【正文】 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 系統概述 SINUMERIK 802 C 系統是西門子專門為低端 CNC 機床市場而開發(fā)的經濟型CNC 控制系統。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。 在 工業(yè)生產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。而為了使 整臺數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。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 經濟型、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。為適應數控機床在寬轉速范圍內，實現低速大扭矩的特殊性，電機常被設計為恒功率制。為使主軸軸系在極寬的轉速轉速范圍內正常平穩(wěn)工作，必須有合理完善的軸系結構分析，使其工作轉速 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。因此在此我們選用與三菱 S500 伺服驅動器較為匹配的 博美德 SM60 系列的 SM 6001330LFB 型伺服電機。選型時一般要滿足： 電機最大轉速大于系統所需的最高移動轉速； 電機的轉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 扭力大于系統所需最大扭力（加速時扭力）。 在電機選型中， 原則上應該 根據負載條件來選擇伺服電機 。 （ 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，在自動控制系統中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機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?？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整流器先整流成直流電，再經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 。 （負載 0~100%） ； 177。C~50186。 a．側面 圖 41 WLSA10 型 伺服驅動器的外形及尺寸 WLSA10 型伺服驅動器 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。 本設計選用 臥龍系列的 WLSA10 型號伺服驅動器。功率器件普遍采用以智能功率模塊（ IPM）為核心設計的驅動電路 ,IPM 內部集成了驅動電路 ,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動器的沖擊。 4． 2 數控車床實訓臺硬件系統的硬件選擇 伺服驅動器的選擇 伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器， 伺服驅動器其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分。值得一提的是，系統的不可靠性很難通過一般的測試手段來確定。 （ 5）電路設計時，充分考慮應用系統各部分的驅動能力，因為不同的電路有不同的驅動能力，對后級系統的輸入阻抗要求也不一樣。 （ 3）系統擴展及各功能模塊的設計在滿足應用系統功能要求的基礎上，留有適當的余地，已被將來進行修改、擴展。 本課題設計的實訓臺 以車床實驗為主， 為使數控車床實訓臺硬件系統設計趨于合理化，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、 模塊化地經典電路，從而提高設計的成功率。 數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）數控車床電氣控制電路的設計； （ 3）數控系統的基本操作； （ 4）數控系統的參數設置與調試； （ 5）輸入輸出接口信號的應用； （ 6）進給軸驅動系統的調試； （ 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）數控車床的編程操作。 （ 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。 （ 3）數控系統單元： 西門子公司的“ SINUMERIK 802C base line”數控系統，可同時控制 2 個數字量控制進給軸和 1 個模擬主軸。 （ 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。 數控機床實訓臺的 基本配置 （ 1） 由控制屏和實訓桌組成。 （ 2）操作錯誤提示。 故障報警。 （ 2）程序操作 程序的輸入輸出：手工鍵盤輸入、網絡通訊輸 入等； 程序編輯； 程序管理。 （ 3）保護控制 正負行程的軟硬控制演示； 進給高低速限制； 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 數控車床 實訓臺 的 設計 要求 數控機床實訓臺的控制功能 （ 1） 運動控制 軸控能力：實現 X、 Z 兩直線移動軸的聯動位置模擬控制； 主軸控制：包括主軸的開停，正反轉控制，速度設置及速度控制； 進給速度控制：包括運動進給速度設置，速度倍率調整， 自動加減速度控制等； 手動控制：點動進給，手動速度調整。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 50 頁 （ 4） 工藝能力強。數控車床適用 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。 數控機床的加工特點 （ 1） 高精度。 （ 6） 模塊化設計。 （ 5） 自動換刀。 （ 4） 加工冷卻充分、防護較嚴密。 （ 3） 輕拖動、潤滑好、排屑方便，機床壽命較長。數控車床的總體結構剛性好、抗震性好，能夠使主軸的轉速更高，實現高速、強力切削。