西门子802C车床数控系统的安装调试

毕业院系名称2014年06月03日目录1摘要2Abstract31绪论31.1数控机床的产生与发展31.1.1数控机床的产生1.1.2数控机床的发展31.2我国数控机床的发展现状及前景41.3本课的研究背景及意义62西门子802C数控系统介绍62.1西门子802C数控系统概述62.2西门子802C数控系统的组成72.2.1基本面板72.2.2NC键盘区82.2.3机床控制面板92.2.4LCD显示区102.2.5系统接口布置区11163电气及机械元件的选型163.1主轴变频电机及其变频器、编码器的选择3.1.1主轴变频电机的选择16173.1.2主轴变频器的选择193.1.3主轴编码器的选择203.2进给伺服机构及其驱动系统的选择203.2.1进给伺服机构的选择213.2.2交流伺服电机及其驱动器的选择223.3刀架的选用223.3.1刀架的工作原理233.3.2刀架的动作顺序233.3.3刀架的选用253.4接触器、继电器的选择253.4.1接触器的选择263.4.2继电器的选择3.5变压器的选择293.5.1三相380~220V变压器的选择293.5.2开关电源的选择303.5.3单相380~220V变压器的选择313.6空气开关的选择313.6.1空气开关的工作原理313.6.2空气开关的选用314电气及机械元件的安装334.1电气总图介绍334.2驱动系统的安装344.2.1进给伺服电机强电的安装344.2.2进给伺服控制系统的安装364.2.3X、Z轴正负限位的安装394.3主轴系统的安装404.3.1主轴强电及控制系统的安装404.3.2主轴编码器的安装424.4刀架系统的安装434.4.1刀架强电系统的安装434.4.2刀架控制系统的安装444.5冷却与润滑系统的安装464.6手摇脉冲发生器的安装474.7开关电源及其他控制系统的安装494.7.1开关电源的安装494.7.2开、关机控制系统的安装504.8安装接线过程中的注意事项525数控系统的简单上电调试535.1数控系统初次上电时的注意事项535.2刀架的调试535.3进给伺服电机的手动调试535.4机床参数的调试535.4.1机床显示面板亮度的调整535.4.2NC参数设置5457结论谢辞58参考文献59附录1电气原理图60西门子802C车床数控系统的安装摘要:随着科学技术的不断进步和社会生产力的不断发展，以数控技术为基础的机械制造技术正以较快的速度逐步取代传统机械制造技术,这已成为当今机械制造技术发展的趋势,数控机床得以在机械制造业中大量应用。SINUMERIK802Cbaseline是在SINUMERIK802C基础上新开发的全功能数控系统，它具有安装调试方便快捷、操作编程简单方便，可靠性高、稳定性强的特点，是一种较为先进的CNC数控系统。本文详细介绍了西门子802C车床数控系统的安装过程，其中包括数控系统的详细介绍、电气和机械元件的选型、根据电气原理图安装各个模块、以及简单的上电调试。此次设计是为接下来的调试过程做准备，也可用来作为高校数控系统教学平台，指导学生安装调试此数控系统。关键词：数控技术；CNC数控系统；电气原理图；安装SINUMERIK802CLatheCNCSystemInstallAbstract:Withthecontinuousprogressofscienceandtechnologysetever-breakingdevelopmentofsocialproductiveforces，advancedmanufacturingtechnologyisbasedonthenumericalcontroltechnologyatafasterrategraduallyreplacedthetraditionalmechanicalmanufacturingtechnology,whichhasbecomethetrendofmechanicalmanufacturingtechnologydevelopment.CNCmachinetoolhasusedinmanufacturingindustry.SINUMERIK802CbaselineisbasedonSINUMERIK802Cwhichthenewlydevelopedfull-functionnumericalcontrolsystems,Ithasaquickandeasyinstallation,operationsimpleandconvenientprogramming,highreliabilityandstabilitycharacteristics,isamoreadvancedCNCnumericalcontrolsystem.ThisarticledescribestheinstallationprocessSiemens802CCNClathesystem,Includingtheselectionofdetails,electricalandmechanicalcomponentsoftheCNCsystem,connectingthevariousmodules,andsimplepowerdebuggingbasedonelectricalschematics.ToprepareforthenextdebuggingprocesscanalsobeusedasateachinguniversityCNCsystemplatform,guidingstudentstoinstalltheCNCsystem.Keywords:CNC；CNCsystem；Electricalschematics；Install1绪论1．