机无抱闸（只允许一个电机带抱闸）MD1451218Bit 1=0子程序40的输入#OPTM无效（缺省设定）Bit 1=1子程序40的输入#OPTM有效。#OPTM=1指电机抱闸释放Bit 2=0开机无润滑（缺省设定）Bit 2=1上机自动润滑一次Bit 6/5/4=0Z/Y/X每轴具

29、有两个硬限位开关（缺省设定）（当Bit7=0时）Bit 6/5/4=1Z/Y/X每轴具有一个硬限位开关（当 Bit7=0时）Bit 1=0硬限位采用PLC方案（缺省设定）（Bit 6/5/4有效）Bit 1=0硬件方案（超程链）参考文献1 李善术主编.数控机床及其应用.北京：机械工业出版社，2001.52 牛志斌主编.图解数控机床一一西门子典型系统维修技巧.北京：机械工业出版社，2004.63 龚仲华.数控机床故障诊断与维修500例.北京机械工业出版社，2004.64 西门子802S简明安装调试手册.机床生产厂商文献5 李一民、扬仙主编.数控M,南京：东南大学出版社，20076 严爱珍主编.机

30、床数控原理与系统M,北京：机械工业出版社，19997 西门子802S简明调试手册网站搜索8 西门子420变频器使用说明书网站搜索9 西门子S200 PLC编程手册网站搜索附录1 PLC程序网络1 X和Y坐标轴启用V38000002.1)L2 0300,6 |V38000CD43Jr)V3802D002.1T s)V3a0200D43R R )V380000Q4.3Y s )V380100M3( R )38C3Du92JS )V380100D2.1)V38010QD4.3S )V380200D4.3)3800D0021R )V38010002.1R )V38020002.1R )V390300D

31、4.7 V 39030004.6V390300D1.4V10000001.5<33030002 1网络2如果使用单一的限制开关，记录轴移动的方向。V45(K)10ia5L3.0 JT1 T1V45001018.7I V3939010004.7V14000063 1S )C39010004.6V1400D063.1R )V45001018.6L3.3_TV450010187 | V3jV39020004.7V140000632S )39020004.6V14000063.2R )网络3 评价硬件限制在规定的MD_HEX_18.7 = 1L4.2)网络4发送切换投入有限的 X +和X -到N

32、CK，第一轴接口为了出口限制开关，NCK第27页要求轴移动方向的信号 PLC的前有限开关reached.If只有一个控制继电器有两个摄像机,在积极的方向发展有限的开关信号的轴是必要的V45C0101S7V45001013.4第29页网络5发送切换投入有限的 Y +和Y -以NCK，第二轴接口为了出口限制开关，NCK要求轴移动方向的信号PLC的前有限开关reached.If只有一个控制继电器有两个摄像机，在积极的方向发展有限的开关信号的轴是必要的。VW45Q00032 V45001018 7 V45OO1O10.5 L3 0V38011000 1745001018.7V45001C185 L31

33、V38011000.0TIT HIf Ipc s)V45001018.7 ¥45001。佰 5L3 0V14000063 1VSS011000.1T，II_II-I-II_IPV450010187L42顷III求轴移动方向的信号 PLC的前有限开关reached.If只有一个控制继电器有两个摄像机，在 积极的方向发展有限的开关信号的轴是必要的。NO释放，没有信号的正常和网络7复位从硬件限制覆盖复位在下列条件下：急诊链:黄单人或双人交换机硬件限位开关逻辑没有和黄信号V30000D007460010167L2.4745001018.7L4.4)L44V45001018.4L2.5V36001000.1V38D01COD.1R )V3S001000.038001000.0R )V45001