基與西門子802C的數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 說明書

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基于西門子802C的數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的介紹

2.1西門子802C數(shù)控系統(tǒng)概述

SINUMERIK802Cbaseline是在SINUMERIK802C基礎(chǔ)上新開發(fā)的全功能說控系統(tǒng)，它可以控制2到3個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)給軸和一個(gè)伺服主軸或變頻主軸，連接SIMODRIVE611U或SIMODRIVEbaseline.當(dāng)系統(tǒng)匹配SIMODRIVE611U或SIMODRIVEbaseline時(shí)連接1FK7系統(tǒng)伺服電機(jī)。它主要由：CNC控制器、驅(qū)動器和電機(jī)、電纜這三大部分組成。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，高度集成于一體的數(shù)控單元，操作面板，機(jī)床操作面板和輸入輸出單元機(jī)床調(diào)試配置數(shù)據(jù)少，系統(tǒng)與機(jī)床匹配更快速、更簡單簡單而友好的編程界面，保證了生產(chǎn)的快速進(jìn)行，優(yōu)化了機(jī)床的使用西門子802Cbaseline集成了所有的CNC、PLC、HMI、I／O于一身可獨(dú)立于其他部件進(jìn)行安裝等優(yōu)點(diǎn)。正如下圖2–1所示，西門子802C數(shù)控系統(tǒng)在西門子公司數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品中擁有高性能、低價(jià)位的特性，一直以來備受人們的青睞。

圖2–1西門子公司數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

2.2西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的操作面板

2.2.1面板的劃分

西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的操作面板可以劃分為三大區(qū)：LCD顯示區(qū)、NC鍵盤區(qū)和機(jī)

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床控制區(qū)域，如圖2-2所示。

圖2-2面板劃分

面板定義

LCD顯示區(qū)：8″液晶黑白顯示，640x320象素點(diǎn)，VGA顯示，CCFL背光。NC鍵盤區(qū)：34個(gè)數(shù)字字符鍵，5個(gè)軟鍵，7個(gè)功能鍵和4個(gè)特別鍵。MCP機(jī)床控制區(qū)域：27個(gè)功能鍵，12個(gè)用戶定義鍵鍵，16個(gè)LED顯示。2.2.2NC鍵盤區(qū)

圖2-3NC鍵盤

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各功能鍵說明：

1）加工顯示鍵：按此鍵后，屏幕馬上回到加工顯示的畫面，在此可以看到當(dāng)前各軸的工作狀態(tài)。

2）返回鍵：返回到上一級菜單。

3）軟鍵：在不同的屏幕狀態(tài)下，操作對應(yīng)的軟鍵，可以執(zhí)行相應(yīng)的操作。4）刪除/退格鍵：在程序編輯畫面時(shí)，按此鍵刪除（退格）清除前一字符。5）報(bào)警應(yīng)答鍵：報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，按此鍵可以消除報(bào)警（取決于報(bào)警級別）。6）光標(biāo)向上鍵/向上翻頁（上檔）鍵。7）菜單擴(kuò)展鍵：進(jìn)入同一級的其他菜單畫面。8）區(qū)域轉(zhuǎn)換鍵：按此鍵后馬上回到主界面。

9）垂直菜單鍵：在某些特別畫面，按此鍵可垂直顯示選項(xiàng)。10）光標(biāo)向右鍵。

11）光標(biāo)向下鍵/向下翻頁（上檔）鍵。

12）回車/輸入鍵：按此鍵確認(rèn)所輸入的參數(shù)或換行。

13）選擇/切換鍵：在設(shè)定參數(shù)時(shí)，按此鍵可以選擇或轉(zhuǎn)換參數(shù)。14）空格鍵：在編輯程序時(shí)，按此鍵插入空格。15）光標(biāo)向左鍵。

16）字符鍵：用于字符輸入，上檔鍵可轉(zhuǎn)換對應(yīng)字符。

17）上檔鍵：按數(shù)字鍵或字符鍵時(shí)，同時(shí)按此鍵可使數(shù)字/字符的左上角字符生效。18）數(shù)字鍵：用于數(shù)字輸入。