1数控机床的产生与发展1.1.1数控机床的产生随着科技的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了更高的要求。产品加工过程的自动化是实现高质量、高效率的重要措施。飞机、汽车等生产企业大多采用自动化机床、组合式机床和自动化生产线，从而保证了产品的质量，提高了生产效率和减轻了操作者的劳动强度。但是在产品加工中，单件、小批量生产的零件约占总量的80%以上。对这些多品种、小批量、形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业程度高的自动化机床和自动化生产线就显得很不合适。在市场经济的大潮中，产品竞争日趋激烈，为了求得生存与发展，各企业纷纷在提高产品的技术档次、增加产品的种类、缩短试制与生产周期和提高产品的质量上下功夫，即使批量较大的产品，也不大可能多年不变，因此必须经常开发新产品，频繁地更新换代。传统的自动化生产线难以适应小批量、多品种的生产要求。为了解决上述问题，一种灵活、高精度、高效率的自动化设备——数控机床应运而生。1952年美国帕森斯公司和麻省理工学院在美国空军的委托下，合作研制了世界上的第一台三坐标数控铣床，完成了直升飞机叶片轮廓检查用样板的加工。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制铣床。经过三年的试用、改造和提高，数控机床于1955年进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要的作用。尽管这种初期数控机床采用电子管和分立元件硬接线电路来进行运算和控制，体积庞大而功能单一，但它采用了较为先进的数字控制技术，具有强大的生命力，它的出现开辟了工业生产技术的新纪元。从此，数控机床在全世界得到了迅速的发展。1.1.2数控机床的发展最早采用数控技术进行机械加工的想法是在20世纪40年代初期提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机框架及直升飞机叶片轮廓用样板时，使用计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到了0.0015mm。1952年，美国麻省理工学院研制出的三坐标联动利用脉冲乘法器原理的试验性数控系统是数控机床的第一代。1959年，电子行业研制出晶体管元件，因而控制系统中广泛采用晶体管和印刷电路板技术，跨入第二代。1959年3月，由美国耐·杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，成为“加工中心”。1960年，出现了小规模集成电路，由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代都是采用专业控制的硬件逻辑数控系统，也称NC系统。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（FlexibleManufacturerSystem）柔性制造系统。随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专业控制的硬件逻辑数控系统（NC），数控的许多功能由软件程序实现。由计算机作控制单元的数控系统（CNC），称为第四代。1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。20多年来，微处理器数控系统得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控系统（MNC），然而后来也将MNC也称为CNC。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC。FMC和FMS都被认为是实现计算机集成制造系统CIMS的基础。数控系统的许多优点使数控机床得到了广泛发展和应用，数控技术还被广泛应用于工业机器人、数控切割机、数控火花切割机、坐标测量机、绘图仪等设备上。1．2我国数控机床的发展现状及前景随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业中的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速的发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39％；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。2006年，中国数控金属切削机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金属切削机床产量增幅18.4个百分点，进而使金属切削机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。2007年，中国数控金属切削机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96％。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的尴尬局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5~10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10~15年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。