沿縱、橫兩個坐標軸方向的運動是通過用伺服電動機直接與滾珠絲杠聯結帶動刀架運動，伺服電動機與絲桿間也可以用同步皮帶或齒輪副聯結。從某種意義上說，數控機床的功能主要取決于數控裝置，而數控機床的性能主要取決于伺服驅動系統。 伺服單元和驅動裝置合稱為伺服驅動系統，它是機床工作的動力 裝置，計算機數控裝置的指令要靠伺服驅動系統付渚實施，伺服驅動裝置包括主軸驅動單元 (主要控制主軸的速度 )，進給驅動單元 (主要是進給系統的速度控制和位置控制 )。 （ 5） 驅動裝置 驅動裝置把經過伺服單元放大的指令信號變?yōu)闄C械運動，通過機械連接部件驅動機床工作臺，使工作臺精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。因此，伺服單元是數控裝置與機 床本體的聯系環(huán)節(jié)，它把來自數控裝置的微弱指令信號放大成控制驅動裝置的大功率信號。 （ 4） 伺服單元 伺服單元接收來自數控裝置的速度和位移指令。它還接收機床操作面板的指令，一方面直接控制機床的動作 (如手動操作機床 )，另一方面將一部分指令送往數控裝置用于加工過程的控制。數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 系統其他組成部分聯系的接口等。它接受的是輸入裝置送來的脈沖信號，信號經過數控裝置的系統軟件或邏輯電路進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令，控制機床的各個部分，使其進行規(guī)定的、有序的動作。顯示的信息可以是正在編輯的程序、坐標值，以及報警信號等。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 數控機床的硬件構成 （ 1）輸入和輸出裝置 （ I/O） 輸入和輸出裝置是機床數控系統和操作人員進行信息交流、實現人機對話的交互設備．輸入裝置的作用是將程序載體上的數控代碼變成相應的電脈沖信號，傳送并存入數控裝置內。 圖 34 半閉環(huán)控制系統 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 50 頁 數控機床的組成 數控機床一般由輸入輸出設備、數控裝置 (CNC)、伺服單元、驅動裝置 (或稱執(zhí)行機構 )、可編程控制器 (PLC)及電氣控制裝置、輔助裝置、機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，不能補償數控機床傳動鏈零件的誤差，因此稱之為半閉環(huán)控制系統。 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 3）半閉環(huán)控制系統 。位置比較電路將測量元件反饋的工作臺實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工作，直至到達實際位置 ，誤差值消除，此稱之為閉環(huán)控制。 這種控制系統絕大多數采用 伺服電機 ，有位置測量元件和位置比較電路。開環(huán)控制系統的設備成 本低，調試方便，操作簡單，但控制精度低，工作速度受到步進電機的限制。 程序設計 編寫程序單 穿孔制帶 數控制帶 伺服系統 機床加工 零件成品 零件圖紙 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 50 頁 1）開環(huán)控制系統 。 （ 2） 進給伺服系統控制 由數控裝置發(fā)出脈沖或電壓信號，通過伺服系統控制 機床 各運動部件運動。 連續(xù)控制運動也稱為輪廓控制運動，指 刀具 或工作臺按工件的輪廓軌跡運動，運動軌跡為任意方向的直線、圓弧、拋物線或其它函數關系的曲線。 直線控制運動指刀具或工作臺以給定的速度按直線運動。 點位控制運動指刀具相對工件的點定位，一般對刀具運動軌跡無特殊要求 ，為提高生產效率和保證定位精度，機床設定快速進給，臨近終點時自動降速，從而減少運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字化的代碼記錄在程序介質上，然后輸入數控系統，經過譯碼、運算，發(fā)出指令，自動控制機床上的刀具與工件之間的相對運動，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 數控機床加工工作過程 （ 1） 數控機床的運動軌跡 數控機床運動軌跡主要有三種形式： 點位控制運動、直線控制運動和連續(xù)控制運動 。在主菜單下可通過所對應的軟件進入各操作區(qū)域的子菜單、擴展菜單，如圖 26 是 SINUMERIK 802C 系統的主要軟件功能菜單項。數控系統的通過軟件功能來更好的彌補數控機床硬件所不能直接完成的控制 。 CNC 系統的核心是 CNC 裝置。 主要軟件功能 數控系統 根據 計算機 存儲器中存儲的控制 程序 ，執(zhí)行部分或全部 數值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的 專用計算機 系統。 14）齒輪級：在此顯示當前主軸的齒輪級。 12）垂直菜單：出現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 可用光標進行選擇。 10）擴展鍵：出現此符號表明同級菜單中存在其它菜單，按下擴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、空運行、快速修調、單段運行、程序停止、程序測試、步進增量。 圖 24 LCD 顯示屏幕劃分 2）程序狀態(tài)：程序停止；程序運行；程序復位。 LCD 顯示區(qū) 如圖 24 所示， LCD 顯示區(qū)是整個數控系統的顯示窗口，具體說明如下： 1）當前操作區(qū)域：加工、參數、程序、通訊、診斷。 27）數控停止鍵：按此鍵，當前執(zhí)行的程序中斷執(zhí)行。 25） X 軸負向點動鍵：在手動方式下按動 此鍵， X 軸向負方向點動。 23）快速運行疊加鍵：在手動方式下，同時按此鍵和一個坐標軸點動鍵，坐標中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 50 頁 軸按快速進給速度點動。 點動鍵 ： 21） X 軸正向點