【正文】 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 25 頁 共 50 頁 實(shí)訓(xùn)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(jī)床市場而開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型CNC 控制系統(tǒng)。因?yàn)檫x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。 在 工業(yè)生產(chǎn)中選擇自動換刀裝置電機(jī)時會選擇滿足一定扭矩條件的電機(jī)，而我們在實(shí)訓(xùn)臺設(shè)計(jì)中，因?yàn)樽詣訐Q刀裝置只是一個演示的裝置，工作時基本沒有負(fù)載，所以對我們選擇電機(jī)時對電機(jī)的 負(fù)載能力、扭矩等沒有嚴(yán)格的要求，我們就會選擇普通的 24V 直流電機(jī)。而為了使 整臺數(shù)控車床實(shí)訓(xùn)臺完整的鏈接起來，還必須要實(shí)訓(xùn)臺所需的電元器件。只需考慮其 實(shí)用 性、 穩(wěn)定性、中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 24 頁 共 50 頁 經(jīng)濟(jì)型、與變頻器的匹配性等基本要求即可。必要時，還需選用陶瓷球混合型軸承，以提高滾動體的強(qiáng)度和耐熱性。這類軸承可承受較大的軸向載荷和徑向載荷。為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)低速大扭矩的特殊性，電機(jī)常被設(shè)計(jì)為恒功率制。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(yuǎn)離其固有頻率，否則會引起巨大的振動，不利主軸的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。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(jī)。選型時一般要滿足： 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速大于系統(tǒng)所需的最高移動轉(zhuǎn)速； 電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配； 電機(jī)額定扭不小于連續(xù)負(fù)載工作扭力； 電機(jī)最大輸出扭力大于系統(tǒng)所需最大扭力（加速時扭力）。 在電機(jī)選型中， 原則上應(yīng)該 根據(jù)負(fù)載條件來選擇伺服電機(jī) 。 （ JIS C 0040 標(biāo)準(zhǔn) ） 進(jìn)給軸伺服電機(jī)的選擇 伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，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(jī)軸上的角位移或角速度輸出。 C～ + 65176。 C～ + 50176。三菱 S500型變頻器的設(shè)計(jì)規(guī)格如下： 圖 42 三菱 S500 型變頻器 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 22 頁 共 50 頁 形式 FR— S500S— — CH 使用電機(jī)容量 輸 出 額定容量 額定電流 額定過負(fù)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。可分為交 —— 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 。 （負(fù)載 0~100%） ； 177。C~50186。 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。 本設(shè)計(jì)選用 臥龍系列的 WLSA10 型號伺服驅(qū)動器。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 ,在主回路中還加入軟啟動電路 ,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。 4． 2 數(shù)控車床實(shí)訓(xùn)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(jī)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(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分。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。 （ 5）電路設(shè)計(jì)時，充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力，因?yàn)椴煌碾娐酚胁煌尿?qū)動能力，對后級系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣。 （ 3）系統(tǒng)擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，已被將來進(jìn)行修改、擴(kuò)展。 本課題設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)臺 以車床實(shí)驗(yàn)為主， 為使數(shù)控車床實(shí)訓(xùn)臺硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于合理化，在設(shè)計(jì)過程中著重考慮如下幾個方面 ： （ 1）盡量選用標(biāo)準(zhǔn)化、 開放式、 模塊化地經(jīng)典電路，從而提高設(shè)計(jì)的成功率。 