加工中心電氣系統(tǒng)的改造設(shè)計
2019-6-28 來源： 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 作者：來 華
摘 要: 針對某職業(yè)學校 HASS VF－3D 立式加工中心頻繁出現(xiàn)故障影響教學的情況，對該加工中心進行改造，設(shè)計了一種實訓型加工中心。介紹了加工中心數(shù)控系統(tǒng)的選型，闡述了加工中心電氣系統(tǒng)改造硬件設(shè)計，系統(tǒng)試運行成功。
關(guān)鍵詞: 加工中心; 電氣系統(tǒng); 改造
0 引言
本文所研究的對象是某職業(yè)學校實訓車間的一臺 HASSVF－3D 立式加工中心。
這臺加工中心已經(jīng)使用多年，在經(jīng)歷了多次的大型維修之后，還是經(jīng)常出現(xiàn)故障，對教學造成了嚴重的影響，為此本文針對這一情況對加工中心進行改造。本文考慮到該加工中心機床部分基本完好而數(shù)控系統(tǒng)等已經(jīng)無法繼續(xù)使用，打算改造為一種實訓型加工中心。
首先將原有的數(shù)控系統(tǒng)進行更換，同時在原有的系統(tǒng)中變頻器和伺服驅(qū)動器與原有的數(shù)控系統(tǒng)是通過一個保密的協(xié)議進行通信的，新的系統(tǒng)無法與原有的變頻器與伺服驅(qū)動器進行通信，所以也要更換掉。
如果伺服驅(qū)動器更換了，那么伺服電機也要進行更換。對于主軸電機來說，由于其功率相對來說是比較大的，同時現(xiàn)階段的運行過程中也沒有出現(xiàn)太多的異常，所以可以繼續(xù)使用。另外機械部分的一些改造工作僅僅只為了配合系統(tǒng)電氣部分的改造工作，不用進行太多的改變。
1 、數(shù)控系統(tǒng)的選型
由于本文設(shè)計的是實訓型加工中心，因此在整個加工中心的改造工作里面最為核心的就是數(shù)控系統(tǒng)的改造工作了，必須要選擇一個合適的數(shù)控系統(tǒng)才能夠使工作順利完成，同時數(shù)控系統(tǒng)的其他部分比如變頻器及伺服驅(qū)動也就確定了。
本次加工中心改造的目的是為了使加工中心更能滿足教學的需要，所以設(shè)計的過程中沒有必要過多的追求加工性能，本文選擇了當前主流的西門子數(shù)控系統(tǒng) SINUMERIK 808D，在伺服驅(qū)動方面選擇的是 SINAMICS V60 伺服系統(tǒng)，在主軸方面選擇的是模擬主軸，在變頻器方面選擇的是MICROMASTER420。
2 、電氣系統(tǒng)的設(shè)計與選型
2．1 加工中心伺服系統(tǒng)設(shè)計
對于整個數(shù)控機床來說，比較重要的一個部分就是伺服系統(tǒng)了，因此一定要選擇一個合理適用的。為了使選擇的電機能夠符合改造的要求，其給定負載首先要符合要求，其次再校核負載慣量。
在數(shù)控機床里面，如果一個零件要進行切削加工的時候，伺服電機所輸出的力矩要克服一定的力矩: 恒定的負載力矩以及切削力矩; 機床工作臺加、減速需要的力矩，選擇的伺服電機能夠滿足需求，需要看這個電機是否滿足這個條件: 負載的慣量不能大于電動機本身慣量的 3 倍。
所謂的電機負載慣量就是電機運行過程中由于轉(zhuǎn)動而驅(qū)動物體慣量形成的，要算出每一個運動的物體的慣量，不管其是直線運動還是進行轉(zhuǎn)動的，之后再通過一定的規(guī)則把每個慣量進行折算求和，就能夠算出總慣量。
電機的負載慣量對于電機動態(tài)響應(yīng)的影響是特別巨大的，這些影響會直接影響到被加工零件的質(zhì)量，一旦負載慣量的大小突然變大，期間電機的轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)很大的變化，會需要特別長的加減速時間才能夠得到指令所需的速度，特別是機床高速完成圓弧、樣條等曲線的插補時，所引起的偏差會更大。通常情況下，一切折算到電機軸上負載慣量都必須要小于電機慣量大小的三倍，改造方案 XY 進給軸選型為額定電流 4A 的 SI-NAMICS V60 伺服驅(qū)動器，SIMOTICS 1FL5 SIMOTICS 1FL5 伺服電機選型為 4N·M，Z 進給軸選型為 6A 的驅(qū)動器和 6N·M的伺服電機，通過查閱《SINUMERIK 808D 數(shù)控系統(tǒng)選型樣本》中的電機選型表，這些電機的電機慣性滿足:
因此本方案選取的電機滿足要求。
2．2 PLC 控制和接口設(shè)計
系統(tǒng)內(nèi)嵌的 PLC 所要進行控制任務(wù)包括一些數(shù)控機床進給速度的控制，當然還有一些系統(tǒng)的時序控制任務(wù)。當前數(shù)控機床都是通過 PLC 來實現(xiàn)控制功能的，相比于傳統(tǒng)的獨立PLC，數(shù)控機床的 PLC 全是內(nèi)部集成的，在數(shù)控系統(tǒng)里面為一個電路板，并沒有自己的 CPU，通常情況下都是和數(shù)控系統(tǒng)通用。
而在導(dǎo)軌上安裝的是 PLC 的輸入輸出模塊，這些模塊能夠根據(jù)系統(tǒng)的需要配置相應(yīng)的數(shù)字量或者模擬量模塊。在編程方面，數(shù)控機床內(nèi)部的 PLC 和獨立的 PLC 是一樣的，可以方便操作人員進行使用。
2.2．1 808D 內(nèi)嵌式 PLC —S7－200 PLC 簡介
在本文數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的 PLC 是西門子系列的 S7－200。在S7－200PLC 的程序結(jié)構(gòu)中一般有主程序和子程序之分，PLC 在進行周期循環(huán)的時候只對那些主程序進行掃描，子程序不進行掃描，子程序只是在主程序中被調(diào)用，同時子程序能夠進行多級嵌套調(diào)用。在數(shù)控系統(tǒng)里面，PLC 系統(tǒng)和 NC 系統(tǒng)是用一個 CPU 的，PLC 內(nèi)置的編程工具 Programming Tool V3．2 是PLCS7－200 的一個子集，其編程界面和 S7－ 200 的 STEP7 － Mi-cro / WIN 是一樣的。PLC 程序的下載以及上傳都是由系統(tǒng)以及 PC 機上的 RS232 接口進行的。
2．2．2 數(shù)控機床 PLC 與外部的信息交換
在進行信息交換的時候，數(shù)控機床內(nèi)部的 PLC 和獨立 PLC 是不一樣的，常規(guī)的獨立 PLC 都是通過輸入以及輸出和外部進行信息的交換。外部所有的信息作為輸入送到 PLC
里面，在 PLC 里面進行計算，輸出結(jié)果再輸出給外部部件。
而數(shù)控機床內(nèi)嵌的 PLC在和外部信息進行交換的時候，也包含上面兩個途徑，但是在數(shù)控機床系統(tǒng)里面，PLC 不再是控制的核心，其輸入就是系統(tǒng)下達的某些任務(wù)，因此 PLC
所控制的不是所有機床系統(tǒng)的任務(wù)，只是其中的一部分，PLC 從數(shù)控系統(tǒng)中接收指令，再通過邏輯運算，把結(jié)果輸出到機床上，起到承上啟下的作用。
2．2．3 斗笠式刀庫電氣控制線路的設(shè)計
在原有加工中心的機床中配備的是電機驅(qū)動的斗笠式刀庫，其大部分功能都是通過 PLC 實現(xiàn)的，原有的刀庫電氣線路無法應(yīng)用在新的系統(tǒng)上，所以要重新進行設(shè)計工作。斗笠式刀庫之前的 I/O 點根據(jù)原材料的查閱能夠獲得，本文設(shè)計把這些I / O 點和 808D 的 PLC 接口相連，通過 PLC 即能控制斗笠式刀庫的運行。
3 、系統(tǒng)試運行
為了驗證本文設(shè)計實訓性加工中心的性能，在使用之前一定要試運行。試運行的時候為無負載運行，根據(jù)相關(guān)標準的要求，在空運行的時候程序要一直運行長達 32 h，并且倍率開關(guān)要一直保持在 100%。機床進行運行的時候不能夠出現(xiàn)任何問題，否則重新開始，在空運行的時候可以非故障停機，每次時間不可以大于半小時，否則必須要重新開始。
在進行試運行之前，要檢查機床是否能夠滿足下列條件:
1) 在立體三軸上面均要配置一個導(dǎo)軌伸縮防護罩作為保護措施。
2) 系統(tǒng)的刀庫里面要掛滿刀。
3) 整個系統(tǒng)的安裝以及調(diào)試工作都要完成并且不出現(xiàn)任何問題。
4) 整個系統(tǒng)在準備運轉(zhuǎn)之前，一定要完成清潔工作并將所有的電柜門關(guān)上。
所有條件滿足之后，數(shù)控機床開始進行試運行工作，在整個過程中沒有發(fā)現(xiàn)任何機床故障，試運行通過。
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