国外公司在中国数控系统销量中的80％以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高国产高档数控系统总体技术水平。“十二五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，我国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床以往消费数量，通过模型拟合，预计到2015年数控车床销售数量将达18万台，年均增长率为达16%以上。在技术方面也将得到大幅度提高，现在国外的部分技术垄断现象也将得到有效缓解，真正意义上实现从“中国制造”到“中国创造”的转型。1．3本课题的研究背景及意义随着科学技术的不断进步和社会生产力的不断发展，以数控技术为基础的先进制造技术正以较快的速度逐步取代传统机械制造技术,这已成为当今机械制造技术发展的大趋势。西门子802C数控系统是一种经济型数控系统，具有较高的性价比，并在中端车床、铣床以及机床改造等领域有极其广泛的应用，研究其安装调试过程可用于指导人们掌握较快捷的安装调试，提供解决安装调试过程中出现问题的解决方法，降低其推广使用的成本，可使这种较先进的的数控机床得到大量的推广和应用。研究西门子802C车床数控系统不仅可以使其较迅速的应用于工业生产，也可作为高校教学平台，用来指导学生掌握此种先进的数控系统，使其掌握其安装调试过程。2西门子802C数控系统的介绍2.1西门子802C数控系统概述SINUMERIK802Cbaseline是在SINUMERIK802C基础上新开发的全功能说控系统，它可以控制2到3个伺服电机进给轴和一个伺服主轴或变频主轴，它主要由：CNC控制器、驱动器和电机、变频器和电缆这几个部分组成。它具有结构紧凑，高度集成于一体的数控单元，操作面板和输入输出单元机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易；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。如下图2.1所示，西门子802C数控系统在西门子公司数控系统产品中拥有高性能、低价位的特性，一直以来备受人们的青睐。图2.1西门子公司数控系统产品结构2．2西门子802C数控系统的组成2.2.1基本面板西门子802C系统具有独立的操作面板及NC部分，其显著的特点是结构紧凑，机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易；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。SIEMENS802C数控系统的操作面板可分为三个区：LCD显示区、NC键盘区、MCP（机床控制面板）区。见图2.2。图2.2802C操作面板2.2.2NC键盘区图2.3NC键盘区各功能键说明：1）加工显示键：按此键后，屏幕立即回到加工显示画面，在此处可以看到当前各轴的工作状态；2）返回键：返回到上一级菜单；3）软键：在不同的屏幕状态下，操作对应的软键，可以执行相应的操作；4）删除/退格键：在程序编辑画面时，按此键清除前一字符；5）报警应答键：报警出现时，按此键一般可消除报警（取决于报警级别）；6）光标向上键/向上翻页键；7）菜单扩展键：进入同一级的其他菜单画面；8）区域转换键：按此键后立即回到主界面；9）垂直菜单键：在某些特殊画面，按此键可垂直显示选项；10）光标向右键；11）光标向下键/向下翻页（上档）键；12）回车/输入键：按此键确认所输入的参数或换行；13）选择/切换键：在设定参数时，按此键可以选择或切换参数；14）空格键：在编辑程序时，按此键插入空格；15）光标向左键；16）字符键：用于字符的输入，上档键可切换至对应字符；17）上档键：按数字键或字符键时，同时按此键可使数字/字符的左上角字符生效；18）数字键：用于数字的输入。2.2.3机床控制面板各按键功能说明：基本功能区：1）POK（绿灯）：电源上电，灯亮表示电源正常供电；2）ERR（红灯）：系统故障，此灯亮表示CNC出现故障；3）DIA（黄灯）：诊断。该灯显示不同的诊断状态，正常状态时闪烁频率为1：1；4）急停开关；图2.4机床控制面板区5）K1~K12用户自定义键：用户可以编写PLC程序进行键的定义；运行方式键：6）增量选择键：在JOG方式（手动运行方式）下，按此键可以进行增量方式的选择，范围为：×1，×10，×100，×1000；7）点动方式键：按此键切换到手动方式；8）回参考点键：在此方式下运行回参考点；9）自动方式键：按此键切换到自动加工方式，按照加工程序自动运行；10）单段运行键：按此键设定单段运行方式，程序按单段运行；11）手动数据键：在此方式下手动编写程序，然后自动执行；主轴键：12）主轴正转键：按此键，主轴正方向旋转；13）主轴停止键：按此键，主轴停止转动；14）主轴反转键：按此键，主轴反方向旋转；倍率键：15）进给轴倍率增加键（带LED）：按动此键，进给轴倍率增大。当进给轴倍率大于100%时LED亮，达到120%时（最大）LED闪烁；16）主轴倍率增加键（带LED）：按动此键，主轴倍率增大。当主轴倍率大于100%时LED亮，达到120%时（最大）LED闪烁；17）进给轴倍率100%键：按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，进给轴倍率直接变为100%；18）主轴倍率100%键：按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，主轴倍率直接变为100%；19）进给轴倍率减少键（带LED）：按动此键，进给轴倍率减少。按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，进给轴倍率直接变为0%。