西门子802S数控车床的变频主轴设计与调试

西门子802S数控车床变频主轴设计与调试 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 、，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控制主轴的转速。 关键词：数控车床； 主轴； 西门子802S Designing Spindle Control System for a Siemens 802S CNC Lathe Abstract Whether or not the smooth running of the spindle directly affects the accuracy of CNC 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 CNC system, inverter and  the spindle motor, where PLC controlling the direction, and CNC controlling the  speed. Keys: CNC Lathe；Spindle；Siemens 802S system 目 录 引  言    3 第一章 数控系统的介绍    4 1.1 数控系统发展简史    4 1.1.1 数控NC阶段    4 1.1.2 计算机数控(CNC)阶段    4 1.2 数控技术未来发展方向    5 1.2.1 向开放式、基于PC的第六代方向发展    5 1.2.2 向高速化和高精度化发展    5 1.2.3 向智能化方向发展    5 第二章 西门子802S数控车床系统    7 2.1 西门子802S的系统    7 2.2 人机界面    8 2.3 步进进给系统    9 2.4 主轴驱动系统    9 2.5 刀架控制系统    10 第三章 西门子802S数控车床主轴的设计    11 3.1 设计    11 3.2 变频器MICROMASTER 420    12 3.2.1 变频器的选型    12 3.2.2 变频器的接口    13 3.2.3 变频器的主要参数设置    13 3.4 控制电路的设计    13 3.5 西门子802S的主轴参数调试    14 第四章 PLC程序设计    16 4.1 PLC控制流程图    16 4.2 PLC的I/O分配    17 4.3 PLC的部分参数设定    19 致  谢    21 参考文献    22 附  录1  PLC程序    23 附  录2  电气原理图    33 前  言 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。 第一章 数控系统的介绍 1.1 数控系统发展简史 1.1.1 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铣床，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年的三代—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—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PC的阶段。 计算机数控阶段也经历了三代：即1970年的第四代—小型计算机；1974年的第五代—微处理器和1990年的第六代—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、数控铣床、加工中心、数控磨床等。该系统分为802S、802C、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±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±10V模拟接口，可直接带动模拟驱动；SINUMERl 802D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个数字进给轴和一个主轴。SIEMENS 802S配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板，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。 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。 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 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-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、PROFIBUS DP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。 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；变频器3 4端24V电源给定。见图3-1。 图 3-1 主轴电气控制 （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0~10V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MICROMASTER420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±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   1 2 3 4 5 RxD TxD DTR M I O O VO 6 7 8 9 DSR RTS CTS I O I               3.2.3 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=7.5 P0310=50；P0311=2900； P0700=2；  P1000=2；  P1120=5； P1121=5 3.4 控制电路的设计 802S数控车床的主轴控制主要包括NCK、DI/O、MICROMASTER420、反馈装置和电机。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通过ALO和AL1来反馈给CNC系统。