XK2860型橋式數(shù)控動梁龍門鏜銑床電氣設(shè)計
2017-5-10 來源：齊齊哈爾二機床（集團）有限責(zé)任公司 作者：張會龍
摘要：本文所研究的數(shù)控機床是針對市場需求研制出來的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端產(chǎn)品，根據(jù)機床的實際應(yīng)用確定數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)硬件并進行總體控制系統(tǒng)設(shè)計工作。
關(guān)鍵詞：龍門鏜銑床；數(shù)控系統(tǒng)；840D
1.機床研究的背景及意義
數(shù)控機床是一種集精密機械、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)于一體的典型機電液一體化設(shè)備，是機械制造業(yè)的重要組成部分。重型數(shù)控動梁龍門鏜銑床能進行多任務(wù)加工，并能使工件獲得很好的加工精度和表面質(zhì)量，可廣泛用于國防、軍工、發(fā)電設(shè)備、航空航天、能源交通、模具制造等行業(yè)的大型精密零件加工。國外生產(chǎn)數(shù)控龍門銑床的企業(yè)主要有德國希斯(SCHIESS)、德國科堡(WALDRICH COBURG)、日本本間(HOMMA)等公司，這些國外公司一直對技術(shù)進行壟斷，我國的高端數(shù)控動梁龍門鏜銑床只能依賴進口。研制高端橋式數(shù)控動梁龍門鏜銑床，既可以滿足國內(nèi)高速經(jīng)濟發(fā)展的需求，替代進口，打破國外的技術(shù)封鎖，實現(xiàn)在“高、精、尖”重大數(shù)控裝備上的突破，又可以提高制造業(yè)基礎(chǔ)裝備的能力，提升國家裝備業(yè)的核心競爭力，為國家的軍事、航天、航空等諸多領(lǐng)域提供裝備保障。
2. XK2860型橋式數(shù)控動梁龍門鏜銑床介紹
本文研制的XK2860型橋式數(shù)控動梁龍門鏜銑床是在多年生產(chǎn)數(shù)控升降臺銑床、數(shù)控落地銑鏜床及數(shù)控動梁龍門鏜銑床的基礎(chǔ)上，充分把握當(dāng)今數(shù)控機床的發(fā)展趨勢和利用現(xiàn)代機床制造業(yè)的新技術(shù)、新工藝，自主研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種新產(chǎn)品，具有高性能、高精度、高效率、高可靠性的特點，該重型機床廣泛采用當(dāng)今世界最先進的技術(shù)，達到國際先進水平。它的研制成功，對提升國家裝備業(yè)的核心競爭力，具有重要的意義，同時滿足了市場需求，全力實現(xiàn)了企業(yè)的技術(shù)升級，取代了進口，為民族工業(yè)的發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻。機床的主要組成部分圖1所示。
XK2860型橋式數(shù)控動梁龍門鏜銑床采用橋式布局。機床由左右床身、左右滑座、落地平臺、龍門架、副龍門架、橫梁、聯(lián)接梁、溜板箱、主軸箱、方滑枕、附件、附件交換車、靜壓站、液壓站、冷卻器、排屑器、電氣操作間、按鈕站及電氣柜等主要部分組成。
圖1 數(shù)控動梁龍門鏜銑床的主要組成部分
3. 數(shù)控系統(tǒng)的選型
3.1數(shù)控系統(tǒng)選型原則
數(shù)控系統(tǒng)的選型關(guān)系到機床的整體性能，要求在充分了解機床的結(jié)構(gòu)、功能的基礎(chǔ)上與機床性能相匹配，要求數(shù)控系統(tǒng)既要有優(yōu)良的控制特性、較高的抗干擾性能、平穩(wěn)的加減速特性等性能，又要有良好的人機接口、便于開發(fā)、更改參數(shù)方便快捷的優(yōu)點，因此在選取數(shù)控系統(tǒng)時需要對數(shù)控系統(tǒng)進行綜合評價，一般遵循以下幾個基本原則：
(1) 數(shù)控系統(tǒng)的功能一定要合適，這是基本原則，具有擴展功能可進行選擇；
(2) 要求數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制特性、較高的抗干擾性能、故障率低，同時還要求數(shù)控系統(tǒng)具有較長的使用壽命，對工廠的空氣濕度、粉塵等要求不能太高；
(3) 數(shù)控系統(tǒng)要具有平穩(wěn)的加減速特性，使機械震動較小，在高速高精度加工時，定位誤差小；