进给轴倍率在0%-100%时LED灯亮，降为0%时（最小）LED闪烁；20）主轴倍率减少键（带LED）：按动此键，主轴倍率减少。按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，进给轴倍率直接变为50%。进给轴倍率在50%-100%时LED灯亮，降为50%时（最小）LED闪烁；点动键：21）X轴正向点动键：在手动方式下按动此键，X轴向正方向点动；22）Z轴正向点动键：在手动方式下按动此键，Z轴向正方向点动；23）快速运行叠加键：在手动方式下，同时按此键和一个坐标轴点动键，坐标轴按快速进给速度点动；24）Z轴负向点动键：在手动方式下按动此键，Z轴向负方向点动；25）X轴负向点动键：在手动方式下按动此键，X轴向负方向点动；启动/停止键：26）复位键：按此键，系统复位，当前程序中断执行并退出；27）数控停止键：按此键，当前执行的程序中断执行；28）数控启动键：按此键，系统开始执行加工程序。2.2.4LCD显示区如图2.5所示，LCD显示区是整个数控系统的显示窗口，具体说明如下：1）当前操作区域：加工、参数、程序、通讯、诊断。通过主菜单不同的软键进行操作；2）程序状态：程序停止，程序运行，程序复位；3）运行方式：点动方式、自动方式、MDA方式；4）状态显示：程序段跳跃、空运行、快速修调、单段运行、程序停止、程序测试、步进增量；5）操作信息；6）程序名；7）报警显示行：在NC或PLC报警时显示报警信息；图2.5LCD显示屏幕划分8）工作窗口：工作窗口和NC显示；9）返回键：软键菜单中出现此符号时，表明存在上一级菜单，按下返回键后不存储数据直接回到上一级；10）扩展键：出现此符号表明同级菜单中存在其它菜单，按下扩展键后可以选择这些功能；11）软键；12）垂直菜单：出现此符号时表明存在其它菜单功能，按下垂直菜单键后，这些菜单显示在屏幕上，并可用光标进行选择；13）进给轴速度倍率：在此显示当前进给轴的速度倍率；14）齿轮级：在此显示当前主轴的齿轮级；15）主轴速度倍率：在此显示当前主轴的速度倍率。2.2.5系统接口布置区如图2.6所示，系统接口布置是整个CNC控制系统与外部电路进行连接的接口，具体说明如下：1）电源端子X1系统工作电源为直流24V电源，接线端子为X1，如表2.1所示。表2.1系统工作电源 端子号 信号名 说明 1 PE 保护地 2 M 0V 3 P24 直流24V图2.6系统接口布置2）通讯接口RS232-X2在使用外部PC/PG与SINUMERIK802C进行数据通讯（WINPCIN）或编写PLC程序时，使用RS232接口，如图2.7所示。图2.7通讯接口RS2323）编码器接口X3~X6编码器接口X3，X4和X5为SUB-D15芯孔插座，仅限于SINUMERIK802Cbaseline。编码器接口X6也是SUB-D15芯孔插座，在802Cbaseline中作为编码器4接口，X3~X6接口引脚分配均为相同，如表2.2所示。表2.2编码器接口X3引脚分配（X4/X5/X6相同） 引脚 信号 说明 引脚 信号 说明 1 n.c. 9 M 电压输出 2 n.c. 10 Z 输入信号 3 n.c. 11 Z-N 输入信号 4 P5EXT 电压输出 12 B_N 输入信号 5 n.c. 13 B 输入信号 6 P5EXT 电压输出 14 A_N 输入信号 7 M 电压输出 15 A 输入信号 8 n.c. 4)驱动器接口X7驱动器接口X7为SUB-D50芯插座，如表2.3所示；其中SE1.1/1.2~SE3.1/3.2指伺服轴X/Y/Z使能；SE4.1/4.2指伺服主轴使能。表2.3驱动器接口X7引脚分配 引脚 信号 说明 引脚 信号 说明 引脚 信号 说明 1 AO1 18 n.c. O 34 AGND1 2 AGND2 19 n.c. O 35 AO2 3 AO3 20 n.c. O 36 AGND3 4 AGND4 AO 21 n.c. O 37 AO4 AO 5 n.c. O 22 M VO 38 n.c. O 6 n.c. O 23 M VO 39 n.c. O 7 n.c. O 24 M VO 40 n.c. O 8 n.c. O 25 M VO 41 n.c. O 9 n.c. O 26 n.c. O 42 n.c. O 10 n.c. O 27 n.c. O 43 n.c. O 11 n.c. O 28 n.c. O 44 n.c. O 12 n.c. O 29 n.c. O 45 n.c. O 13 n.c. 30 n.c. 46 n.c. 14 SE1.1 31 n.c. 47 SE1.2 15 SE2.1 32 n.c. 48 SE2.2 16 SE3.1 33 n.c. 49 SE3.2 17 SE4.1 K 50 SE4.2 5)手轮接口X10通过手轮接口X10可以在外部连接两个手轮（本次设计中只安装手轮1），如下表2.4所示。表2.4手轮接口X10 引脚 信号 说明 引脚 信号 说明 1 A1+ 手轮1A相+ 6 GND 地 2 A1- 手轮1A相- 7 A2+ 手轮2A相+ 3 B1+ 手轮1B相+ 8 A2- 手轮2A相- 4 B1- 手轮1B相- 9 B2+ 手轮2B相+ 5 P5V +5VDC 10 B2- 手轮2B相-6）高速输入接口X20通过接线端子X20可以连接三个接近开关，本设计中只用于急停开关的设计，如表2.5所示。表2.5高速输入接口X20 脚号 信号 说明 脚号 信号 说明 1 RDY1 使能2.1 6 HI-4 2 RDY2 使能2.2 7 HI-5 3 HI-1 X轴参考点脉冲 8 HI-6 4 HI-2 X轴参考点脉冲 9 N.C. 5 HI-3 X轴参考点脉冲 10 M 24V接地7）数字输入/输出接口X100~X105，X200和X201共有48个数字输入和16个数字输出接线端子。