2.2.3MCP機(jī)床控制面板區(qū)域各按鍵功能說明：基本功能區(qū)：

1）POK（綠燈）：電源上電，燈亮表示電源正常供電。

2）ERR（紅燈）：系統(tǒng)故障，此燈亮表示CNC出現(xiàn)故障。

3）DIA（黃燈）：診斷。該燈顯示不同的診斷狀態(tài)，正常狀態(tài)時(shí)閃爍頻率為1：14）急停開關(guān)

5）K1~K12用戶自定義鍵（帶LED）：用戶可

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以編寫PLC程序進(jìn)行鍵的定義。運(yùn)行方式鍵：

6）增量選擇鍵：在JOG方式（手動運(yùn)行方式）下，按此鍵可以進(jìn)行增量方式的選擇，范圍為：×1，×10，×100，×1000。7）點(diǎn)動方式鍵：按此鍵切換到手動方式。8）回參考點(diǎn)鍵：在此方式下運(yùn)行回參考點(diǎn)。

9）自動方式鍵：按此鍵切換到自動加工方式，依照加工程序自動運(yùn)行。10）單段運(yùn)行鍵：按此鍵設(shè)定單段方式，程序按單段運(yùn)行。11）手動數(shù)據(jù)鍵：在此方式下手動編寫程序，然后自動執(zhí)行。主軸鍵：

12）主軸正轉(zhuǎn)鍵：按此鍵，主軸正方向旋轉(zhuǎn)。13）主軸中止鍵：按此鍵，主軸中止轉(zhuǎn)動。14）主軸反轉(zhuǎn)鍵：按此鍵，主軸反方向旋轉(zhuǎn)。倍率鍵：

15）進(jìn)給軸倍率增加鍵（帶LED）：按動此鍵，進(jìn)給軸倍率增大。當(dāng)進(jìn)給軸倍率大于100%時(shí)LED亮，達(dá)到120%時(shí)（最大）LED閃爍。

16）主軸倍率增加鍵（帶LED）：按動此鍵，主軸倍率增大。當(dāng)主軸倍率大于100%時(shí)LED亮，達(dá)到120%時(shí)（最大）LED閃爍。

17）進(jìn)給軸倍率100%鍵：按此鍵大于系統(tǒng)所設(shè)定的時(shí)間值（缺省值為1.5秒）時(shí)，進(jìn)給軸倍率直接變?yōu)?00%。

18）主軸倍率100%鍵：按此鍵大于系統(tǒng)所設(shè)定的時(shí)間值（缺省值為1.5秒）時(shí)，主軸倍率直接變?yōu)?00%。

19）進(jìn)給軸倍率減少鍵（帶LED）：按動此鍵，進(jìn)給軸倍率減少。按此鍵大于系統(tǒng)所設(shè)定的時(shí)間值（缺省值為1.5秒）時(shí)，進(jìn)給軸倍率直接變?yōu)?%。進(jìn)給軸倍率在0%-100%時(shí)LED燈亮，降為0%時(shí)（最?。㎜ED閃爍。

20）主軸倍率減少鍵（帶LED）：按動此鍵，主軸倍率減少。按此鍵大于系統(tǒng)所設(shè)定的時(shí)間值（缺省值為1.5秒）時(shí)，進(jìn)給軸倍率直接變?yōu)?0%。進(jìn)給軸倍率在50%-100%時(shí)LED燈亮，降為50%時(shí)（最?。㎜ED閃爍。點(diǎn)動鍵：

21）X軸正向點(diǎn)動鍵：在手動方式下按動此鍵，X軸向正方向點(diǎn)動。22）Z軸正向點(diǎn)動鍵：在手動方式下按動此鍵，Z軸向正方向點(diǎn)動。

23）快速運(yùn)行疊加鍵：在手動方式下，同時(shí)按此鍵和一個(gè)坐標(biāo)軸點(diǎn)動鍵，坐標(biāo)軸按快速進(jìn)給速度點(diǎn)動。

24）Z軸負(fù)向點(diǎn)動鍵：在手動方式下按動此鍵，Z軸向負(fù)方向點(diǎn)動。

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25）X軸負(fù)向點(diǎn)動鍵：在手動方式下按動此鍵，X軸向負(fù)方向點(diǎn)動。啟動/中止鍵：

