基于西门子802S数控车床的刀架控制设计.docx
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基于西门子802S数控车床的刀架控制设计
摘要
数控刀架是数控机床的重要组成部分。
本课题研究了西门子802S数控车床刀架控制设计。
分析了数控机床的基本组成、刀架控制系统的硬件组成和刀架PLC程序及机床的有关参数。
本文中所做的主要工作如下：
测绘西门子802S数控车床的电气原理图、接线图。
对刀架的结构进行了深入的了解，清楚刀架上的传感器信号的输入输出，分析刀架的动作过程、顺序调试刀架控制的PLC程序。
绘制了刀架的机械结构图和控制电路图。
关键词：
西门子802S系统；刀架控制；PLC
Abstract
CNCturretCNCmachinetoolsisanimportantpart.TheresearchoftheSiemens802SCNClatheturretcontroldesign.AnalysisofthebasiccomponentsofNCmachinetools,turretcontrolsystemhardwareandtoolcarrierPLCprogramandthemachineparameters.Inthispaper,themajorworkdonebythefollowing:
SurveyandMappingSiemens802SCNClatheselectricalschematics,wiringdiagram.Holdersofthestructureofanin-depthunderstandingandclearturretonthesensorsignalsintheinput-outputanalysistoolcarriermovestheprocess,controltheorderofdebuggingTurretPLCprogram.Drawingtheturretofmechanicalandcontrolstructureofthecircuit.
Keywords:
SIEMENS802Ssystem;TurretControl;PLC
第一章绪论
1.1课题的研究背景
数字程序控制机床一般简称为数控机床。
它是由数控装置或计算机进行控制的一种高效能自动化机床，它综合应用了自动控制技术、计算机技术、精密测量技术、液压气动等技术。
并在机床结构等方面运用了最新技术。
随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对机械零件的加工质量要求也越来越高；单件、小批生产的机械产品所占比重越来越大，特别是在造船、航空、航天、深潜以及国防工业的各个部门，加工批量少、精度要求高、形状复杂的零件很多。
像这样的产品，如果采用一般的自动机床或组合机床和自动线来加工，就显得很不经济、不合理，一般机床又不能加工。
数控机床就是在这样的条件下产生和发展起来的，它能有效地适应产品不断变化、多品种、小批量的自动化生产。
数控机床就是把加工所需要的各种操作，例如变速、松夹工件、进刀、退刀、开车与停车、冷却液的自动供给等等，以及刀具相对于工件之间的位移。
采用数值数据的形式通过计算机的运算，并将输入的指令变为机床的各种操作，实现零件的自动加工。
随着网络技术日益普遍运用，互联网进入车间只是时间问题，这将是数字化制造的主要标志。
从另一角度来看，企业资源计划如果仅仅局限于业务管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的，车间最底层的加工设备——数控机床不能够连成网络或信息化，就必然成为制造业信息化的制约瓶颈。
所以，对于现代制造工厂来说，除了要提高机床的数控化率外，更要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间的底层之间及底层与上层之间通信畅通无阻。
西门子公司开发的新一代西门子（SINUMERIK）802S系统是一种专门为中国市场开发的经济型数控系统，具有低档的价格和中高档的性能的性价比较高的数控系统。
西门子802S数控系统采用32位微处理器，集成式PLC，分离式小尺寸操作面板和机床控制面板，具有RS232通讯接口，利用计算机可进行软件的升级和加工程序的传输；通过增加扩展模块，可具有输入，输出（I/O）64点能力，能接受多路信号和控制多路负载；可控制2～3个步进电机进给轴和一个伺服主轴（或变频器）；具有启动次数少，安装调试简捷，图形及中英文菜单显示，操作编程简单方便，低速运行平稳等特点，具有稳定的可靠性以及优越的性能价格比。
此系统相比较同类产品是同类产品中的佼佼者，它也会对我以后在工作中遇到同类产品同类问题有很大的帮助。
西门子802S数控系统为工程技术人员提供了丰富的二次开发功能。