(4) 產(chǎn)品要有良好的人機接口，便于開發(fā)和修改程序，方便調(diào)試；
(5) 優(yōu)先選擇能夠成套提供伺服驅(qū)動器和主軸驅(qū)動器的廠家，有利于維修和管理，兼容性好；
(6) 性能價格比要高，維護方便，系統(tǒng)的市場壽命要長，否則幾年后將找不到維護備件；
(7) 盡量選用著名公司的產(chǎn)品，因為著名公司的維修和售后服務(wù)較好，信譽高；
(8) 因操作人員是機床的最終使用者，因此要求數(shù)控系統(tǒng)對用戶來講要操作容易、可靠性高、通用性強。
綜合以上原則，最后決定采用西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)。
3.2 840D數(shù)控系統(tǒng)介紹
SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司在20世紀(jì)90年代推出的一款高性能數(shù)控系統(tǒng)。它具有與西門子前兩代系統(tǒng)SINUMERIK 880和840C一樣的三個CPU結(jié)構(gòu)：即人機通信CPU、數(shù)字控制CPU和可編程邏輯控制器CPU，三個CPU在功能上既相互獨立，又相互聯(lián)系。SINUMERIK 840D是建立在一個綜合的系統(tǒng)平臺上，通過不同的系統(tǒng)設(shè)定功能從而能夠而適用于幾乎所有的控制系統(tǒng)。SINUMERIK 840D與SIMODRIVE 611D數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)和SIMATIC S7可編程控制器一起構(gòu)成了一個全數(shù)字控制系統(tǒng)，用于各種復(fù)雜零件的加工任務(wù)。同時SINUMERIK 840D具有很高的開放性，機床制造廠商可以在此數(shù)控系統(tǒng)中集成公司特有的專業(yè)技術(shù)和工藝，突出與其他機床制造廠商的區(qū)別。
3.3 SINUMERIK 840D硬件組成
西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 840D數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖
3.4確定SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)硬件型號
目前SINUMERIK 840D的NCU最新版本為NCU573.5，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)選型基本原則的第2條故選擇NCU573.5。
根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)選型基本原則的第8條選擇PCU50、OP015A、MCP 483C、B-MPI手持單元，具體型號如下：
PCU50：6FC5210-0DF31-2AA0
OP015A：6FC5203-0AF05-0AB0
MCP483C：6FC5203-0AF22-0AA2
B-MPI：6FX2007-1AC04
電機的選擇需要與各軸的最高轉(zhuǎn)速、扭矩和負載慣量相匹配，根據(jù)機械設(shè)計提供的負載數(shù)據(jù)，利用如下公式確定電機的基本參數(shù)：
根據(jù)以上公式選取電機型號如下：
主軸電機：1PH7224-2NF13-0CJ2，最高轉(zhuǎn)速為4500rpm，額定扭矩為636NM，慣量為650 Kg m2。
滑座電機：1FT6136-6AB71-4AK1，額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，額定扭矩為62NM，額定功率為9.7KW。
溜板箱電機：1FT6136-8AB71-4AL1，額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，額定扭矩為61NM，額定功率為9.6KW。
滑枕電機：1FT6136-8AB71-4AB1，額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，額定扭矩為61NM，額定功率為9.6KW。
橫梁電機：1FT6132-6SF71-4AL1，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，額定扭矩為90NM，額定功率為22KW。