26）復(fù)位鍵：按此鍵，系統(tǒng)復(fù)位，當(dāng)前程序中斷執(zhí)行并退出。27）數(shù)控中止鍵：按此鍵，當(dāng)前執(zhí)行的程序中斷執(zhí)行。28）數(shù)控啟動鍵：按此鍵，系統(tǒng)開始執(zhí)行加工程序。2.2.4屏幕劃分

如圖2-5所示，屏幕顯示區(qū)是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的顯示窗口，具體說明如下：

圖2-5屏幕劃分

1）當(dāng)前操作區(qū)域：加工、參數(shù)、程序、通訊、診斷。通過主菜單不同的軟鍵進(jìn)行操作。2）程序狀態(tài)：程序中止；程序運(yùn)行；程序復(fù)位。3）運(yùn)行方式：點(diǎn)動方式、自動方式、MDA方式。

4）狀態(tài)顯示：程序段騰躍、空運(yùn)行、快速修調(diào)、單段運(yùn)行、程序中止、程序測試、步進(jìn)增量。5）操作信息。6）程序名。

7）報(bào)警顯示行：在NC或PLC報(bào)警時(shí)顯示報(bào)警信息。8）工作窗口：工作窗口和NC顯示。

9）返回鍵：軟鍵菜單中出現(xiàn)此符號時(shí)，說明存在上一級菜單，按下返回鍵后不存儲數(shù)據(jù)直接回到上一級。

10）擴(kuò)展鍵：出現(xiàn)此符號說明同級菜單中存在其它菜單，按下擴(kuò)展鍵后可以選擇這些功能。11）軟鍵。

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12）垂直菜單：出現(xiàn)此符號時(shí)說明存在其它菜單功能，按下垂直菜單鍵后，這些菜單顯示在屏幕上，并可用光標(biāo)進(jìn)行選擇。

13）進(jìn)給軸速度倍率：在此顯示當(dāng)前進(jìn)給軸的速度倍率。14）齒輪級：在此顯示當(dāng)前主軸的齒輪級。15）主軸速度倍率：在此顯示當(dāng)前主軸的速度倍率。

2.3西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的軟件功能

數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過利用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺或多臺機(jī)械設(shè)備動作控制，它所控制的尋常是位置、角度、速度等機(jī)械量和開關(guān)量。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。由于使用了計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機(jī)床電器規(guī)律控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實(shí)現(xiàn)繁雜的數(shù)控功能，使用、維護(hù)也便利，并具有與上位機(jī)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的等功能。數(shù)控系統(tǒng)的通過軟件功能來更好的彌補(bǔ)數(shù)控機(jī)床硬件所不能直接完成的控制。

SINUMERIK802C系統(tǒng)主要的軟件功能可分為加工、參數(shù)、程序、通信和診斷五個(gè)操作區(qū)域，如圖2-6所示。在主菜單下可通過所對應(yīng)的軟件進(jìn)入各操作區(qū)域的子菜單、擴(kuò)展菜單，如圖2-7是SINUMERIK802C系統(tǒng)的主菜單及其菜單樹。

加工參數(shù)程序通信診斷執(zhí)行零件程序手動控制參數(shù)設(shè)定機(jī)具零偏參數(shù)序編輯程零序件輸數(shù)出據(jù)輸序輸出入與調(diào)試調(diào)用診斷珍斷與務(wù)

圖2-6西門子802C系統(tǒng)軟件功能操作區(qū)域

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圖2-6西門子802C系統(tǒng)的主菜單及其菜單樹

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3數(shù)控車床的硬件系統(tǒng)的選擇與連接

3.1數(shù)控車床的硬件的選擇

3.1.1數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)伺服驅(qū)動器的選擇

3.1.1.1伺服驅(qū)動器的工作原理及其對數(shù)控系統(tǒng)和電機(jī)的要求（1）伺服驅(qū)動器的工作原理

伺服驅(qū)動器又稱為―伺服控制器‖、―伺服放大器‖，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。