机床制造厂家通过标准的S7语言进行PLC编程，来完成机床的逻辑控制。
并通过参数的设置，就可以使机床运行达到最佳的效果，以及适应各种不同的配置的需要。
西门子802S数控系统还有非常丰富的人机对话中文界面，用户所需要的操作可以在中文的菜单上找到，并按相应的按键以实现操作者的要求。
802S丰富的中文界面可以使用户在几天之内就能掌握机床的操作，这样就可以节约了用户大量的学习和消化的时间。
在操作编程的工作中，最为突出的是802S的所有报警文本均可以用中文来编写。
在802S的编程指令系统中，除了具备新颖的参数编程和轮廓编程外，还具有实用的循环子程序，有了这些强有力的编辑功能，使西门子802S的编程十分方便和灵活。
1.2课题的来源及意义
数控刀架是数控机床的重要组成部分，在我国被命名为机床附件，在国外被定义为机床功能件。
随着数控机床的飞速发展，机床设计已由传统的统筹设计发展到模块化设计，即按照机床的功能化分模块，因此这些功能部件的性能已成为整机性能的决定因素。
数控刀架作为数控车床的动作执行部件，其基本结构包括：
驱动装置、分度装置、预定位装置、松开、锁紧装置、精定位装置、发信装置、装刀装置。
数控刀架的换刀动作如下：
系统发出指令—齿盘松开—刀架旋转分度—到达目标工位并发信号给系统—齿盘锁紧精定位—系统确认后进行切削。
数控刀架分类。
目前，行业上应用的数控刀架按照与主机配套场合主要有分为如下高、中、低三个档次。
低档数控刀架主要有沈阳精诚数控生产的系列电动数控立式刀架，系列卧式刀架。
该种刀架结构简单，容易设计、制造。
采用三相力矩电机驱动，三联齿定位，矩形螺纹锁紧，配套在我国简易型数控车床，受我国数控机床发展的影响，是我国的特色产品，已经形成规模化生产。
中档数控刀架主要有沈阳精诚数控生产的系列电动刀架、系列电动刀架、系列液压刀架。
该档次刀架，可双向选刀，刚性好，但结构复杂，对制造加工设备要求高。
此类刀架在我国初具规模，但国外产品对我国市场冲击较大。
高档数控刀架包括伺服刀架和动力刀架。
此类刀架，我国起步较晚，还处在研究阶段，但还没有形成商品化。
数控刀架的发展。
数控刀架作为功能性部件配套于机床主机，但它集机械、电气于一体，是典型的机电一体化产品，数控刀架的研究开发是机械、电气、电子、材料等多学科知识的综合。
当今，数控伺服刀架、动力刀架等功能部件己成为衡量数控机床水平的重要标志。
它们的价格也是构成数控机床整机价格的主要成分，粗略计算数控机床数控刀架等功能部件价格已占整机成本构成的左右。
目前，我国的功能部件生产发展缓慢，品种少，产业化程度低，不能满足市场要求，不得不依赖进口。
由于功能部件进口价格昂贵，造成数控机床整机价格不断上升，我国生产的数控机床几乎失去了竞争优势。
市场显示，同等水平的数控机床，韩国的价格几乎与我国的价格持平，出现这一现象与我们主机厂大量从国外采购数控机床所需的功能部件有很大关系。
我国机床工具行业的专家、学者、企业家都已看到了功能部件产业的巨大发展前景。
许多企业也已瞄准了这个市场，通过引进技术、合作生产或自主开发，初步形成了一批功能部件专业生产厂家。
当前国内高水平、高质量的数控机床和加工中心还不能完全满足国内市场需求，这和与之配套的高水平的功能部件发展滞后有关，有些功能部件性能上与国际著名厂家的产品还有一些差距。
我国己加入世贸组织，境外功能部件产品对我国市场的冲击将更加厉害。
可以说，没有高水平功能部件生产能力的大幅提高，将严重影响我国机床行业的快速发展。
伺服刀架控制器是伺服刀架和动力刀架的技术核心。
高档刀架采用伺服电机作驱动源，实现位置、速度的双闭环控制，具有结构简单，容易加工制造、维护、精度高，转位快等特点。
我国各大机床主机厂均依靠进口此类产品与主机配套。
很明显，伺服刀架的机械结构简单，而我国目前还没有针对数控刀架的专业伺服驱动系统产品，这大大的制约了我国高档刀架发展，是我国的伺服刀架的研制处于停滞状态，因此，伺服刀架的控制器即伺服刀架的伺服电机控制是高档数控刀架的关键技术。
刀库包括刀套旋转机构及换刀机械手，刀库外形为圆盘形，内部装有一个分度盘。
刀库的回转运动由带抱闸的三相异步电机作动力源。
三相电源通过交流接触器提供给电动机，此时抱闸打开，刀库运转，切断三相电源则抱闸闭锁，刀库立刻停止运转。
通过分度盘的运动及相关检测元件组的逻辑组合，可使每个刀套准确停在换刀位置。
刀套停在换刀位置后，由气缸控制刀套处于水平或垂直状态，以方便机械手换刀。
刀套分度台可以顺时针或逆时针方向旋转，从而可以在最短的时间内搜索到所要更换的刀具。
刀库换刀机械手的运动同样是由带抱闸的三相异步电机作动力源，通过齿轮传动机构，把电机产生的匀速旋转运动转化为机械手的规律性前进、停止以及旋转运动。
齿轮传动装置配有微动开关组。
这个开关组包括3组微动凸轮和3个接近开关，每组微动凸轮上装有3个微动凸轮。
该微动开关组用于控制机械手夹住刀具、机械手把刀具从主轴和刀套内取出、机械手处于原始位置等。
