數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)工作原理與810D的面板設(shè)計(jì)
2016-11-14 來(lái)源：沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)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(dòng)和進(jìn)給功能。
關(guān)鍵詞：A工作原理；面板設(shè)計(jì)；電氣保護(hù)
1.SINUMERIK 810D系統(tǒng)
SINUMERIK810D是一種具有免維護(hù)性能的操作面板控制系統(tǒng)，是西門子公司針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)進(jìn)行性價(jià)比優(yōu)化的產(chǎn)品。其核心部件—CCU(數(shù)控驅(qū)動(dòng)單元)將MMC、OP以及I/O模塊集于一體，具有無(wú)電池、無(wú)風(fēng)扇、免維護(hù)等特點(diǎn)。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(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS將驅(qū)動(dòng)器、輸入輸出模塊連接起來(lái)，控制六個(gè)數(shù)字進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)為各種應(yīng)用提供了最大靈活性，并且易于安裝，可靠性高，布線費(fèi)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(jí)加工應(yīng)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(duì)線性排列孔和圓周排列孔進(jìn)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(zhǎng)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(dāng)今先進(jìn)的控制概念、適用于鉆削、銑削以及車削和磨削機(jī)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(jī)床的要求。SINUMERIK810D數(shù)控系統(tǒng)建立在綜合的系統(tǒng)平臺(tái)上，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)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(dòng)系統(tǒng)和SIMATIC S7可編程序控制器一起，構(gòu)成了一個(gè)全數(shù)字控制系統(tǒng)，用于各種復(fù)雜零件加工任務(wù)，并優(yōu)于其他系統(tǒng)的動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具而實(shí)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(jī)床。其可以控制六個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸的同時(shí)保證三軸聯(lián)動(dòng)，具有直線插補(bǔ)、平面圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、空間圓弧(CIP)插補(bǔ)等控制方式。系統(tǒng)可以進(jìn)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(biāo)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(zhǔn)停控制、剛性攻絲、恒線速切削、FRAME功能(坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡象、縮放)。
（2）顯示和操作。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)TFT液晶顯示器，全PC鍵盤操作。可連接機(jī)床控制面板、手持操作單元、軟盤驅(qū)動(dòng)器等。在操作使用上，其系統(tǒng)用戶界面分成五個(gè)工作區(qū)，即：機(jī)床、參數(shù)、程序編輯、服務(wù)、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(gè)數(shù)字進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸。其工藝特性：
a.控制精度0.001ram
b.進(jìn)給速度0.01mm/min-10000m/min
c.主軸轉(zhuǎn)速0.1rpm-99000rpm
d.進(jìn)給倍率O％-120％(內(nèi)部0％150％)，快速進(jìn)給倍率200％
（4）PLC編程。S7 300型PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)是通過(guò)擴(kuò)展模塊的方式實(shí)現(xiàn)的，其最多可以有四個(gè)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架最多可以插8個(gè)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(gè)刀號(hào)只能對(duì)應(yīng)一個(gè)刀具半徑值和一個(gè)刀具長(zhǎng)度值，而是在每一個(gè)刀具號(hào)下面最多可以存儲(chǔ)9組刀具補(bǔ)償值———每個(gè)刀具號(hào)(T號(hào))下面包含了9個(gè)刀沿號(hào)(D號(hào))，每個(gè)刀沿中都可以單獨(dú)存儲(chǔ)一個(gè)刀長(zhǎng)補(bǔ)償值和一個(gè)刀具半徑補(bǔ)償值。這樣做的好處是可以為每把刀具設(shè)定多個(gè)刀偏值，分別用于粗加工、半精加工以及精加工，卻不必?fù)?dān)心由于占據(jù)了多個(gè)D號(hào)而與其他的刀具發(fā)生混亂。
（6）安全與診斷
