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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, 并將會在將來逐步替代現(xiàn)有的SINUMERIK 802S/C控制器,。

SINUMERIK 808D分為兩個版本,，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,。

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直流電源容量計算時,，至少需要注意以下4個方面的內(nèi)容,。

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

（2） 驅(qū)動器SINAMICS V60消耗的24V電流,，若不帶抱閘電機(jī)時，為0.8A/軸,，帶抱閘電機(jī)時為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)識計算[1],。

另外再考慮工廠內(nèi)部的設(shè)計規(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

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)動器。

SINUMERIK 808D數(shù)控系統(tǒng)通過脈沖驅(qū)動接口X51,、X53接口輸入輸出進(jìn)給軸控制信號,，本文以X軸接口X51為例簡述與伺服驅(qū)動器的連接。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,，包括脈沖（PULS）、方向（DIR）和使能（ENA）信號,。V60的X6接口,，其中RST引腳接收來自于數(shù)控系統(tǒng)的報警清除信號,，ALM引腳輸出驅(qū)動報警信號至數(shù)控系統(tǒng)，RDY引腳輸出“驅(qū)動就緒”信號至數(shù)控系統(tǒng),，Z-M引腳輸出零脈沖信號至數(shù)控系統(tǒng),，數(shù)控系統(tǒng)需要利用此信號完成回零操作[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

數(shù)控車床的主軸帶動工件高速旋轉(zhuǎn),，通過與刀具的相對運(yùn)動完成零件的切削。對于經(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主軸控制信號輸出接口，AO和AGND引腳輸出0~10V模擬量電壓信號控制主軸的轉(zhuǎn)速,，使能信號一般不用,。轉(zhuǎn)向由快速輸入輸出接口X21的CW和CCW信號輸出?？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。

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,，此時主軸使能信號應(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)速就是一個開環(huán)控制,，鑒于主軸轉(zhuǎn)速對于被加工的零件質(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

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)計控制線路時需要據(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于上一代的802C/S又簡化了很多，關(guān)于進(jìn)給軸的所有輸入輸出控制信號全部集中在X51~X53接口,，原來的反饋接口也已經(jīng)取消,，位置環(huán)的計算交給伺服驅(qū)動去完成，這進(jìn)一步簡化了電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計,，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,，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)中國國情的數(shù)控機(jī)床，為中國裝備制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的力量,。