该刀库的旋转刀套及机械手的减速传动机构内都内置了一个扭矩限制器，以防止内部机械结构损坏。
通过这次的毕业设计，我将对西门子802S数控车床有个更深的认识，还有使自己各方面的能力都有所提高（自学能力、动手能力、语言表达能力、文字表达能力、解决实际问题的能力）。
对西门子802S数控车床的认识，可以为我以后学习各类数控机床有个好的基础。
同样刀架的PLC程序能应用和设计，再要应用和设计刀库的PLC程序就容易了。
为今后从事本专业的工作运用打下基础，使自己能很快的融入社会。
1.3本课题的内容
（1）测绘西门子802S数控车床的电气原理图、接线图；
在实验室里进行实物测绘，同时查阅其相关资料进行西门子802S数控车床的电气原理图、接线图的绘制。
西门子802S数控系统有主轴、进给、ECU单元、冷却、润滑、刀架等辅助装置组成。
（2）设计刀架控制系统；
在原有西门子802S数控车床的刀架控制系统的基础上，对其系统进行深入的研究。
（3）有关机床参数、四工位刀架结构；
在实验室里查阅有关机床的参数，以及四工位刀架的结构原理图。
（4）有关PLC程序设计；
在原有西门子802S数控车床PLC程序的基础上，加以改进和完善。
（5）撰写有关毕业设计说明书；
本设计中重点和难点就是对西门子802S数控车床刀架控制设计和PLC程序的调试,需要对刀架的结构非常了解，清楚刀架上的传感器信号的输入输出。
其研究途径可根据西门子802S数控车床中原有的PLC程序，了解刀架PLC程序的整个换刀过程，然后根据实际刀架的结构进行刀架PLC程序调试。
此外需绘制西门子802S数控车床的电气原理图、接线图、设计刀架控制电路；有关机床的参数、四工位刀架结构等内容，都可以在实验室里进行实物测绘，参照设计。
第二章西门子802S数控车床基本组成
西门子802S数控系统电气主要组成部分有，CNC系统（包括ECU）、主轴驱动控制系统、进给驱动控制系统（包括伺服驱动控制系统、步进驱动控制系统）、辅助装置（包括刀架控制系统、润滑、冷却控制系统）及PLC输入输出转接口,机械结构部分主要有，机床床身、导轨、工作台、刀架等。
（其中刀架在第3章有具体介绍）
2.1CNC系统
计算机数控系统（ComputerNumericalControl）简称CNC系统，是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。
数控机床在CNC系统的控制下，自动地按给定的加工程序加工出工件。
所以计算机数控系统是一种计算机在内的数字控制系统。
CNC系统是一种位置控制系统。
其控制过程是根据输入的信息（加工程序），进行数据处理、插补运算、获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。
CNC系统的核心是CNC装置。
由于采用了计算机，使CNC装置的性能提高，促使CNC系统迅速发展。
CNC装置的工作流程主要分为输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补和位置控制。
输入的任务是把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中去，输入的方法有纸带阅读机输入、键盘输入、磁带和磁盘输入以及通信方式输入。
CNC的工作方式一般有两种，一种是边输入边加工，即在前一个程序段在加工时，输入后一个程序段的内容；另一种是一次性的将整个工件加工程序输入到CNC装置的内部存储器中，加工时再把程序段从存储器中一个一个的调出来进行处理。
随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC系统硬件块及安装方式不断改进。
从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。
从CNC系统使用的CPU及结构来分，CNC系统的硬件结构一般分为单CPU和多CPU结构两大类。
初期的CNC系统和现在的一些经济型CNC系统采用单CPU结构，而多CPU结构可以满足数控机床高进速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入FMS和CIMS运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平。
CNC装置中还有I/O处理、显示及诊断功能。
I/O处理主要用来对CNC装置与机床之间的强电信号处理。
显示的主要任务是为操作者提供方便，有工件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示以及运动轨迹的静态图形显示。
诊断功能是现代CNC装置必备的，可以自动对系统进行诊断显示出故障出现范围。
CNC数控系统的特点有灵活性、模块化、可靠性、易于实现多功能程序控制、使用维修方便、具有通信功能。