根據(jù)電機功率的大小選取與電機功率對應(yīng)的驅(qū)動模塊。電源模塊的大小是由機床各軸負載大小決定的，電源模塊的功率需要大于主軸電機和進給電機功率總和，并且留有一定的裕量，這樣才可以防止電源模塊因功率過小而損壞。
電機驅(qū)動模塊的型號如下：
主軸電機驅(qū)動模塊：6SN1123-1AA00-0KA1，額定電流200A。
滑座電機驅(qū)動模塊：6SN1123-1AA00-0DA1，額定電流28A。
溜板箱電機驅(qū)動模塊：6SN1123-1AA00-0DA1，額定電流28A。
滑枕電機驅(qū)動模塊：6SN1123-1AA00-0DA1，額定電流28A。
橫梁電機驅(qū)動模塊：6SN1123-1AA00-0KA1，額定電流140A。
數(shù)字接口控制單元：6SN1118-0DM33-0AA1
根據(jù)各軸驅(qū)動模塊的功率大小選取電源模塊及濾波組件的型號如下：
120KW I/RF電源模塊：6SN1145-1BB00-0FA1
80KW I/RF電源模塊：6SN1145-1BB00-0EA1
120KW HF輸入濾波器組件：6SL3000-0FE31-2BA0
80KW HF輸入濾波器組件：6SL3000-0FE28-0BA0
電源模塊風(fēng)機：6SN1162-0BA02-0AA1
根據(jù)實際應(yīng)用選取PLC型號如下：
IM361接口模塊：6ES7361-3CA01-0AA0
SM321數(shù)字量輸入模塊：6ES7321-1BL00-0AA0
SM322數(shù)字量輸出模塊：6ES7322-1BL00-0AA0
SM322晶閘管輸出模塊：6ES7322-1FL00-0AA0
SM332模擬量輸出模塊：6ES7332-5HB01-0AB0
4.控制系統(tǒng)總體設(shè)計
4.1控制系統(tǒng)設(shè)計
即使數(shù)控系統(tǒng)的各項指標(biāo)與機床各項數(shù)據(jù)相匹配，但控制系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣同樣關(guān)系到機床最終的性能，因此機床在控制系統(tǒng)設(shè)計上首先要確定總體的控制方案，然后再對各基本模塊進行設(shè)計工作。控制系統(tǒng)主要包括NCU單元、電源模塊、伺服驅(qū)動模塊、伺服電機、位置檢測元件、PLC模塊等部件。控制系統(tǒng)硬件連接原理圖如圖3所示。
圖3 控制系統(tǒng)硬件連接原理圖
根據(jù)以上設(shè)計思路最終確定電源模塊、驅(qū)動模塊、PLC模塊的控制原理圖，見圖4、圖5和圖6。
圖4 電源模塊控制原理圖
圖5 驅(qū)動模塊原理圖
圖6 PLC模塊連接圖
4.2控制系統(tǒng)屏蔽設(shè)計
為防止有用信號以外的噪聲對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，特對控制系統(tǒng)做了屏蔽處理。主要方法如下：
(1) 用合理線徑的導(dǎo)線電柜里強電和弱電的地線端連結(jié)到地線匯總排上；
(2) 控制系統(tǒng)的強電端要接地，弱電部分的零也與地線相連；
(3) 采用金屬網(wǎng)將控制系統(tǒng)外殼連接到接地母排上，系統(tǒng)的接地電阻阻值不大于0.01 歐；
(4) 動力電纜和控制電纜采用帶屏蔽的電纜，用夾子將電機電纜和控制電纜的屏蔽層固定到安裝板上；
(5) 避免動力電纜與其它電纜長距離平行走線，控制電纜和動力電纜按90°角交叉。
5.結(jié)論：
本文根據(jù)機床的實際情況對數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、PLC模塊等進行了選型，對整套機床電氣控制系統(tǒng)進行了原理設(shè)計以及硬件連接等工作。同時對西門子840D數(shù)控系統(tǒng)有了更深入的了解，西門子840D數(shù)控系統(tǒng)可進行模塊化設(shè)計工作，根據(jù)樣本就可以對伺服電機、伺服驅(qū)動器及其輔件進行選型和設(shè)計工作，大大節(jié)約了設(shè)計時間。
XK2852型橋式數(shù)控動梁龍門鏜銑床研制成功滿足了國內(nèi)經(jīng)濟高速發(fā)展的需求，打破了國外對我國高端產(chǎn)品的技術(shù)封鎖，實現(xiàn)在“高、精、尖”重大數(shù)控裝備上的突破，為國家的軍事、航天航空等諸多領(lǐng)域提供了裝備保障。
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