目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較繁雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路,在主回路中還參與軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐?。?）伺服驅(qū)動器對伺服進(jìn)給系統(tǒng)的要求

a)調(diào)速范圍寬b)定位精度高

c)有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性

d)快速響應(yīng)，無超調(diào),為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，由于數(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時(shí)，要求加、減加速度足夠大，縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，減小輪廓過渡誤差。

e)低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強(qiáng),一般來說，伺服驅(qū)動器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。

f)可靠性高,要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾的能力。(3)伺服驅(qū)動器對電機(jī)的要求

a)從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，特別在低速如0.1r/min

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或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。

b)電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4～6倍而不損壞。

c)為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動電壓。

d)電機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟、制動和反轉(zhuǎn)。3.1.1.2伺服驅(qū)動器的選擇

在本次設(shè)計(jì)中選用了SIMODRIVE611U伺服驅(qū)動器（1）SIMODRIVE611U伺服驅(qū)動器的概述

611U是一種功能可以靈活配置的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合的要求，組合選擇不同的配置，形成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。611U可以與SINUMERIK802Cbaseline數(shù)控系統(tǒng)組合使用?？梢则?qū)動1FK7伺服電機(jī)和1PH7主軸電機(jī)。驅(qū)動器一般采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，是伺服系統(tǒng)必不可少的組件。

（2）SIMODRIVE611U的組成

611U的各個(gè)模塊之間采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。它主要由以下幾部分組成：電源模塊（6SN1145/6SN1146）;功率模塊（6SN1123）;控制板模塊（6SN118）;其他附件

圖3-1SIMODRIVE611U

a）電源模塊

外部強(qiáng)電供電系統(tǒng)經(jīng)過電源模塊連接到各個(gè)驅(qū)動單元，將主電源變換為直流母線上

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的直流電壓。另外，通過電源模塊上的設(shè)備總線提供功率模塊和控制板模塊所需要的各種電源（+/-24V,+/-15V,+5V等等）。

電源模塊可以分為非調(diào)理型電源模塊和調(diào)理型電源模塊。非調(diào)理型電源模塊（UI模塊）：

輸出功率較低，最大功率為10KW，其內(nèi)部含有一個(gè)整流電抗器和脈沖電阻器;調(diào)理型電源模塊（再生反饋模塊）;

可以將直流連接線圈產(chǎn)生的多余能量重新輸入，譬如講制動產(chǎn)生的能量重新輸入電網(wǎng)系統(tǒng)。這樣可以優(yōu)先電柜的冷卻效果，降低能量消耗，允許各個(gè)驅(qū)動軸在恒定直流連接電壓下工作。

圖3-2電源模塊

b）功率模塊

在單軸功率模塊和雙軸功率模塊之分。功率模塊根據(jù)電流安培數(shù)分級，相應(yīng)的必需具有不同的冷卻方式。

圖3-3功率模塊

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附錄II自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀過程流程圖

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基于西門子802C的數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

附錄III自動回轉(zhuǎn)刀架的梯形圖程序

網(wǎng)絡(luò)1：輸入初始化

網(wǎng)絡(luò)2：復(fù)位鍵取消報(bào)警進(jìn)給保持

網(wǎng)絡(luò)3：讀入當(dāng)前刀值

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網(wǎng)絡(luò)4：下聯(lián)情形下退出換刀程序，不允許換刀

網(wǎng)絡(luò)5：（自動方式或MDA方式下），讀入編程刀號

網(wǎng)絡(luò)6：自動或MDA方式下?lián)Q刀

網(wǎng)絡(luò)7：換刀時(shí)間調(diào)整

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基于西門子802C的數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)8：刀架反轉(zhuǎn)延時(shí)

網(wǎng)絡(luò)9：換刀輸出狀態(tài)

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c)控制板模塊

圖3-4控制板模塊

d)其他附件

脈沖電阻模塊：

脈沖電阻模塊可以實(shí)現(xiàn)直流母線的快速放點(diǎn)，將直流母線連接線路的能量轉(zhuǎn)換為熱量損失。當(dāng)最大功率大于200W時(shí)，建議使用隔熱板以阻止熱量從上面的模塊傳出來。

外部脈沖電阻器：

外部脈沖電阻器可以講熱量損耗轉(zhuǎn)移到電柜以外。28KW的非調(diào)理型電源模塊需要安裝外部脈沖電阻器。

過電壓限制模塊：

在接通感應(yīng)負(fù)載或變壓器時(shí)，可能會產(chǎn)生過壓。這時(shí)需要電壓限制模塊。對于功率為10KW或10KW以上的功率模塊，過電壓限制模塊可以出入到X181接口。