在多微处理器中，有两个或两个以上的CPU构成处理部件。
各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。
每个CPU都可享用系统公用存储器或I/O接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的CNC装置中顺序完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。
多微处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构，根据设备要求选用功能模块构成CNC系统。
如果某个模块出了故障，其它模块仍能工作，可靠性高。
由于硬件一般是通用的，容易配置，因此只要开发新的软件就可以构成不同的CNC装置，便于组织规模生产，能够成批量生产并保证质量。
图2-1西门子802S数控车床系统控制图
2.2主轴控制驱动系统
西门子802S数控车床的主轴变频器采用日立式L100—007HFE变频器配三相异步电机，变频器采用正弦波脉宽调制控制，额定容量1.9KVA,额定输入电压三相交流380V,额定输出电流2.5A,输出频率范围0-650HZ,适用电机容量0.75KW。
三相异步电机采用普通三相异步电机，输入电压380V，额定电流2.0A，额定功率0.75KW，额定转速1390r/m。
变频器特点：
VVVF通用型变频（0.2KW-7.5KW），结构紧凑，体积小，ISPM专利技术，集成了驱动电机的功率器件和控制电路元件，抗电磁干扰能力强，速度调节旋钮标准内置，电网电压自动稳压，保持输出稳定，瞬时失电重起动，CE；UL；c-UL；C-Tick&CSA认证，V/F特性可选恒转矩，可手动或自动提升转矩，电流过载能力强：
150%，60秒，电机热电阻输入（PTC-输入），内置PID功能，可预设16级多步速，载波频率0.5HZ-16HZ，连续可调加减速过程中可分段改变加减速时间。
变频器主要是用于主轴的变频调速。
变频器通过电流的高低来控制主轴电机的转速，指令值模拟量作为差分信号输出。
ECU一侧插主轴驱动接口，插座名称：
X3SPINDLE，插座类型：
9芯D型插座（针）。
如表2-1
表2-1座引脚分配
X3
引脚
信号
类型
引脚
信号
类型
1
2
3
4
5
SW
RF.2
VO
K
6
7
8
9
BS
RF.1
VO
K
模拟驱动中：
SW（指令值）；BS（指令值参考地（模拟量接地））；RF．1,RF．2（使能触点），信号类型：
V0，电压输出：
K开关触点，信号：
每个通道提供一个电压信号和一个使能信号。
SW（指令值）：
：
模拟量电压信号，±10V范围，用于输出一个转速指令值；BS（参考地）：
指令值信号的参考地（模拟量接地），内部与逻辑“地”相连。
RF（使能）。
对继电器触点，功率部件（比如SIMODRIVE驱动装置）通过这对触点获得使能。
在循环运行方式时由ECU控制使能信号。
主轴电机的正反转由KA2，KA3的常开触点的动作决定。
RL1B，RL1C为变频器的故障输出，接入相应的输入输出点99，108。
变频器的主要功能为改变电路的频率来实现电机的转速和正反转，其控制输入由CNC的X3输入。
图2-2变频器的电气原理图
主轴电机的转速是由主速指令所给定的电压来确定的，设定的额定电压为10V。
就是假设当额定转速为1500r/min时，主速电压10V时主轴电机的转速为1500转每分钟；而如果额定转速变为1500r/min时，主速电压为5V时，主轴电机的转速就是750r/min。
2.3进給控制驱动系统
西门子802S数控车床的进给驱动控制系统主要包括伺服驱动系统和步进驱动系统。
伺服系统是CNC装置和机床的联系环节。
CNC装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。
伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，它是以机械为运动的驱动设备,电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
它属于特殊电动机，也叫执行电机，在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
伺服驱动系统的性能对数控机床的性能在很大程度上有决定性的作用，所以对伺服驱动系统的要求也比较高，主要有：
（1）进给调速范围要宽。
在各种数控机床中，用于加工用刀量、被加工材料及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳的切削条件，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围；
（2）位置精度高。