车床数控系统中输入接口只需X100~X102,其引脚分配如表2.6,2.7所示。表2.6数字输入接口X100~X105 引脚序号 信号说明 X100地址 X101地址 X102地址 X103地址 X105地址 X106地址 1 空 2 输入 I0.0 I1.0 I2.0 I3.0 I4.0 I5.0 3 输入 I0.1 I1.1 I2.1 I3.1 I4.1 I5.1 4 输入 I0.2 I1.2 I2.2 I3.2 I4.2 I5.2 5 输入 I0.3 I1.3 I2.3 I3.3 I4.3 I5.3 6 输入 I0.4 I1.4 I2.4 I3.4 I4.4 I5.4 7 输入 I0.5 I1.5 I2.5 I3.5 I4.5 I5.5 8 输入 I0.6 I1.6 I2.6 I3.6 I4.6 I5.6 9 输入 I0.7 I1.7 I2.7 I3.7 I4.7 I5.7 10 M24 表2.7数字输出接口X200/X201引脚分配 引脚信号 信号说明 X200地址 X201地址 1 L+ 2 输出 Q0.0 Q1.0 3 输出 Q0.1 Q1.1 4 输出 Q0.2 Q1.2 5 输出 Q0.3 Q1.3 6 输出 Q0.4 Q1.4 7 输出 Q0.5 Q1.5 8 输出 Q0.6 Q1.6 9 输出 Q0.7 Q1.7 10 M24 3电气及机械元件的选型3.1主轴变频电机及其变频器、编码器的选择3.1.1主轴变频电机的选择变频电机是通过变频器来改变输入三相交流电的频率，进而改变电机转速的三相异步电动机。本次设计中的车床数控系统为高校教学平台，其主轴电机并未接入负载，因此选择范围较广，考虑到经济性等因素，故选择较为常用的、型号为YVF2-80M2-4的皖南变频电机，其性能数据如表3.1所示，外形图如图3.1所示。表3.1YVF2-80M2-4变频电机性能数据 型号 功率（KW） 额定电流（A) 额定转矩（N.m） 恒转矩调频范围（Hz） 恒功率调频范围（Hz） YVF2-80M2-4 0.75 2.0 5.2 5~50 50~100图3.1YVF2-80M2-4变频三相异步电动机电机的拆装方法如下：1）取下轴伸平键；2）拧下风罩的紧固螺钉，取下风罩；3）取下外风扇；4）拧下前轴承盖上紧固螺栓（若无轴承盖，则此步省略）；5）拧下后端盖上的螺栓；6）用木榔头敲击轴伸，使前轴承从轴承室中滑出。从定子中抽出转子时，应防止磕碰定子绕组。3.1.2主轴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种频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要是采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源、然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT（绝缘栅双极型晶体管）三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。本次设计中所选用的变频器应与主轴变频电机相匹配，由于变频电机的额定电压和额定功率分别为380V和0.75KW，结合LS变频器公司提供的460V级变频器类型（见表3.2），因此选用型号为SV008iG5-4的变频电机,其外形图如图3.2所示。表3.2460V级变频器参数 变频器型号（SVxxxiG5-x) 004-4 008-4 015-4 022-4 037-4 040-4 电机容量 HP 0.5 1 2 3 5 5.4 KW 0.37 0.75 1.5 2.2 3.7 4.0 输出功率 容量2[KVA] 1.1 1.9 3.0 4.5 6.1 6.5 FLA[A] 1.5 2.5 4 6 8 9 频率 0.1~400Hz 电压 380~460V3 输入功率 电压 3相，380~460V（±10%） 频率 50~60Hz(±5%) 动态制动 制动单元 内置 平均制动力矩 20%（外部制动电阻：100%，150%) 最大制动时间 15秒 制动负载 0~30%ED 重量[lbs] 3.75 3.75 3.97 4.63 4.85 4.85图3.2SV008iG5-4型编码器3.1.3主轴编码器的选择增量式旋转编码器的工作原理：增量式旋转编码器是通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向），进而测量其主轴实际主轴转速的一种编码器。本次设计中所用编码器为实验室所提供的、型号为TRD-2T2500V的增量式旋转编码器，其电气规格及机械规格如表3.3、3.4所示。表3.3增量式旋转编码器电气规格 型号 TRD-2T2500V 电源 电源电压 DC4.75~5.25V 容许波纹 ≤3%rms 消耗电流 ≤50mA 输出波形 信号形式 两相+原点 最高响应频率 200kHz 最高旋转速度 （最高响应频率/分辨率）*60 占空比 50±25% 相位差宽度 25±12.5% 原点信号宽度 100±50% 输出 输出类型 线驱动输出（26C31） 输出逻辑 正逻辑（高电平有效） 输出电流 流入 ≤20mA 流出 ≤20mA 输出电压 “H” ≥2.5V “L” ≤0.5V表3.4增量式旋转编码器机械规格 起动转矩 ≤0.01Nm（+20℃） 轴惯性力转矩 0.3x10-6kg.m2 轴容许荷量 径向： 30N 轴向： 20N 容许最高转速 5000rpm 电缆 材质 耐油性PVC，PVC*1 芯线截面积 0.14mm2 外径 Φ5mm 重量 约160g（电缆长度1mm）3.2进给伺服机构及其驱动系统的选择3.2.1进给伺服机构的选择本次设计中所用进给伺服服机构为实验室提供的滚珠丝杠，如图3.3所示。