整個(gè)CNC系統(tǒng)可對(duì)其各部分的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)除對(duì)相應(yīng)部分進(jìn)行保護(hù)外，并可進(jìn)行自我診斷，在顯示器上顯示報(bào)警信息。同時(shí)增加了安全鎖，可對(duì)用戶分級(jí)，對(duì)各級(jí)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(guān)。控制柜電源指示燈亮。
（2）啟動(dòng)810D系統(tǒng)：按操作面板上的“系統(tǒng)啟動(dòng)”按鈕，“機(jī)床有電”指示燈亮，(顯示屏進(jìn)入主界面)，810D數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)成功。
（3）啟動(dòng)液壓系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)操作面板上的“液壓?jiǎn)⑼?rdquo;開關(guān)至啟動(dòng)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(shí)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(jī)啟動(dòng)及點(diǎn)動(dòng)
（1）主電機(jī)啟動(dòng)操作：主電機(jī)有兩種運(yùn)行方式，即工作運(yùn)行(常車切削)和點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。工作運(yùn)行有正、反常車。設(shè)有啟動(dòng)及停止按鈕；點(diǎn)車運(yùn)行是為了裝工件，工件調(diào)整和對(duì)刀調(diào)整等，因此設(shè)有正點(diǎn)動(dòng)按鈕、反點(diǎn)動(dòng)按鈕。
（2）普通車床功能：主電機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)原普通車床功能。注意：主電機(jī)啟動(dòng)前，保證A、B、C換擋手柄嚙合才能實(shí)現(xiàn)(只有C手柄離開1：4和1：l的空檔處時(shí)，PLC控制離合器齒輪脫開，C軸伺服使能失效，主軸才能啟動(dòng))。啟動(dòng)主電機(jī)，主軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入原普通車床功能。具體步驟如下：將主軸C變速手柄移動(dòng)至任意檔位(不能停在1：4和1：l之間位置)，接近開關(guān)不發(fā)出信號(hào)，PLC控制液壓離合器松開電磁鐵1DT，油缸推動(dòng)離合器使齒輪脫開(C軸電機(jī)和主軸脫離)，“C軸嚙合”指示燈亮。此時(shí)，可以使用原機(jī)床的各項(xiàng)進(jìn)給及主軸功能。
2.3主電機(jī)的制動(dòng)
本機(jī)床采用能耗制動(dòng)。即當(dāng)按壓停車按鈕SBll(SBlo)，延時(shí)后，KM2、KM5相繼失電而KM6得電，電機(jī)定子繞組串接，整流二極管D投入工作，定子繞組通過(guò)半波整流后的脈動(dòng)直流而產(chǎn)生制動(dòng)力矩，電動(dòng)機(jī)開始制動(dòng)，延時(shí)2兩秒后斷開。
2.4快速及進(jìn)給電氣傳動(dòng)控制
（1）托扳、滑板移動(dòng)方向及其選擇：機(jī)床托扳裝有左、右、前、后快速移動(dòng)或進(jìn)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(guān)”來(lái)選擇。其動(dòng)力由快速電機(jī)和走刀電機(jī)分別拖動(dòng)。
（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(jìn)給。工作狀態(tài)由方向選擇開關(guān)選擇。說(shuō)明：無(wú)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(shí)，其操作方法和點(diǎn)動(dòng)方式相同，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(shí)，才可以使用托板和尾座快速功能。若要使用托板進(jìn)給功能，主電機(jī)必須運(yùn)行。因?yàn)檫M(jìn)給速度由主電機(jī)的速度決定)。若要停止進(jìn)給，按壓“走刀停止”按鈕即可停止。此時(shí)電磁離合器脫開，走刀就迅速停止進(jìn)給。3.810D面板設(shè)計(jì)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(dāng)中，MCP面板包括了手輪、鍵盤。在安裝過(guò)程中西門子公司給出了標(biāo)準(zhǔn)的安裝尺寸和模式。我們?cè)O(shè)計(jì)了車床主軸以及電機(jī)的控制面板如圖3.1，同時(shí)在完成安裝后的810D控制面板圖如圖3.2所示。
3.電器保護(hù)
(1)各分支電路均設(shè)有自動(dòng)空氣開關(guān)。
(2)各電機(jī)分支電路均安裝有電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器。
(3)液壓泵保護(hù)。
油泵采用自動(dòng)空氣開關(guān)作短路和過(guò)熱保護(hù)。在運(yùn)轉(zhuǎn)中，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，其自動(dòng)空氣開關(guān)自動(dòng)跳閘，這時(shí)機(jī)床的所有動(dòng)作均不能動(dòng)作。機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)前首先必須開動(dòng)油泵，不然主軸、快速進(jìn)給及走刀均都不能開動(dòng)。
(4)C軸和原機(jī)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(jié)論
本文設(shè)計(jì)的機(jī)床控制系統(tǒng)采用西門子SINUMERIK810D數(shù)控系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了SIMODRIVE611D模塊和1FK7系列伺服電機(jī)，在伺服電機(jī)與主軸之間安裝減速器和機(jī)械傳動(dòng)裝置從而達(dá)到大減速比的要求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)C軸的精確分度功能。并根據(jù)需要設(shè)計(jì)了基于SINUMERIK810D系統(tǒng)的面板
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