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基于西門子SINUMERIK 808D數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

0  引言

CIMES 2012期間，西門子發(fā)布了其新產(chǎn)品SINUMERIK 808D數(shù)控系統(tǒng)，從此掀起了向經(jīng)濟(jì)型市場(chǎng)進(jìn)攻的新一輪高潮。借助于SINUMERIK 808D 這款新產(chǎn)品, 西門子為經(jīng)濟(jì)型車床和銑床提供了新的數(shù)控技術(shù)。這款結(jié)構(gòu)緊湊、具有友好用戶體驗(yàn)的數(shù)控控制器適用于經(jīng)濟(jì)型的車削和銑削應(yīng)用, 并將會(huì)在將來逐步替代現(xiàn)有的SINUMERIK 802S/C控制器。

SINUMERIK 808D分為兩個(gè)版本，銑床版和車床版，本文以車床版為例，講解配合數(shù)控系統(tǒng)的外圍電氣控制線路的設(shè)計(jì)。

1  數(shù)控系統(tǒng)的供電

SINUMERIK 808D使用直流24V電源，通過接口X1與直流24V電源連接。系統(tǒng)所使用的電源建議與PLC輸入輸出的24V電源獨(dú)立。直流電源的容量和質(zhì)量是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。進(jìn)行24V直流電源容量計(jì)算時(shí)，至少需要注意以下4個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）數(shù)控系統(tǒng)瞬時(shí)啟動(dòng)消耗的電流為5A，正常運(yùn)行消耗的電流為1.5A。

（2） 驅(qū)動(dòng)器SINAMICS V60消耗的24V電流，若不帶抱閘電機(jī)時(shí)，為0.8A/軸，帶抱閘電機(jī)時(shí)為1.2A/軸。

（3）PLC輸入輸出點(diǎn)的最大負(fù)載能力為0.25A/輸入點(diǎn)。

（4）機(jī)床上使用的其他電氣設(shè)備（如電磁閥、風(fēng)扇、指示燈等），根據(jù)銘牌標(biāo)識(shí)計(jì)算[1]。

另外再考慮工廠內(nèi)部的設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮相關(guān)冗余量。

2  伺服控制系統(tǒng)電氣控制線路設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)完成進(jìn)給軸速度和位移的控制，直接決定所加工零件的精度和質(zhì)量。對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，進(jìn)給軸一般為半閉環(huán)控制，西門子推薦SINAMICS V60伺服驅(qū)動(dòng)器與808D數(shù)控系統(tǒng)配套使用，當(dāng)然也可以使用其他廠家的驅(qū)動(dòng)器。

SINUMERIK 808D數(shù)控系統(tǒng)通過脈沖驅(qū)動(dòng)接口X51、X53接口輸入輸出進(jìn)給軸控制信號(hào)，本文以X軸接口X51為例簡(jiǎn)述與伺服驅(qū)動(dòng)器的連接。如圖1所示為808D與V60連接示意圖。V60的X5接口接收來自于808D的軸控制信號(hào)，包括脈沖（PULS）、方向（DIR）和使能（ENA）信號(hào)。V60的X6接口，其中RST引腳接收來自于數(shù)控系統(tǒng)的報(bào)警清除信號(hào)，ALM引腳輸出驅(qū)動(dòng)報(bào)警信號(hào)至數(shù)控系統(tǒng)，RDY引腳輸出“驅(qū)動(dòng)就緒”信號(hào)至數(shù)控系統(tǒng)，Z-M引腳輸出零脈沖信號(hào)至數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)需要利用此信號(hào)完成回零操作[2]。另外，+24V引腳接收來自于數(shù)控系統(tǒng)的直流電源，M24引腳同理，注意：由于V60的+24V電源來自于數(shù)控系統(tǒng)的脈沖驅(qū)動(dòng)接口，此接口由數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字量輸出接口X200供電，所以即使X200的數(shù)字輸出量用戶不使用，但X200接口的+24V、M信號(hào)也必須連接。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，808D數(shù)控系統(tǒng)與之前的802C連接不同，808D根本沒有位置反饋輸入的接口，所以電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)的PID調(diào)節(jié)全部交由伺服驅(qū)動(dòng)完成，數(shù)控系統(tǒng)只是負(fù)責(zé)發(fā)出指令而已。