數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)臺的要達(dá)到的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)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(shè)計(jì)； （ 3）數(shù)控系統(tǒng)的基本操作； （ 4）數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與調(diào)試； （ 5）輸入輸出接口信號的應(yīng)用； （ 6）進(jìn)給軸驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)試； （ 7）主軸變頻器的原理與應(yīng)用； （ 8）電動刀架的控制； （ 9） PLC 的編程與應(yīng)用； （ 10）故障診斷與維修； （ 11）加工中心刀具庫的應(yīng)用； （ 12）數(shù)控車床的編程操作。 （ 5）主軸模塊：主軸電機(jī)采用變頻器控制，并設(shè)計(jì)有主軸編碼器用于速度反饋。 （ 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(jìn)給軸和 1 個模擬主軸。 （ 2）單相 220V 交流電源供 電，漏電保護(hù)器控制總電源，控制屏的供電由鑰匙開關(guān)和啟停開關(guān)控制。 數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)臺的 基本配置 （ 1） 由控制屏和實(shí)訓(xùn)桌組成。 （ 2）操作錯誤提示。 故障報(bào)警。 （ 2）程序操作 程序的輸入輸出：手工鍵盤輸入、網(wǎng)絡(luò)通訊輸 入等； 程序編輯； 程序管理。 （ 3）保護(hù)控制 正負(fù)行程的軟硬控制演示； 進(jìn)給高低速限制； 主軸高低速限制； （ 4）輔助功能控制 包括冷卻泵、照明控制及其他輔助控制。 3． 3 數(shù)控車床 實(shí)訓(xùn)臺 的 設(shè)計(jì) 要求 數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)臺的控制功能 （ 1） 運(yùn)動控制 軸控能力：實(shí)現(xiàn) X、 Z 兩直線移動軸的聯(lián)動位置模擬控制； 主軸控制：包括主軸的開停，正反轉(zhuǎn)控制，速度設(shè)置及速度控制； 進(jìn)給速度控制：包括運(yùn)動進(jìn)給速度設(shè)置，速度倍率調(diào)整， 自動加減速度控制等； 手動控制：點(diǎn)動進(jìn)給，手動速度調(diào)整。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17 頁 共 50 頁 （ 4） 工藝能力強(qiáng)。數(shù)控車床適用 70%以上的多品種、小批量零件的自動加工，具有高柔性。其加工效率比普通車床提高 2～ 5 倍。 （ 2） 高效率。 數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn) （ 1） 高精度。 （ 6） 模塊化設(shè)計(jì)。 （ 5） 自動換刀。 （ 4） 加工冷卻充分、防護(hù)較嚴(yán)密。 （ 3） 輕拖動、潤滑好、排屑方便，機(jī)床壽命較長。數(shù)控車床的總體結(jié)構(gòu)剛性好、抗震性好，能夠使主軸的轉(zhuǎn)速更高，實(shí)現(xiàn)高速、強(qiáng)力切削。沿縱、橫兩個坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動是通過用伺服電動機(jī)直接與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)帶動刀架運(yùn)動，伺服電動機(jī)與絲桿間也可以用同步皮帶或齒輪副聯(lián)結(jié)。從某種意義上說，數(shù)控機(jī)床的功能主要取決于數(shù)控裝置，而數(shù)控機(jī)床的性能主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 伺服單元和驅(qū)動裝置合稱為伺服驅(qū)動系統(tǒng)，它是機(jī)床工作的動力 裝置，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的指令要靠伺服驅(qū)動系統(tǒng)付渚實(shí)施，伺服驅(qū)動裝置包括主軸驅(qū)動單元 (主要控制主軸的速度 )，進(jìn)給驅(qū)動單元 (主要是進(jìn)給系統(tǒng)的速度控制和位置控制 )。 （ 5） 驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置把經(jīng)過伺服單元放大的指令信號變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動，通過機(jī)械連接部件驅(qū)動機(jī)床工作臺，使工作臺精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對運(yùn)動，加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。因此，伺服單元是數(shù)控裝置與機(jī) 床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它把來自數(shù)控裝置的微弱指令信號放大成控制驅(qū)動裝置的大功率信號。 （ 4） 伺服單元 伺服單元接收來自數(shù)控裝置的速度和位移指令。它還接收機(jī)床操作面板的指令，一方面直接控制機(jī)床的動作 (如手動操作機(jī)床 )，另一方面將一部分指令送往數(shù)控裝置用于加工過程的控制。數(shù)控裝置主要包括微處理器 (CPU)、存儲器、局部總線、外圍邏輯電路以及與 CNC 系統(tǒng)其他組成部分聯(lián)系的接口等。它接受的是輸入裝置送來的脈沖信號，信號經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令，控制機(jī)床的各個部分，使其進(jìn)行規(guī)定的、有序的動作。顯示的信息可以是正在編輯的程序、坐標(biāo)值，以及報(bào)警信號等。輸出裝置是顯示器，有 CRT 顯示器或彩色液晶顯示器兩種。 