數(shù)控機床電氣系統(tǒng)工作原理與810D的面板設計
2016-11-14 來源：沈陽新松機器人自動化股份有限公司 作者：梁懷宇江玉龍
摘要：本文改造的數(shù)控車床在保留原車床的功能之下，增加了主軸C軸的分度功能。使得車床可以在正常狀態(tài)下和C軸分度狀態(tài)下自由切換，并且保證了托扳和尾座的快速移動和進給功能。
關鍵詞：A工作原理；面板設計；電氣保護
1.SINUMERIK 810D系統(tǒng)
SINUMERIK810D是一種具有免維護性能的操作面板控制系統(tǒng)，是西門子公司針對中國市場進行性價比優(yōu)化的產(chǎn)品。其核心部件—CCU(數(shù)控驅(qū)動單元)將MMC、OP以及I/O模塊集于一體，具有無電池、無風扇、免維護等特點。該系統(tǒng)具備中文界面的高質(zhì)量顯示面板，易于操作和編程。它可通過生產(chǎn)現(xiàn)場總線PROFIBUS將驅(qū)動器、輸入輸出模塊連接起來，控制六個數(shù)字進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸。驅(qū)動系統(tǒng)的模塊化結構為各種應用提供了最大靈活性，并且易于安裝，可靠性高，布線費用低。該系統(tǒng)是用于控制各類車床和銑床的理想控制系統(tǒng)，非常適合于車間級加工應用。此外，SINUMERIK810D系統(tǒng)中還含有豐富多樣的工藝循環(huán)，以銑床為例，除了常用的鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲循環(huán)以外，還包含對線性排列孔和圓周排列孔進行鉆、鏜、鉸、攻絲的循環(huán)；端面銑削循環(huán)；輪廓銑削循環(huán)；圓形和矩形型腔銑削循環(huán)；長孔銑削循環(huán)；圓周槽和圓弧槽銑削循環(huán)；螺紋銑削循環(huán)等多種銑削循環(huán)的功能。SINUMERIK810D數(shù)控系統(tǒng)采用了當今先進的控制概念、適用于鉆削、銑削以及車削和磨削機床加工的控制。其能力涵蓋了目前絕大多數(shù)大型、特殊、高速、高精度加工機床的要求。SINUMERIK810D數(shù)控系統(tǒng)建立在綜合的系統(tǒng)平臺上，通過系統(tǒng)設定功能而適用于幾乎所有的控制系統(tǒng)，810D與SIMODRIVE 611數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)和SIMATIC S7可編程序控制器一起，構成了一個全數(shù)字控制系統(tǒng)，用于各種復雜零件加工任務，并優(yōu)于其他系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)和控制精度。SINUMERIK810D數(shù)控系統(tǒng)采用開放式系統(tǒng)理念，可以在數(shù)控核心部分使用標準開發(fā)工具而實現(xiàn)用戶指定的系統(tǒng)循環(huán)和編制用戶所需特殊的界面。
1.1 SINUMERIK810D系統(tǒng)的功能
（1）CNC功能。數(shù)控系統(tǒng)可以控制車床、鉆銑床等機床。其可以控制六個進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸的同時保證三軸聯(lián)動，具有直線插補、平面圓弧插補、螺旋線插補、空間圓弧(CIP)插補等控制方式。系統(tǒng)可以進行螺紋加工、變距螺紋加工等加工方式。并且能滿足旋轉(zhuǎn)軸控制、端面和柱面坐標轉(zhuǎn)換(C軸功能)、前饋控制、加速度突變限制、刀具壽命監(jiān)控、主軸準停控制、剛性攻絲、恒線速切削、FRAME功能(坐標的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡象、縮放)。
（2）顯示和操作。系統(tǒng)采用標準TFT液晶顯示器，全PC鍵盤操作。可連接機床控制面板、手持操作單元、軟盤驅(qū)動器等。在操作使用上，其系統(tǒng)用戶界面分成五個工作區(qū)，即：機床、參數(shù)、程序編輯、服務、診斷。
（3）軸的控制。連接SIMODRIVE 61l數(shù)字伺服系統(tǒng)，其可控制六個數(shù)字進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸。其工藝特性：
a.控制精度0.001ram
b.進給速度0.01mm/min-10000m/min
c.主軸轉(zhuǎn)速0.1rpm-99000rpm
d.進給倍率O％-120％(內(nèi)部0％150％)，快速進給倍率200％
（4）PLC編程。S7 300型PLC的輸入輸出點數(shù)是通過擴展模塊的方式實現(xiàn)的，其最多可以有四個機架，每個機架最多可以插8個輸出模塊。