图3.3滚珠丝杠3.2.2交流伺服电机及其驱动器的选择交流伺服电机的工作原理：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时，电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。本次设计中选用的交流伺服驱动器为实验室所提供的Panasonic（松下）标准的A5系列，其型号说明如下所示。本次设计中所用驱动器型号为MBDHT2510。伺服电机为与之相配对的、型号为MSME042G1S0P，其型号说明如下所示。驱动器和电机外形图如图3.4所示。图3.4驱动器和电机外形图3.3刀架的选用3.3.1刀架的工作原理当机床需要换刀时，控制系统发出换刀信号，正转继电器吸合，电机正转，同时通过左、右联轴器带动蜗杆蜗轮副旋转，蜗轮带动蜗杆旋转，夹紧轮开始上升，同时蜗杆带动离合盘转动，离合销在离合盘平面上滑动，夹紧轮上升，并与上、下刀体上的齿圈脱开，脱开距离大约0.8-1mm，离合销进入离合盘槽中，此时螺杆带动离合盘、离合销、上刀体及反靠销开始转位，反靠销从反靠盘粗定位槽内起出，上刀体便开始转位换刀。当上刀体转位到系统设定刀位时，发信盘上霍尔元件与磁钢感应发出到位信号，正转继电器脱开、控制系统发出反转继电器吸合和延时信号（刀架带回答信号时系统就只发反转信号，不发延时信号），电机反转，螺杆带动离合盘、离合销、反靠销、上刀体反转，当反靠销在反靠盘平面上反转经过粗定位槽时，便落入定位槽内，上刀体无法再旋转，实现了粗定位状态，此时离合盘在螺杆的带动下继续反转，离合销从离合盘拨槽中起出，夹紧轮开始下降，直至与上、下刀体的端齿完全啮合，实现精定位，刀架锁紧。此时反转时间到，反转继电器脱开，（刀架带回答信号时，刀架锁紧后发出锁紧信号，系统收到锁紧信号后延时0.15s，反转继电器脱开），电机停止转动，刀架换刀程序结束，系统指令执行下一道加工程序。3.3.2刀架的动作顺序1）不带锁紧回答信号刀架的动作顺序：换刀信号→正转继电器吸合→电机正转→夹紧轮与端齿脱开→上刀体转位→到位信号→正转继电器松开→反转延时信号→反转继电器吸合→电机反转→粗定位→夹紧轮与端齿啮合精定位并夹紧→反转继电器松开→电机停转→系统执行下道工序2）带锁紧回答信号刀架的动作顺序：换刀信号→正转继电器吸合→电机正转→夹紧轮与端齿脱开→上刀体转位→到位信号→正转继电器松开→反转信号→反转继电器吸合→电机反转→粗定位→夹紧轮与端齿啮合精定位并夹紧→刀架发出锁紧信号→延时0.15s→反转继电器松开→电机停转→系统执行下道工序，刀架动作流程图如图3.5所示。3.3.3刀架的选用选用合适的数控转塔刀架对数控机床是很重要的环节，它的大小规格、技术参数直接影响数控机床的性能、零件的加工精度、使用寿命等，因此，选用刀架必须注意一下几个方面：1）刀架的中心高H2（刀架上刀体刀具安装面到刀架底面的距离）加上所用刀具的高度，必须与机床的中心高（主轴中心到中拖板之间的距离H)一致，如果不能一致，则选用刀架中心高低于机床中心高，但必须是最接近的，然后在刀架底面加相应厚度的垫板；2）选用与机床相应规格的刀架。如果刀架小，刀具大，过宽的刀具会凸出上刀体，产生不安全因素，对刀架的刚性、使用寿命都会产生影响。本次设计中，西门子802C数控车床模仿数控车床CK6132进行设计，因此刀架选用与CA6132相匹配的，型号为HAK21158-70的数控立式回转刀架，其技术参数如表3.5所示，外形如图3.6所示。表3.5HAK21158-70数控立式回转刀架 参数 中心高mm 重复定位精度 电机功率W 电机转速r/min 相邻工位转位锁紧时间 锁紧力KN HAK21158-70 70 ≤±2 120 1400 2.0 12NY图3.5刀架动作流程图图3.6HAK21158-70数控立式转塔刀架3.4接触器、继电器的选择3.4.1接触器的选择交流接触器的工作原理：交流接触器的结构由触头系统、电磁系统和灭弧系统组成。其中触头系统包括主触头、辅助触头、常开触头、常闭触头；电磁系统包括动、静铁芯，吸引线圈和反作用弹簧；灭弧系统包括灭弧罩及灭弧栅片灭弧它的工作原理如下：线圈加额定电压，衔铁吸合，常闭触头断开，常开触头闭合；线圈电压消失，触头恢复常态。为防止铁心振动，需加短路环。图3.7交流接触器结构原理图接触器的使用选择原则：根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型；接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压；吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致；额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。本次设计需三个接触器，KM1、KM2、KM3，其中KM1控制主轴电路和进给伺服电路，KM2、KM3控制刀架正反转。因为三相异步电动机的额定电流为2A，X、Z轴伺服电机的额定电流均为2.6A，因此选择交流接触器KM1≥（2+2.6+2.6）A=7.2A，所以选用3TB4022-0x型交流接触器，其额定电流为9A；同理，KM2、KM3也选用3TB4022-0x型交流接触器，接触器外形如图3.8所示。图3.83TB4022-0x型交流接触器3.4.2继电器的选择电磁继电器的工作原理和特性：电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。