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 30130 CTLOUT-YYPE — 主轴 0 无模拟量输出 30130 CTLOUT-YYPE — 主轴 1 有正负10vdc模拟量输出 30134 IS-UNIPOLAR-OUTPUT — 主轴 0 双极性主轴输出，Q0.0和Q0.1可以由PLC使用 30134 IS-UNIPOLAR-OUTPUT — 主轴 1° 单极性主轴输出，Q0.0和Q0.1不可以由PLC使用； 30134 IS-UNIPOLAR-OUTPUT — 主轴 2° 单极性主轴输出，Q0.0和Q0.1不可以由PLC使用； 30200 NUM-ENCS — 主轴 0 主轴无编码器反馈   ENC-RESOL IPR 主轴 1024 编码器每转脉冲数 32260 RATED-VELO RPM 主轴 3000 主轴额定转速 36200 AX-VELO-LIMIT[0…..5] RMP 主轴 3300 最大主轴监控速度 36300 MA-ENC-FREQ-LIMIT Hz 主轴 55000 主轴监控频率 35010 GEAR-STEP-CHANGE-ENABLE —— 主轴 1 模拟主轴换档使能 35110 GEAR-STEP-MAX-VELO[0，1…..5] RPM 主轴 转速 [i] 主轴换档最大速度   GEAR-STEP-MAX-VELOIMIT[0，1…..5] RPM 主轴 转速 [i] 主轴换档最大速度   AX-VELO-LIMIT[0，1…..5] RPM 主轴 转速 [i] 各档最大主轴监控速度   DRIVE-AX-PATIO-DENUM[0，1…..5] — — 主轴 转速 [i] 主轴各档变化（电机端）   DRIVE-AX-RATIO-NUMERA[0，1…..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； 第四章 PLC程序设计 4.1 PLC控制流程图 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: X2003 I0.0 刀架位置码:T1 I0.1 刀架位置码:T2 I0.2 刀架位置码:T3 I0.3 刀架位置码:T4 I0.4   I0.5   I0.6 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: X2004 I1.0 X+ 限位 I1.1 Z+ 限位 I1.2 X- 限位 I1.3 Z- 限位 I1.4 X 参考点减速开关 I1.5 Z 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: X2005 Q0.0 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，见表4-2。 表4-2 主轴控制PLC子程序的有关变量定义 Address Name Var Type Data Dype   EN IN BOOL LW0 NODEF IN WORD L2.0 T-64 IN BOOL L2.1 T-63 IN BOOL L2.2 SPAD IN BOOL L2.3 OPTM IN BOOL L2.4 Overall IN BOOL L2.5 -1LMTp IN BOOL L2.6 -1LMTn IN BOOL L2.7 -1REF IN BOOL L3.0 -2LMTp IN BOOL L3.1 -2LMTn IN BOOL L3.2 -2REF IN BOOL L3.3 -3LMTp IN BOOL L3.4 -3LMTn IN BOOL L3.5 -3REF IN BOOL     IN       IN-OUT   L3.6 -BRK OUT BOOL L3.7 MSG1 OUT BOOL L4.0 MSG2 OUT BOOL     OUT   L4.1 X1HWL TEMP   L4.2 X2HWL TEMP   L4.3 X3HWL TEMP   L4.4 R-HWL TEMP           4.3 PLC的部分参数设定 表4-3  Bit6/Bit7 定义主轴倍率转换速度 Bit6 Bit7 主轴倍率转换速度 0 0 标准速度： 50%，55%，60%，65%，70%，75%，80%，85%，90%，95%，100%，105%，110%，115%，120。 0 1 两倍标准速度： 50%，60%，70%，85%，100%，110%，120%。 1 1 约三倍标准速度： 50%，60%，70%，85%，100%，120%。 1 1 约四倍标准速度： 50%，60%，80%，100%，120%。       MD14512 [16] Bit 0=0          PLC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给定的模拟主轴（缺省设定） Bit 2=1          带有0~10V给定的模拟主轴 Bit 3=0          MCP上无主轴倍率开关（缺省设定） Bit 3=1          MCP有主轴倍率开关 Bit 6/5/4=0        SINUMERIK 802S旋转监控无效（缺省设定） Bit 6/5/4=1        SINUMERIK 802S旋转监控生效 MD14512 [17] Bit 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=0        Z/Y/X轴电机无抱闸（缺省设定） Bit 6/5/4=1        Z/Y/X轴电机无抱闸（只允许一个电机带抱闸） MD14512[18] Bit 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=0        Z/Y/X每轴具有两个硬限位开关（缺省设定）（当Bit7=0时） Bit 6/5/4=1        Z/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，2001.5 [2] 牛志斌主编.图解数控机床——西门子典型系统 维修技巧.北京：机械工业出版社，2004.6 [3] 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，2004.6 [4] 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，2007 [6] 严爱珍主编.机床数控原理与系统[M]，北京：机械工业出版社，1999 [7] 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 网络2  如果使用单一的限制开关，轴移动的方向。 网络3  硬件限制在规定的MD_HEX_18.7 = 1 网络4  发送切换投入有限的X +和X -到NCK ，第一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 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。 网络6  发送切换投入有限的Z +和Z -到NCK ， 3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。 网络7  复位从硬件限制覆盖复位在下列条件下：急诊链： NO释放，没有信号的正常和黄单人或双人交换机硬件限位开关逻辑没有和黄信号 网络8  如果MD14512 [ 12 ] 0.7 = 1 ，饲料覆盖禁用于参考模式 网络9  发送轴X和Y坐标的参考点的信号， NCK凸轮，轴1,2,3接口 网络10  条件电机制动释放-没有紧急情况下积极发送轴X和Y坐标的参考点的信号， NCK凸轮，轴1,2,3接口 网络11  如果MD14512 [ 10 ]位1/2/3 = 1 ，使轴的X / Y / Z用脉冲监督职能。 （步进电机只）在脉冲监测职能积极， NCK计算的数额之间的接近开关脉冲信号，报警＃ 25201 “邪恶轴心？驱动器故障” ，如果将检测的数量超过了宽容脉冲界定与MD31110 。备注：有关医学的定义应MD31100 BERO_CYCLE电机步骤之一丝杠螺距md31110 BERO_EDGE_TOL容忍步骤莶 附  录2  电气原理图