数控机床在加工时免除了操作者的人为误差，它是按预定的程序自动进行加工的，不可能应付事先没有预料到的情况；（3）速度响应要快。
即要求跟踪指令信号的响应要快，过度时间要快；（4）低速大转距。
根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转距输出。
西门子802S数控车床采用的步进驱动器和步进电机,是细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型任何两相或四机混合式步进电机。
电流控制采用先进的双极性等角度恒力矩技术，每秒两万次的斩波频率。
在驱动器的侧边装有一排拨码开关组，可以用来选择细分精度，以及设置动态工作电流和表态工作电流。
TYPE110BYG550A-2是混合式步进电机，步进电机步进角为0.36度/0.72度，静转矩6N*m，额定相电流1.3A。
步进电机为X、Z轴电机，用来控制X、Z轴的正向进给和反向进给，KA10用来执行控制电机的正反转，接电机绕组A-和C-，B-和D-短接后，再A接驱动的A，C接驱动的A-，B接驱动的B，D接驱动的B-。
步进电机的控制号由CNC的XS30端输入，电源信号由+V1和GND端输入。
步进驱动器其实是一个步进电机配合使用，来控制机床工作台X轴移动的一个系统。
步进电动机是一种将电信号转换成机械角位移的电磁机械装置。
由于所用电源是脉冲电源，也称脉冲马达。
步进电动机是一种特殊的电动机，其跟随步进驱动系统给定的输入脉冲按节拍一步一步的转动。
对步进电动机施加一个电脉冲信号时，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，没一步转过的角度叫步距角。
步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。
因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。
在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。
图2-3步进驱动单元框框图
图2-4外观结构图
2.4辅助装置
刀架控制主要有手动换刀、程序换刀、刀架卡紧时间控制三方面。
表2-2刀架信号表
输入信号
I0.0，I0.1，I0.2，I0.3，I0.4，I0.5刀位检测信号
I0.6锁紧到位检测信号
零件程序中的T码
机床控制面板上的手动换刀键
输出信号
刀架正转（Q0.4）
刀架反转（Q0.5）
表2-3刀架逻辑控制表
条件
结果
自动方式下当零件程序中的程遍刀码T
不等于刀架实际刀位
刀架正转有效。
有效信号一直保持到刀位信号与编程T码相等，然后刀架反转信号自动生效。
反转信号的保持时间由机床参数设定
在点动方式下按下手动换刀键，一直按到刀架转到所要位置
刀架正转信号有效，有效信号一直保持的按键松开
当手动换刀键一松开
刀架反转信号自动生成，并按机床参数中设定的时间保持有效
在手动方式下短促按下手动换刀键
刀架正转信号有效，该信号保持到一个想邻的刀位，然后自动按机床参数设定的锁紧时间产生并保持刀架反转信号
2.5输入输出PLC转接口
输入输出装置是连接PLC变频器等重要部件。
表2.3.1 输入/输出接线端子分配表
分类
元器件
输入/输出标号
作用
输入
按钮SB1
X000
开始
按钮SB2
X001
停止
输出
A相绕组
Y001
A相接正5V电源
Y000
A相接负5V电源
B相绕组
Y002
B相接负5V电源
Y003
B相接正5V电源
表2.3.2 各种软元件分配表
各种软器件
标号
作用
特殊状态寄存器
M8002
上电运行
软时间继电器
T0
确定步进电动机转速
T1
状态寄存器
D0
转速参数存储
步进状态寄存器
S20
第1拍步进运行
S21
第2拍步进运行
S22
第3拍步进运行
S23
第4拍步进运行
S24
第5拍步进运行
S25
第6拍步进运行
S26
第7拍步进运行
S27
第8拍步进运行
S0
初始化
2.6机床本体
机床本体就是数控机床的机械结构，包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。
此外，为了保证数控机床功能的充分发挥，还有一些辅助系统，如冷却、润滑、液压（或气动）、排屑、防护系统等。
图2-5机床床身
第三章刀架控制系统硬件组成
3.1刀架的有关概况
3.1.1刀架的产生
电动刀架是数控车床重要的传统结构，由于该类刀架采用全电控制，无需另加液压或气动等其它动力源，故对简化机床控制的复杂程度带宋好处。
合理的选配电动刀架，可以缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性。
另外，加工工艺适应性和连续工作的
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