电磁继电器工作原理如图3.9所示。底座2.反力弹簧3、4.调节螺钉5.非磁性垫片6.衔铁7.铁芯8.极靴9.电磁线圈10.触点系统图3.9电磁继电器结构原理图热继电器工作原理：热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。电动机在实际运行中，如拖动生产机械进行工作过程中，若机械出现不正常的情况或电路异常使电动机遇到过载，则电动机转速下降、绕组中的电流将增大，使电动机的绕组温度升高。若过载电流不大且过载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。但若过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。所以，这种过载是电动机不能承受的。热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能承受的过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。使用热继电器对电动机进行过载保护时，将热元件与电动机的定子绕组串联，将热继电器的常闭触头串联在交流接触器的电磁HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/344256.htm"线圈的控制电路中，并调节整定电流调节旋钮，使人字形拨杆与推杆相距一适当距离。当电动机正常工作时，通过热元件的电流即为电动机的额定电流，热元件发热，双金属片受热后弯曲，使推杆刚好与人字形拨杆接触，而又不能推动人字形拨杆。常闭触头处于闭合状态，交流接触器保持吸合，电动机正常运行。若电动机出现过载情况，绕组中电流增大，通过热继电器元件中的电流增大使双金属片温度升得更高，弯曲程度加大，推动人字形拨杆，人字形拨杆推动常闭触头，使触头断开而断开交流接触器线圈电路，使接触器释放、切断电动机的电源，电动机停车而得到保护。热继电器其它部分的作用如下：人字形拨杆的左臂也用双金属片制成，当环境温度发生变化时，主电路中的双金属片会产生一定的变形弯曲，这时人字形拨杆的左臂也会发生同方向的变形弯曲，从而使人字形拨杆与推杆之间的距离基本保持不变，保证热继电器动作的准确性。这种作用称温度补偿作用。螺钉8是常闭触头复位方式调节螺钉。当螺钉位置靠左时，电动机过载后，常闭触头断开，电动机停车后，热继电器双金属片冷却复位。常闭触头的动触头在弹簧的作用下会自动复位。此时热继电器为自动复位状态。将螺钉逆时针旋转向右调到一定位置时，若这时电动机过载，热继电器的常闭触头断开。其动触头将摆到右侧一新的平衡位置。电动机断电停车后，动触头不能复位。必须按动复位按钮后动触头方能复位。此时热继电器为手动复位状态。若电动机过载是故障性的，为了避免再次轻易地起动电动机，热继电器宜采用手动复位方式。若要将热继电器由手动复位方式调至自动复位方式，只需将复位调节螺钉顺时针旋进至适当位置即可。接线端子2.主双金属片3.热元件4.推动导板5.补偿双金属片6.常闭触头7.常开触头8.复位调节螺钉9.动触头10.复位按钮11.偏心轮12.支撑件13.弹簧图3.10热继电器结构原理图组成结构：它由发热元件、双金属片、触点及一套传动和调整机构组成。发热元件是一段阻值不大的电阻丝，串接在被保护电动机的主电路中。双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。图中所示的双金属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。热继电器动作后，双金属片经过一段时间冷却，按下复位按钮即可复位。本次设计中需KA1、KA2~KA9、KA14~KA17共13个中间继电器，FR1一个热继电器，KA1选用施耐德生产的额定电压为24V的中间继电器，KA2~KA9、KA14~KA17为焊接在电路板上的额定电压为24V的中间继电器；FR1热继电器用于防止刀架的过热损坏，由上易知：FR=I刀*（1.1~1.5）=0.67*（1.1~1.5）=0.74~1A，因此选用型号为3UA5940-0J的热继电器，其电流范围为0.63~1A。3.5变压器的选择变压器的工作原理：变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。3.5.1三相380~220V变压器的选择变压器总功率计算公式为：变压器总功率=负载总功率/0.7三相380~220V变压器在此数控系统中的作用是为伺服机构供电，，因此，其负载变为X、Z轴伺服机构，由上可知，X、Z轴伺服机构功率均为400W，所以，变压器功率为：P1=400W*2/0.7≈1143W因此选择功率为1200W的三相变压器，其外形如下图3.11所示。图3.11三相380~220V变压器3.5.2开关电源的选择开关电源的负载如表3.6所示：表3.6开关电源负载 负载 输入电压(V) 额定电流(A) 额定功率(W) CNC控制器 24 1 24 继电器KA 24 4.6* 110*注：继电器功率为所有继电器功率之和由表3.6可选型号为JW-150-24的开关电源，其参数如表3.7所示。表3.7JW-150-24参数 型号 输入电压（V） 输出电压（V） 额定电流（A） 额定功率（W） JW-150-24 110/220±20% 24 6.5 1503.5.3单相380~220V变压器的选择单相380~220V变压器的负载如表3.8所示：表3.8单相380~220V变压器的负载 负载 输入电压（V） 额定功率（W) 开关电源 220 150 外接插座 220 90~150外接插座额定功率取最大值150W，变压器效率取0.8，则：P变=P负/η=300W/0.8=375W因此选取型号为JBK3-400VA、额定功率为400W的机床控制变压器，其外形如图3.9所示。