脈沖電阻模塊外部脈沖電阻器

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過電壓限制模塊

（3）SIMODRIVE611U的功能

SIMODRIVE611U與SINUMERIK802Cbaseline一起使用的場合SIMODRIVE611U主要具有以下的功能：a）控制板：

雙軸Resolver（旋轉(zhuǎn)變壓器）控制板（6SN1118—0NK00—0AA）;單軸Resolver（旋轉(zhuǎn)變壓器）控制板（6SN1118—0NK00—0AA）；b）系統(tǒng)軟件（固件）：n—set設(shè)定值c）運(yùn)行方式：閉環(huán)速度控制方式d）存儲器模塊：固件（系統(tǒng)軟件）；用戶數(shù)據(jù)（參數(shù)）；e）顯示和控制面板：

能夠顯示參數(shù)狀態(tài)，設(shè)定參數(shù)；f）調(diào)試工具：“SimoComU〞g）通訊：

通過串行接口RS232、使用SimoComU進(jìn)行通訊；h）接口：

每個(gè)驅(qū)動器2個(gè)模擬量輸出接口（+/—10V）；角度編碼器接口（WSG接口）；

每個(gè)驅(qū)動器4個(gè)數(shù)字輸入接口、4個(gè)數(shù)字輸出接口（可以自由設(shè)定參數(shù)）；2個(gè)測試管腳（0—5V）；安全啟動阻止（AS1/AS2）;

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i）按鍵和LED燈；

上電復(fù)位按鍵/故障紅燈LED;j）編碼器：

RESOLVER旋轉(zhuǎn)變壓器，極對數(shù)1和4；k）611U各個(gè)部件的功能：電源模塊（NE模塊）：連接到外部3向電網(wǎng)；產(chǎn)生直流母線電壓；驅(qū)動設(shè)備總線；設(shè)備總線：

提供控制板的各種電壓和使能信號；直流母線：

功率模塊從直流母線中獲取控制電機(jī)的電源；功率模塊：

在SIMODRIVER611U系統(tǒng)中作為單軸或雙軸控制板使用；存儲模塊：

集成在控制板上，可以更換；并具有FEPROM用于儲存固件和用戶數(shù)據(jù)；電機(jī)：

連接到功率模塊上；編碼器：

電機(jī)中角度編碼器，測量實(shí)際位置；調(diào)試工具：

SimoComU數(shù)一種調(diào)試工具，用于設(shè)決定參數(shù)、調(diào)試和測試控制板，它是在Windows，95/98/NT2000/XP下運(yùn)行的軟件使用該工具，可以使用以下功能：對“SIMODRIVE611U通用〞模塊參數(shù)化各軸快速；設(shè)定最正確化；下載的系統(tǒng)專用軟件；串接機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)啟動；診斷（如測量功能）；

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3.1.2數(shù)控車床主軸系統(tǒng)變頻器的選擇3.1.2.1變頻器的工作原理和特點(diǎn)（1）變頻器的工作原理

變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。如圖4-1所示，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。

圖3-5變頻器內(nèi)置電路

a）整流器：

它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動的直流電壓；b）中間電路，有以下三種作用：

使脈動的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用；通過開關(guān)電源為各個(gè)控制線路供電；可以配置濾波或制動裝置以提高變頻器性能；c）逆變器：

將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓；d）控制電路：

它將信號傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)它也接收來自這些部分的信號。其主要組成部分是：輸出驅(qū)動電路、操作控制電路。主要功能是：

利用信號來開關(guān)逆變器的半導(dǎo)體器件；提供操作變頻器的各種控制信號；監(jiān)視變頻器的工作狀態(tài)，提供保護(hù)功能；

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基于西門子802C的數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（2）變頻器的特點(diǎn)

ａ）功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能

無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

ｂ）軟啟動節(jié)能

電機(jī)硬啟動對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動時(shí)對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。3.1.2.2變頻器的選擇

在本次設(shè)計(jì)中選用了西門子MM420變頻器（1）MICROMASTER420變頻器的概述

MICROMASTER420是用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列。本系列有多種型號，額定功率范圍從120W到200kW(恒定轉(zhuǎn)矩(CT)控制方式)，或者可達(dá)250kW(可變轉(zhuǎn)矩(VT)控制方式，供用戶選用。MM40變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機(jī)運(yùn)行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機(jī)提供了良好的保護(hù)。