圖 35 數(shù)控機(jī)床的硬件構(gòu)成 （ 1）輸入和輸出裝置 （ I/O） 輸入和輸出裝置是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和操作人員進(jìn)行信息交流、實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的交互設(shè)備．輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼變成相應(yīng)的電脈沖信號，傳送并存入數(shù)控裝置內(nèi)。 圖 34 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 50 頁 數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床一般由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置 (CNC)、伺服單元、驅(qū)動裝置 (或稱執(zhí)行機(jī)構(gòu) )、可編程控制器 (PLC)及電氣控制裝置、輔助裝置、機(jī)床本體及測量裝置組成。 這種用推算方法間接測量工作臺位移，不能補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床傳動鏈零件的誤差，因此稱之為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 推算出工作臺的位移量，反饋到 CNC 裝置的比較器中。 圖 33 閉環(huán)控制系統(tǒng) 3）半閉環(huán)控制系統(tǒng) 。位置比較電路將測量元件反饋的工作臺實(shí)際位移值與指令的位移值相比較，用比較的誤差值控制伺服電機(jī)工作，直至到達(dá)實(shí)際位置 ，誤差值消除，此稱之為閉環(huán)控制。 這種控制系統(tǒng)絕大多數(shù)采用 伺服電機(jī) ，有位置測量元件和位置比較電路。開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)備成 本低，調(diào)試方便，操作簡單，但控制精度低，工作速度受到步進(jìn)電機(jī)的限制。 程序設(shè)計(jì) 編寫程序單 穿孔制帶 數(shù)控制帶 伺服系統(tǒng) 機(jī)床加工 零件成品 零件圖紙 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 50 頁 1）開環(huán)控制系統(tǒng) 。 （ 2） 進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制 由數(shù)控裝置發(fā)出脈沖或電壓信號，通過伺服系統(tǒng)控制 機(jī)床 各運(yùn)動部件運(yùn)動。 連續(xù)控制運(yùn)動也稱為輪廓控制運(yùn)動，指 刀具 或工作臺按工件的輪廓軌跡運(yùn)動，運(yùn)動軌跡為任意方向的直線、圓弧、拋物線或其它函數(shù)關(guān)系的曲線。 直線控制運(yùn)動指刀具或工作臺以給定的速度按直線運(yùn)動。 點(diǎn)位控制運(yùn)動指刀具相對工件的點(diǎn)定位，一般對刀具運(yùn)動軌跡無特殊要求 ，為提高生產(chǎn)效率和保證定位精度，機(jī)床設(shè)定快速進(jìn)給，臨近終點(diǎn)時自動降速，從而減少運(yùn)動部件因慣性而引起的定位誤差。具體地說，將刀具移動軌跡等加工信息用數(shù)字化的代碼記錄在程序介質(zhì)上，然后輸入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過譯碼、運(yùn)算，發(fā)出指令，自動控制機(jī)床上的刀具與工件之間的相對運(yùn)動，從而加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件， 其工作過程如下： 圖 31 數(shù)控機(jī)床加工工作過程 （ 1） 數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動軌跡 數(shù)控機(jī)床運(yùn)動軌跡主要有三種形式： 點(diǎn)位控制運(yùn)動、直線控制運(yùn)動和連續(xù)控制運(yùn)動 。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 26 是 SINUMERIK 802C 系統(tǒng)的主要軟件功能菜單項(xiàng)。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 。 CNC 系統(tǒng)的核心是 CNC 裝置。 主要軟件功能 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)。 14）齒輪級：在此顯示當(dāng)前主軸的齒輪級。 12）垂直菜單：出現(xiàn)此符號時表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。 10）擴(kuò)展鍵：出現(xiàn)此符號表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。 8）工作窗口：工作窗口和 NC 顯示。 6）程序名。 4）狀態(tài)顯示：程序段跳躍、空運(yùn)行、快速修調(diào)、單段運(yùn)行、程序停止、程序測試、步進(jìn)增量。 圖 24 LCD 顯示屏幕劃分 2）程序狀態(tài)：程序停止；程序運(yùn)行；程序復(fù)位。 LCD 顯示區(qū) 如圖 24 所示， LCD 顯示區(qū)是整個數(shù)控系統(tǒng)的顯示窗口，具體說明如下： 1）當(dāng)前操作區(qū)域：加工、參數(shù)、程序、通訊、診斷。 27）數(shù)控停止鍵：按此鍵，當(dāng)前執(zhí)行的程序中斷執(zhí)行。 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。 23）快速運(yùn)行疊加鍵：在手動方式下，同時按此鍵和一個坐標(biāo)軸點(diǎn)動鍵，坐標(biāo)中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 50 頁 軸按快速進(jìn)給速度點(diǎn)動。 點(diǎn)動鍵 ： 21） X 軸正