【導讀】造技術發(fā)展的趨勢。數(shù)控機床在制造業(yè)中的大量應用,使社會對能熟練掌握數(shù)控機。床的操作,編程及維修的工程應用人才的需求量越來越大。近年來各院校相應開出。的數(shù)控專業(yè),便從教育的層面上反映出社會的這種需求。然而這也向我們提出了。數(shù)控人才的培養(yǎng)離不開實踐。于經(jīng)濟適用的數(shù)控仿真實訓臺就變得很有必要。本設計是基于西門子公司的SINUMERIK802C數(shù)控車床實訓臺開發(fā)設計，際需求的專用實驗設備。不僅可作為數(shù)控車床電氣故障的維修實訓設備，也可作。為數(shù)控車床的實際加工操作實訓設備。該裝置可以使學生掌握數(shù)控車床系統(tǒng)控制原。序編制及圖形模擬加工過程等多項實驗內(nèi)容，達到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場實習效果。體現(xiàn)仿真操作的真實性，使教學效果得到明顯提高。

　　

【正文】 誤提示。 （ 2）操作錯誤提示。 （ 3）執(zhí)行錯誤提示。 數(shù)控機床實訓臺的 基本配置 （ 1） 由控制屏和實訓桌組成?？刂破敛捎描F質(zhì)雙層亞光密紋噴塑機構(gòu)，鋁制面板；實訓桌采用鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑機構(gòu)，桌面為防火、防水、高密度板。 （ 2）單相 220V 交流電源供 電，漏電保護器控制總電源，控制屏的供電由鑰匙開關和啟停開關控制。電壓表監(jiān)控電網(wǎng)電壓，電流表監(jiān)控 設備工作總電流，并設有指示燈指示和保險絲保護。 （ 3）數(shù)控系統(tǒng)單元： 西門子公司的“ SINUMERIK 802C base line”數(shù)控系統(tǒng)，可同時控制 2 個數(shù)字量控制進給軸和 1 個模擬主軸。 （ 4）驅(qū)動模塊： X/Z 進給軸采用交流伺服控制系統(tǒng)，電機軸上裝有轉(zhuǎn)盤，便于觀察電機運動。 （ 5）主軸模塊：主軸電機采用變頻器控制，并設計有主軸編碼器用于速度反饋。 （ 6）刀架控制模塊：展現(xiàn)車床六工位電動刀架和加工中心刀庫的電控原 理。 數(shù)控機床實訓臺的要達到的實訓項目 （ 1）低壓電氣元件的原理與接線； （ 2）數(shù)控車床電氣控制電路的設計； （ 3）數(shù)控系統(tǒng)的基本操作； （ 4）數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設置與調(diào)試； （ 5）輸入輸出接口信號的應用； （ 6）進給軸驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)試； （ 7）主軸變頻器的原理與應用； （ 8）電動刀架的控制； （ 9） PLC 的編程與應用； （ 10）故障診斷與維修； （ 11）加工中心刀具庫的應用； （ 12）數(shù)控車床的編程操作。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 19 頁 共 50 頁 4 數(shù)控車床實訓臺硬件系統(tǒng)實現(xiàn) 4． 1 數(shù)控車床實訓臺 硬件系統(tǒng) 的 設計原則 SINUMERIK 802S/C base line 出廠時的系統(tǒng)配置為車床系統(tǒng)，即坐標軸設定第一軸為 X 軸，第三軸為 Z 軸，第四軸為主軸，加工工藝設定為車削；如果控制銑床，則需要裝入銑床初始化文件，銑床設定第一軸為 X 軸，第二軸為 Y 軸，第三軸為Z 軸，第四軸為主軸，加工工藝設定為銑削。 本課題設計的實訓臺 以車床實驗為主， 為使數(shù)控車床實訓臺硬件系統(tǒng)設計趨于合理化，在設計過程中著重考慮如下幾個方面 ： （ 1）盡量選用標準化、 開放式、 模塊化地經(jīng)典電路，從而提高設計的成功率。 （ 2）注意選用通用性強、 經(jīng)濟、實用、 市場資源充足的元器件 。 （ 3）系統(tǒng)擴展及各功能模塊的設計在滿足應用系統(tǒng)功能要求的基礎上，留有適當?shù)挠嗟?，已被將來進行修改、擴展。 （ 4） 在硬件選型方面 盡量采用數(shù)控方面一些通用的技術，以經(jīng)典范例展示數(shù)控車床的 工作原理與操作技巧 ，以達到從簡單入手讓學員學習數(shù)控車床相關知識的目的。 （ 5）電路設計時，充分考慮應用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力，因為不同的電路有不同的驅(qū)動能力，對后級系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣。實驗證明：如果阻抗匹配不適當，系統(tǒng)的驅(qū)動能力不夠，可能導致系統(tǒng)的 不可靠性，甚至于使得系統(tǒng)無法進行工作。值得一提的是，系統(tǒng)的不可靠性很難通過一般的測試手段來確定。因此在電路設計過程中，應該特別注意系統(tǒng)的驅(qū)動能力，盡量減少系統(tǒng)的損耗。 4． 2 數(shù)控車床實訓臺硬件系統(tǒng)的硬件選擇 伺服驅(qū)動器的選擇 伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機的一種控制器， 伺服驅(qū)動器其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分。