MICROMASTER420具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。由于MICROMASTER420具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機(jī)控制系統(tǒng)。MICROMASTER420既可用于單獨(dú)驅(qū)動系統(tǒng)，也可集成到‘自動化系統(tǒng)’中。（2）MICROMASTER420變頻器的特征a）主要特性

易于安裝，參數(shù)設(shè)置和調(diào)試；易于調(diào)試；穩(wěn)固的EMC設(shè)計(jì)；

對控制信號的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的；

參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應(yīng)用對象進(jìn)行配置；電纜連接簡便；

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基于西門子802C的數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3-9通訊接口（X2）

（3）編碼器接口X3～X6

編碼器接口X3，X4和X5，為SUB—D15芯孔插座，僅用于西門子802C。編碼器接口X6也是SUB—D15芯孔插座，在西門子802C中作為主軸編碼器接口使用。X3～X6接口引腳分派均一致，如表3-4所示。

表3-3編碼器接口X3引腳分派（X4/X5/X6一致）

引腳12345678

信號n.c.n.c.n.c.P5EXTn.c.P5EXTMn.c.

說明電壓輸出

電壓輸出電壓輸出

引腳9101112131415

信號MZZ_NB_NBA_NA

說明電壓輸出輸入信號輸入信號輸入信號輸入信號輸入信號輸入信號

（4）驅(qū)動器接口X7

驅(qū)動器接口X7為SUB—D50芯針插座，各引腳定義如表3-5所示：

表3-5驅(qū)動器接口X7引腳分派

引腳123456789

信號AO1AGND2AO3AGND4n.c.n.c.n.c.n.c.n.c.

說明AOOOOOO

引腳181920212223242526

信號n.c.n.c.n.c.n.c.MMMMn.c.

說明OOOOVOVOVOVOO

引腳343536373839404142

信號AGND1AO2AGND3AO4n.c.n.c.n.c.n.c.n.c.

說明AOOOOOO

28

1011121314151617

n.c.n.c.n.c.n.c.SE1.1SE2.1SE3.1SE4.1

OOOk

27282930313233

n.c.n.c.n.c.n.c.n.c.n.c.n.c.

OOO

4344454647484950

n.c.n.c.n.c.n.c.SE1.2SE2.2SE3.2SE4.2

OOOK

說明：表中Aon指模擬指令值，AGNDn指模擬大地值，M指大地，SE1.1/1.2—SE3.1/3.2指伺服軸X、Y、Z使能，SE4.1/4.2指主軸使能，VO指信號輸出，K指開關(guān)觸點(diǎn)。（5）數(shù)字輸入/輸出接口X100—X105，X200—X201

本數(shù)控系統(tǒng)共有48個(gè)數(shù)字輸入和16個(gè)數(shù)字輸出接線端子。其引腳定義分別如表3-6與表3-7所示。

表3-7數(shù)字輸入接口X100—X105引腳分派

引腳序號信號說明

12345678910

空輸入輸入輸入輸入輸入輸入輸入輸入M24

X100I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7

X101I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7

X102I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6I2.7

X103I3.0I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6I3.7

X104I4.0I4.1I4.2I4.3I4.4I4.5I4.6I4.7

X105I5.0I5.1I5.2I5.3I5.4I5.5I5.6I5.7

上表中信號的高電平為15—30VDC，耗電流為2—15mA，低電平為-3—5VDC。

表3-8數(shù)字輸出接口X200/X201引腳分派

引腳序號

1234567

信號說明L+輸出輸出輸出輸出輸出輸出

X200Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5

X201Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5

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基于西門子802C的數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8910

輸出輸出M24

Q0.6Q0.7

Q1.6Q1.7

上表中信號的高電平為24VDC，0.5A，漏電流小于2mA，同時(shí)系數(shù)為0.5。3.2.2西門子802C系統(tǒng)的接線

西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的接線圖見附錄I

3.2.2.1西門子802C數(shù)控系統(tǒng)與611U伺服驅(qū)動器的連接（1）西門子611U伺服驅(qū)動器的接口的介紹

西門子611U伺服驅(qū)動器的接口如圖3-11所示。

圖3-10西門子611U伺服驅(qū)動器接口圖

30

表3-9接口說明

電機(jī)編碼器，驅(qū)動器A/驅(qū)動器B：

·

電機(jī)編碼器連接驅(qū)動器A；電機(jī)編碼器連接驅(qū)動器B或者連接直接測量系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)變壓器極限頻率432Hz。信號端子：