图3.12JBK3-400VA机床控制变压3.6空气开关的选择3.6.1空气开关的工作原理 空气开关是一种只要有短路现象,开关形成回路就会跳闸的开关。在发生短路时，静触头周围的芳香族绝缘物气化，起冷却灭弧作用。断路器的灭弧室采用金属栅片结构，触头系统具有斥力限流机构，因此，断路器具有很高的分断能力和限流能力。3.6.2空气开关的选用空气开关所接各个负载最大输入电流如表3.9所示。表3.9空气开关所接负载最大输入电流 负载 最大输入电流(A) 主轴电机 2 X轴伺服电机 2.6 Z轴伺服电机 2.6 数控立式转塔刀架 0.32 单相变压器 7.2根据经验公式：I空=（2+2.6+2.6+0.32+0.72）A*4=58.9A≈60A所以，选择型号为DZ47-60、额定电流为60A的自动空气开关，空气开关外形如图3.10所示。图3.10DZ47-60型自动空气开关4电气硬件连接设计4.1电气总图介绍西门子802C车床数控系统电气安装总图如图4.1所示。图4.1电气总图在车床数控系统中，电机控制接口只接入X轴、Z轴和主轴，X、Z轴使用伺服电机，主轴使用变频电机；进给系统采用驱动器控制，电源为三相220V交流电；主轴使用变频器进行调速，接入编码器检测主轴输出转速，电源为三相380V交流电。图中X3，X5分别为X、Z轴控制信号输出接口，X6为编码器接口，X7是进给系统及主轴的模拟量和使能的输出接口。X10为手轮信号的输入接口，X20为NC准备接口，X100~X105为信号输入接口，本次安装中只需使用X100~X102接口，X100用于X、Z轴的正负限位和原点的输入接口（附图1第4页），X101用于刀架控制信号输入接口（附图1第5页），X102用于刀位检测信号输入（附图1第6页）；X200与X201是机床侧输出接口（包括主轴正反转、冷却控制、润滑控制、刀架正反装、卡盘卡紧与松开、Z轴抱闸、主轴制动及急停灯、故障灯和运行灯的控制）（附图1第7、8页）。4.2驱动系统的安装4.2.1进给伺服电机强电连线X、Z轴强电系统具有较强的相似性，其原理如图4.2，4.3所示，图4.2进给伺服强电输入图4.3进给系统动力电气图其相关字母符号含义如表4.1所示。表4.1图4.2、4.3中相关字母符号含义 符号 含义 QS1 自动空气开关，控制整个电柜电源输入 KM1 接触器KM1主触点（动合） TC1 三相380~220V变压器 3Φ380VAC 三相380V交流电 XA 电源输入连接器 XB 再生放电电阻器连接器 1N4007 单向二极管图4.2中输出端U11、V11、W11即为图4.3输入端U11、W11。在图4.2中，QS1即为空气开关，控制整个电柜电源输入，KM1为接触器主触点，TC1为三相交流变压器；图4.3中右侧为驱动器，左侧为伺服电机，Z轴伺服电机中需安装抱闸装置，其中间继电器选用KA14，，由输出端口X201.2（Q1.0）控制，其接线方式见附图1第8、9页。实物接线如图4.4、4.5所示。图4.4伺服电机连线图4.5驱动器接口4.2.2进给伺服控制检测系统的安装X、Z轴控制检测系统安装也具有较多相似之处，如图4.6、4.7、4.8所示。图4.6X轴控制检测电气图图4.7Z轴控制检测电气图图4.8伺服电机编码器接线在图4.6、4.7中，上侧为驱动器接口，下侧为CNC控制接口，其中X7为伺服驱动使能和给定接口；图4.8为伺服电机编码器接线，上侧数字为电缆端口脚号，其接地线必须接入，否侧调试时伺服电机会产生报警，实物连接如图4.9、4.10、4.11、4.4所示。X、Z轴控制检测电气图符号含义如表4.2所示。 接口 CNC控制侧符号 CNC控制侧端号 定义 驱动器侧符号 驱动器侧端号 P24 P24 / P24 COM+ 7 M24 M24 / M24 COM- 41 X/ZALM- 36 / 13 X/ZALM X/ZALM / 伺服报警输出（+） X/ZALM+ 37 X7 SE1.1/SE3.1 14/16 X/Z轴使能 / / SE1.2/SE3.2 47/49 X/Z轴使能 SRV-ON 29 AO1/AO3 1/3 X/Z轴给定 SPR 14 AGND1AGND3 34/36 X/Z轴给定 GND 15 X3 M 7 M24 GND 25 A 15 A相+ OA+ 21 A_N 14 A相- OA- 22 B 13 B相+ OB+ 48 B_N 12 B相- OB- 49 Z 10 Z相+ OZ+ 23 Z_N 11 Z相- OZ- 24表4.2X、Z轴控制检测电气图符号含义图4.9驱动器接口图4.10X3、X5端接口图4.11X、Z轴使能与给定接口4.2.3X、Z轴正负限位的连接X、Z轴正负限位电气原理如图4.12所示。图4.12限位和原点电气图4.3主轴系统的安装4.3.1主轴强电及控制系统的安装主轴系统电气原理图如图4.13、4.14所示。图4.13主轴电机三相380V交流电输入图图4.14主轴控制接线图图4.13中R、S、T即为主轴380V强电输入线。在图4.14中，制动电阻、JOG常开触点可选择性接入，KA2、KA3常开触点控制主轴正反转，其线圈由CNC输出端口X200.2（Q0.0)、X200.3（Q0.1）控制；SPALM为主轴报警接线，其与输入端口X102.6（I2.4）相连接；AGND4、AO4即为主轴使能接线，如图4.15、4.16所示。图4.15主轴控制接线图图4.16主轴使能控制接口4.3.2主轴编码器的安装主轴编码器的电气原理如图4.17所示，其上半部为主轴编码器，底部为CNC控制端口