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，可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（ IPM）為核心設計的驅(qū)動電路 ,IPM 內(nèi)部集成了驅(qū)動電路 ,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路 ,在主回路中還加入軟啟動電路 ,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 50 頁 驅(qū)動器一般采用 位置、速度和力矩三種控制方式，主要應用于高精度的定位系統(tǒng) ，是伺服系統(tǒng)必不可少的組件。 本設計選用 臥龍系列的 WLSA10 型號伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器的外形及尺寸如圖 41 所示。 a．側(cè)面 圖 41 WLSA10 型 伺服驅(qū)動器的外形及尺寸 WLSA10 型伺服驅(qū)動器 的規(guī)格如下： 型號 WLSA10 輸入電源 單相或三相 AC220V 15~+10% 50/60Hz 使用 環(huán)境 溫度 工作： 0~40186。C 存貯： 40186。C~50186。C 適度 40%~80%（無結(jié)露） 大氣壓強 86~106kpa 控制方法 ① 位置控制 ② 速度控制 ③ 轉(zhuǎn)矩控制 ④ JOG 運行 再生控制 內(nèi)置或外置 特性 速度頻率響應 200Hz 或更高 速度波動率 177。 （負載 0~100%） ； 177。 （電源 15~+10%） 調(diào)速比 1： 5000 脈沖頻率 ≤ 500KHz 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 50 頁 控制輸入 ① 輸入使能 ② 報警清除 ③ CCW 驅(qū)動禁止 ④ CW 驅(qū)動 禁止 ⑤ 偏差計數(shù)器清零 /速度選擇 1/零速箝位 ⑥ 指令 脈沖禁止 / 速度選擇 2 ⑦ CCW 轉(zhuǎn)矩限制 ⑧ CW 轉(zhuǎn)矩限制 控制輸出 ① 伺服準備好 ② 伺服報警 ③ 定位完成 /速度到達④ 機械制動釋放 ⑤ 轉(zhuǎn)矩限制中 ⑥ 零速檢出 位置控制 輸入方式 ① 脈 沖 +符號 ② CCW 脈沖 /CW 脈沖 ③ 兩相 A/B 正交脈沖 電子齒輪 1/5050 反饋脈沖 2500 線 /轉(zhuǎn) 速度控制 4 種內(nèi)部速度和模擬速度外部控制 監(jiān)視輸出 轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩、電機電流 保護功能 轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩、電機電流 超速、主電源過壓欠壓、過流、過載、制動異常、 編碼器異常、控制電源異常、位置超差等 通訊功能 Windows 界面下參數(shù)設定，運行操作，狀態(tài)監(jiān)視 適用負載慣量 小于電機慣量的 5 倍 變頻器的選擇 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用 將工頻電源 |穩(wěn)壓器變換為另一頻率的電能控制裝置?？煞譃榻?—— 交變頻器 ； 交 —— 直 —— 交變頻器 ； 交 —— 交變頻器可直接把交流電變成頻率和電壓都可變的交流電 ； 交 —— 直 —— 交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，再經(jīng)過逆變器把這個直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電 。 本設計選用三菱 S500 型變頻器（圖 42） ，該型號屬 交 —— 直 —— 交變頻器 ，其工作電壓為常見的兩相 220V交流電，使其通用性更強。三菱 S500型變頻器的設計規(guī)格如下： 圖 42 三菱 S500 型變頻器 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 共 50 頁 形式 FR— S500S— — CH 使用電機容量 輸 出 額定容量 額定電流 額定過負荷電流 150% 60s 200 （ 反時限特性 ） 電壓 3 相 200 ～ 240V 50Hz/60Hz 電 源 額定輸入交流電壓 、 頻率 單相 200 ～ 240V 50Hz/60Hz 交流電壓允許變動范圍 170～ 264V 50Hz/60Hz 頻率允許變動范圍 177。 5%以內(nèi) 電源設備容量 控制方 式 可選擇柔性 PWM 控制 /高載波頻率 PWM 控制 V/F 控制 、 自動轉(zhuǎn)矩提升控 制 輸出頻率范圍 ～ 120Hz （ 啟動頻率 0～ 60Hz 可變 ） 保護構(gòu)造（ JEM1030） 封閉型 (IP20) 冷卻方式 自冷 環(huán) 境 周圍溫度 — 10176。 C～ + 50176。 C （ 不凍結(jié) ） 周圍濕度 90 %RH 以下 （ 不結(jié)露 ） 保存溫度 — 20176。 C～ + 65176。 C 周圍環(huán)境 室內(nèi) （ 無腐蝕性氣體 、 易燃性氣體 、 油霧 、 塵埃等 ） 海拔高度 、振動 海拔 1000m 以下 178。 （ JIS C 0040 標準 ） 進給軸伺服電機的選擇 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降 。 在電機選型中， 原則上應該 根據(jù)負載條件來選擇伺服電機 。 在電機軸上所 加 的負載有兩種 ， 即阻尼轉(zhuǎn)矩和慣量負載 。