X421

2芯的連接條，最大導(dǎo)線截面2.52mm；接觸負(fù)載（30VDC）;AS1：信號觸點(diǎn)啟動阻止；AS2：端子663的檢查信號；電源和脈沖時(shí)能端子：5芯插頭；

X431

P24：數(shù)字輸出用外部電源（+24V）；電壓范圍10~30VM24：外部電源基準(zhǔn)點(diǎn)；

9：時(shí)能電壓（+24V）；基準(zhǔn)點(diǎn)：T19；最大電流強(qiáng)度：500Ma;

663：脈沖使能（+24V）；電壓范圍21~30V；電流消耗：25mA，24V時(shí)；19：基準(zhǔn)（用于所有的數(shù)字輸入端）；模擬量輸出：5芯插頭；

X441

75.A：模擬量輸出1，驅(qū)動器A;16.A：模擬量輸出2，驅(qū)動器A;75.B：模擬量輸出1，驅(qū)動器A;16.B：模擬量輸出2，驅(qū)動器A;15：基準(zhǔn)（電子地）；端子，驅(qū)動器A：10芯插頭；

56.A：模擬量輸入1；14.A：基準(zhǔn)1；

X451/X452

24.A：模擬量輸入2；20.A：基準(zhǔn)2；

65.A：驅(qū)動器專用的控制器使能；9：使能電壓（24V）；

I0.1：數(shù)字量輸入0，快速輸入；I1.A：數(shù)字量輸入1；I2.A數(shù)字量輸入2；I3.A數(shù)字量輸入3；

31

基于西門子802C的數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動器專用端子，驅(qū)動器A：10芯插頭；A+.A：信號A+；A–.A：信號A–；

X461/X462

B+.A：信號B+；B–.A：信號B–；R+.A：信號R+；R–.A：信號R–；00.A：數(shù)字輸出0；01.A：數(shù)字輸出0；02.A：數(shù)字輸出0；03.A：數(shù)字輸出0；設(shè)備總線；

X351X471X34

變頻器總線

串行接口：用于“SimoComU〞的串行接口；測試管腳：

DAU1：測試管腳1；DAU2：測試管腳2；

（2）西門子611U伺服驅(qū)動器與西門子802C、伺服電機(jī)的連接

連接西門子802C控制器接口X7到SIMODRIVER611UX451/X452接口輸入X/Y軸控制信號，連接SIMODRIVER611UX461/X462接口到X/Y軸編碼器X3/X4輸入X/Y軸控制信號，接口引腳說明如圖3-12所示。

圖3-11引腳接線圖

32

3.2.2.2西門子802C數(shù)控系統(tǒng)與變頻器MM420的連接（1）西門子MM420變頻器的接口的介紹如圖3-13所示。DCBUS電抗器3(可選)DCBus電抗器動態(tài)制動單元PNB1B2DB單元(可選)DB電阻4DB電阻空開斷路器(可選)3?230/460V50/60HzP11P21N1RSTGUVW電機(jī)向運(yùn)行/中止反向運(yùn)行/中止變頻器急停故障復(fù)位寸動多功能輸入1多功能輸入2多功能輸入3公共端子FMFXRXBXRSTJOGP1P2P3CM廠家設(shè)定：‘速度-L’‘速度-M’‘速度-H’+FM輸出頻率儀(0~10V脈沖)5GACB故障輸出繼電器l小于AC250V,1Al小于DC30V,1A電位器(1kohm,1/2W)屏蔽速度信號的電源VR供應(yīng)：+11V,10mAAXAAXB多功能輸出繼電器1l小于AC250V,1Al小于DC30V,1A廠家設(shè)定:‘Run’V1I速度信號輸入：0~10V速度信號輸入：4~20mA(250ohm)5G公共速度信號輸入2VR,V1,I解釋)顯示主要電路端子顯示控制信號端子1.根據(jù)模型名稱的不同，端子的構(gòu)造不同。請參閱‘1.7電源端子’。2.模擬速度命令可以由電壓，電流或者是它們同時(shí)設(shè)定。3.當(dāng)安裝DC電抗器時(shí)，必需去掉在P1和P2之間的公共匯流排。4.1~10HP變頻器在電路板上內(nèi)置制動電路。制動電阻僅內(nèi)置在1~5HP變頻器中。15~30HP變頻器需要可選的制動單元和電阻來動態(tài)制動。圖3-12變頻器的基本配線圖