3  主軸控制系統(tǒng)電氣控制線路設(shè)計(jì)

數(shù)控車床的主軸帶動(dòng)工件高速旋轉(zhuǎn)，通過與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成零件的切削。對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床而言，主軸只需要能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速即可，這可以通過普通變頻器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)轉(zhuǎn)向的不同控制方式可以分為單極性主軸和雙極性主軸兩類。

3.1  單極性主軸

單極性主軸連接示意圖如圖2所示，X54為808D主軸控制信號(hào)輸出接口，AO和AGND引腳輸出0~10V模擬量電壓信號(hào)控制主軸的轉(zhuǎn)速，使能信號(hào)一般不用。轉(zhuǎn)向由快速輸入輸出接口X21的CW和CCW信號(hào)輸出?？焖佥斎胼敵鍪怯蒒C直接控制的數(shù)字量輸入輸出接口，用于需要NC快速響應(yīng)的場(chǎng)合。

作為車床，車削螺紋是必須的功能，所以數(shù)控系統(tǒng)的X60接口接收來自與主軸編碼器的信號(hào)。

3.2  雙極性主軸

與單極性主軸不同，雙極性主軸轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制信號(hào)都由X54輸出，所以AO和AGND引腳輸出±10V的模擬量電壓指令，指令電壓的正負(fù)即代表了旋轉(zhuǎn)的方向，此時(shí)主軸使能信號(hào)應(yīng)該連接上，如圖3所示。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，無論是單極性主軸抑或雙極性主軸，808D的X60接口都連接了主軸編碼器，但此處的編碼器與進(jìn)給軸的編碼器有本質(zhì)的區(qū)別。對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床而言，主軸的編碼器并不是為了構(gòu)成主軸轉(zhuǎn)速的半閉環(huán)控制而是車削螺紋的需要，事實(shí)上數(shù)控車床的主軸轉(zhuǎn)速就是一個(gè)開環(huán)控制，鑒于主軸轉(zhuǎn)速對(duì)于被加工的零件質(zhì)量的影響程度，也沒必要完成轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

4  其他輔助功能的電氣控制線路設(shè)計(jì)

關(guān)于冷卻、刀架等相關(guān)輔助功能，都是標(biāo)準(zhǔn)連接，此處不再贅述，需要注意的是：西門子數(shù)控系統(tǒng)在出廠時(shí)都配置有相應(yīng)的樣例PLC程序，相應(yīng)的PLC輸入輸出點(diǎn)已經(jīng)定義完成，設(shè)計(jì)控制線路時(shí)需要據(jù)此連接，才能保證軟硬件的配合。

5  結(jié)束語

SINUMERIK 808D在電氣連接方面相對(duì)于上一代的802C/S又簡(jiǎn)化了很多，關(guān)于進(jìn)給軸的所有輸入輸出控制信號(hào)全部集中在X51~X53接口，原來的反饋接口也已經(jīng)取消，位置環(huán)的計(jì)算交給伺服驅(qū)動(dòng)去完成，這進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為今后的維護(hù)維修也帶來了方便。數(shù)控機(jī)床是當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)的主流裝備，入門級(jí)或經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的需求很大程度上反映了全球標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床市場(chǎng)的需求[3]，因此經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床有著它廣闊的市場(chǎng)，作為工程技術(shù)人員我們有責(zé)任和義務(wù)開發(fā)出適應(yīng)中國(guó)國(guó)情的數(shù)控機(jī)床，為中國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的力量。