（5）刀具管理。SINUMERIK810D系統(tǒng)的刀具功能是比較有特色的地方，與其他數(shù)控系統(tǒng)不同的是，它并不是每一個刀號只能對應一個刀具半徑值和一個刀具長度值，而是在每一個刀具號下面最多可以存儲9組刀具補償值———每個刀具號(T號)下面包含了9個刀沿號(D號)，每個刀沿中都可以單獨存儲一個刀長補償值和一個刀具半徑補償值。這樣做的好處是可以為每把刀具設定多個刀偏值，分別用于粗加工、半精加工以及精加工，卻不必擔心由于占據(jù)了多個D號而與其他的刀具發(fā)生混亂。
（6）安全與診斷
整個CNC系統(tǒng)可對其各部分的運行進行實時監(jiān)控，當有故障發(fā)生時，系統(tǒng)除對相應部分進行保護外，并可進行自我診斷，在顯示器上顯示報警信息。同時增加了安全鎖，可對用戶分級，對各級用戶賦予不同的操作。
2.操作及工作原理
2.1系統(tǒng)上電
（1）接通主電源：首先合上電氣控制柜的總空氣開關。控制柜電源指示燈亮。
（2）啟動810D系統(tǒng)：按操作面板上的“系統(tǒng)啟動”按鈕，“機床有電”指示燈亮，(顯示屏進入主界面)，810D數(shù)控系統(tǒng)啟動成功。
（3）啟動液壓系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)操作面板上的“液壓啟停”開關至啟動位置(如果液壓系統(tǒng)不工作或液壓系統(tǒng)工作不正常，其它功能均不能實現(xiàn))。檢查液壓系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)正常工作壓力為2Mpar。
2.2主電機啟動及點動
（1）主電機啟動操作：主電機有兩種運行方式，即工作運行(常車切削)和點動運行。工作運行有正、反常車。設有啟動及停止按鈕；點車運行是為了裝工件，工件調(diào)整和對刀調(diào)整等，因此設有正點動按鈕、反點動按鈕。
（2）普通車床功能：主電機正轉(zhuǎn)起動主軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)原普通車床功能。注意：主電機啟動前，保證A、B、C換擋手柄嚙合才能實現(xiàn)(只有C手柄離開1：4和1：l的空檔處時，PLC控制離合器齒輪脫開，C軸伺服使能失效，主軸才能啟動)。啟動主電機，主軸旋轉(zhuǎn)，進入原普通車床功能。具體步驟如下：將主軸C變速手柄移動至任意檔位(不能停在1：4和1：l之間位置)，接近開關不發(fā)出信號，PLC控制液壓離合器松開電磁鐵1DT，油缸推動離合器使齒輪脫開(C軸電機和主軸脫離)，“C軸嚙合”指示燈亮。此時，可以使用原機床的各項進給及主軸功能。
2.3主電機的制動
本機床采用能耗制動。即當按壓停車按鈕SBll(SBlo)，延時后，KM2、KM5相繼失電而KM6得電，電機定子繞組串接，整流二極管D投入工作，定子繞組通過半波整流后的脈動直流而產(chǎn)生制動力矩，電動機開始制動，延時2兩秒后斷開。
2.4快速及進給電氣傳動控制
（1）托扳、滑板移動方向及其選擇：機床托扳裝有左、右、前、后快速移動或進給的離合器。控制托板快速或走刀。其方向由面板上的“方向選擇開關”來選擇。其動力由快速電機和走刀電機分別拖動。
（2）托扳、滑板工作制及其選擇：托扳、滑板的工作方式分為快速和進給。工作狀態(tài)由方向選擇開關選擇。說明：無論何種工作方式，何種方向的操作，其電氣控制線路原理相仿，只是快速時，其操作方法和點動方式相同，進給運動為常車形式而異。(注意：只有在原普通車床和C軸非使能狀態(tài)時，才可以使用托板和尾座快速功能。若要使用托板進給功能，主電機必須運行。因為進給速度由主電機的速度決定)。若要停止進給，按壓“走刀停止”按鈕即可停止。此時電磁離合器脫開，走刀就迅速停止進給。3.810D面板設計西門子SINUMERIK810D屬于緊湊型的數(shù)控系統(tǒng)，它將顯示屏集成在MMC當中，MCP面板包括了手輪、鍵盤。在安裝過程中西門子公司給出了標準的安裝尺寸和模式。我們設計了車床主軸以及電機的控制面板如圖3.1，同時在完成安裝后的810D控制面板圖如圖3.2所示。
3.電器保護
(1)各分支電路均設有自動空氣開關。
(2)各電機分支電路均安裝有電動機保護型斷路器。
(3)液壓泵保護。
油泵采用自動空氣開關作短路和過熱保護。在運轉(zhuǎn)中，當發(fā)生故障時，其自動空氣開關自動跳閘，這時機床的所有動作均不能動作。機床運轉(zhuǎn)前首先必須開動油泵，不然主軸、快速進給及走刀均都不能開動。
(4)C軸和原機床主軸的互鎖，C軸使能狀態(tài)和原普通車床狀態(tài)互鎖。
4.結論
本文設計的機床控制系統(tǒng)采用西門子SINUMERIK810D數(shù)控系統(tǒng)，伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用了SIMODRIVE611D模塊和1FK7系列伺服電機，在伺服電機與主軸之間安裝減速器和機械傳動裝置從而達到大減速比的要求，實現(xiàn)了系統(tǒng)C軸的精確分度功能。并根據(jù)需要設計了基于SINUMERIK810D系統(tǒng)的面板
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