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基于西門子802C的數(shù)控車床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表3-10接口說明

符號RSTGPP1P2NB1B2UVW

連接電機(jī)的3-相電源輸出端子

(3相,200–230V交流（2單元）或380-460V交流（4單元）)大地

正端直流總線端子DB單元（P-P5）連接端子

（當(dāng)要求完成制動(>30í),連接DB單元。）

外部直流電抗器（P1-P2）和DB單元（P2-P5）連接端子。負(fù)端直流總線端子DB單元（N-N5）連接端子動態(tài)制動電阻（B1-B2）連接端子交流電壓輸入端子

(3相,200–230V交流（2單元）或380-460V交流（4單元）)

功能

（2）西門子MM420變頻器與西門子802C系統(tǒng)、電機(jī)的連接

三相電源通過3相變壓器和空氣開關(guān)QM2接入變頻器R、S、T端；西門子802C數(shù)控系統(tǒng)的接口X7的引腳（AGND4）與變頻器的5G端相連，引腳37（AO4）與變頻器V1相連；電流繼電器KA5、KA6的常開觸點(diǎn)分別將變頻器的FX、RX端與CM端相連。KA5控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)，KA6控制電機(jī)的反轉(zhuǎn)；變頻器的U、V、W端分別與主軸電機(jī)的三相連接。

3.3自動回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床都配有電動回轉(zhuǎn)刀架，回轉(zhuǎn)刀架除了必需具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工的切削力和定位精度外，同時(shí)通過數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)置PLC和控制電路完成回轉(zhuǎn)刀架的自動回轉(zhuǎn)及找刀定位的全部動作，因此自動回轉(zhuǎn)刀架的PLC程序設(shè)計(jì)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性具有重要的作用。（1）電動回轉(zhuǎn)刀架的工作過程

電動回轉(zhuǎn)刀架一般有四工位或六工位，由電動機(jī)、機(jī)械換刀機(jī)構(gòu)、發(fā)訊盤等組成，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀信號，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體上升至一定的位置，發(fā)詢盤發(fā)出刀位信號，刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)，完成初定為后上刀體下降，齒牙盤嚙合，

34

完成確切定位，并通過升降機(jī)鎖緊刀架。（2）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

刀架的換刀過程通過西門子802C內(nèi)置的PLC對控制刀架的所有處理I/O信號進(jìn)行規(guī)律處理及其計(jì)算，實(shí)現(xiàn)刀架的順序控制，另外為了保證換刀可以正常的進(jìn)行，系統(tǒng)還要對換刀過程進(jìn)行調(diào)整。

a）控制電路硬件的連接

刀架電氣控制部分如圖3-14所示。圖中的（I）是刀架控制的主電路圖，主要是通過控制刀架的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；圖（II）是刀架控制的PLC輸出控制回路。每個(gè)刀具都有一個(gè)固定的刀號，通過霍爾傳感器檢測刀具的到位狀況。

（I）主電路（II）PLC輸如輸出電路

圖3-13刀架控制原路圖

c）PLC控制流程圖

數(shù)控刀架換刀有兩種模式，一種是手動換刀，另一種是通過T指令進(jìn)行自動換刀。手動換刀是指將機(jī)床調(diào)制手動狀態(tài)，通過到位選擇按鍵進(jìn)行目的到位的選擇，有的系統(tǒng)是利用波段開關(guān)的形式來實(shí)現(xiàn)，例如通過檢測刀位選擇信號的狀態(tài)，假使按下到位選擇按鍵，計(jì)數(shù)器的數(shù)值會發(fā)生改變，系統(tǒng)選擇也會發(fā)生相應(yīng)