選型時一般要滿足： 電機最大轉(zhuǎn)速大于系統(tǒng)所需的最高移動轉(zhuǎn)速； 電機的轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量相匹配； 電機額定扭不小于連續(xù)負載工作扭力； 電機最大輸出 扭力大于系統(tǒng)所需最大扭力（加速時扭力）。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 23 頁 共 50 頁 但是本設計要選用的伺服電機是用于數(shù)控車床實訓臺上的，其工作時基本沒有外加負載，因此在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子慣量、額定扭力等條件上沒有嚴格的要求，只需和所選伺服電機驅(qū)動器的相關參數(shù)匹配即可。因此在此我們選用與三菱 S500 伺服驅(qū)動器較為匹配的 博美德 SM60 系列的 SM 6001330LFB 型伺服電機。 其主要相關工作參數(shù)如下： 電機型號 SM 6001330LFB 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 3000rpm 額定功率 額定電流 轉(zhuǎn)子慣 量 10 4? Kgm2 機械時間常數(shù) 編碼器線數(shù) 2500C/T 電機絕緣等級 F 級 工作用電環(huán)境 AC220V 15%～ +10% 50/60Hz 使用環(huán)境 環(huán)境溫度： 0～ 55℃ 濕度：小于 90%（無結(jié)露） 主軸電機的選擇 數(shù)控機床的 主軸軸系是高速、高精度主軸的主體。為使主軸軸系在極寬的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常平穩(wěn)工作，必須有合理完善的軸系結(jié)構(gòu)分析，使其工作轉(zhuǎn)速 遠離其固有頻率，否則會引起巨大的振動，不利主軸的良好運轉(zhuǎn)。主軸電機用于接受驅(qū)動控制器提供的中頻電，使其電能轉(zhuǎn)換為主軸的機械能。為適應數(shù)控機床在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，實現(xiàn)低速大扭矩的特殊性，電機常被設計為恒功率制。高轉(zhuǎn)速電主軸的支撐通常選用角接觸球軸承。這類軸承可承受較大的軸向載荷和徑向載荷。根據(jù)工作狀況和轉(zhuǎn)速要求，可選用油脂潤滑和油氣潤滑。必要時，還需選用陶瓷球混合型軸承，以提高滾動體的強度和耐熱性。 但是作為作為數(shù)控車床實訓臺的主軸，它在工作目的是演示實際工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)控車床的主軸控制原理、運行狀態(tài)等，而外加負載也 幾乎不存在，因此對主軸動力系統(tǒng) —— 主軸電機的要求也沒有實際生產(chǎn)中那么嚴格。只需考慮其 實用 性、 穩(wěn)定性、中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 24 頁 共 50 頁 經(jīng)濟型、與變頻器的匹配性等基本要求即可。本設計我們選用 主軸電機是 西門子公司的 1LG0 0906AA 型低壓三相交流異步電動機， 其技術參數(shù)如下： 電機型號 1LG0 0906AA 額定功率 額定轉(zhuǎn)速 910rpm 額定電壓 220VD/380VY 效率 69% 功率因數(shù) 額定電流 額定轉(zhuǎn)矩 實訓臺必需的 其他組件 對以數(shù)控實訓臺來說， 其主要的控制組件有數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動器、變頻器，要實現(xiàn)數(shù)控車床的工作演示，還要有支持運動機械本體：進給軸電機、主軸電機和自動刀庫電機。而為了使 整臺數(shù)控車床實訓臺完整的鏈接起來，還必須要實訓臺所需的電元器件。這些電元器件在不同的模塊中起著至關重要的作用 ，對于電元器件的選擇上，我們也要根據(jù)實際情況，因為我們設計的是數(shù)控車床實訓臺而不是實際工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)控車床，因此元器件選擇上可能和設計實際生產(chǎn)中的數(shù)控車床會有所不同。 在 工業(yè)生產(chǎn)中選擇自動換刀裝置電機時會選擇滿足一定扭矩條件的電機，而我們在實訓臺設計中，因為自動換刀 裝置只是一個演示的裝置，工作時基本沒有負載，所以對我們選擇電機時對電機的負載能力、扭矩等沒有嚴格的要求，我們就會選擇普通的 24V 直流電機。 電源、 漏電保護器、斷路器、交流接觸器，繼電器、三色燈、傳感器、 電壓表、電流表、 電纜線等元器件的選擇是要求也很簡單，只要滿足實訓臺正常、穩(wěn)定、安全得運行即可。因為選擇的空間較大，我們在此不對元器件的規(guī)格及型號的選擇做具體的闡述。 此 外相關的硬件選擇還要準遵循經(jīng)濟適用、 結(jié)構(gòu)簡單、 可靠性強 、故障率低、便于安裝等原則，以方便作為教學演示及原理透析等工作。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 50 頁 實訓臺的硬件 的連接 系統(tǒng)概述 SINUMERIK 802 C 系統(tǒng)是西門子專門為低端 CNC 機床市場而開發(fā)的經(jīng)濟型CNC 控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有獨立的操作面板及 NC 部分， 結(jié)構(gòu)緊湊， 機床