潘亚菲CA6140车床数控化电气控制系统设计Word格式.docx
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1.1.1C6140车床的结构及运动情况
1.C6140车床的结构
C6140车床主要构造由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板与刀架、尾座、丝杠、光杠等几部分组成，其外形图如图1-1所示。
2.C6140车床的运动情况
主运动（切削运动）：
主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动
进给运动：
溜板箱带动刀架的直线运动。
其它运动有：
刀架的快速移动。
刀架移动和主轴旋转都是由一台电动机来拖动的。
1.1.2C6140车床电气线路分析
1.车床加工对控制线路要求分析
1）主运动（切削运动）——主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动
2）进给运动——溜板带动刀架的直线运动
（1）机械调速：
工件材料、尺寸加工工艺等不同，切削速度应不同，因此要求主轴的转速也不同。
正反转控制：
车削螺纹时，要求主轴反转来退刀，因此要求主轴能正反转。
车床主轴的旋转方向可通过机械手柄来控制。
制动：
为了缩短停车时间，主轴停车时采用能耗制动。
其它：
显示电动机的工作电流以监视切削状况。
3）快速移动——溜板带动刀架的快速运动
单向点动操作、短时工作方式。
4）冷却润滑要求
车削加工中，根据不同的工件材料，也为了延长刀具的寿命和提高加工质量，需要切削液对工件和刀具进行冷却润滑，而有时又不采用，因此采用自动空气开关控制冷却泵电动机单向旋转。
此外还应配有安全照明电路和必要的联锁保护环节
1.2数控技术与数控机床
数控技术，简称数控（NumericalControl-----NC）,是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。
由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerNumericalControl-----CNC）。
采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。
它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。
机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。
与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因此应用日益广泛。
1.3机床数控化改造
在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时期。
由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。
在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床生产线数控改造的新的行业。
我国目前机床总量约400万台，其中数控机床总数只有20万台，即我国机床数控化率仅为5%左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达到20%以上。
我国机床役龄10年以上的占60%以上，役龄10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。
可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。
用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等现象，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。
1.4普通机床与数控机床的比较
数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：
1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；
在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工；
2.加工精度高；
3.生产效率高；
4.减轻劳动强度，改善劳动条件；
5.良好的经济效益；
6.有利于生产管理的现代化。
数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。
我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。
但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。
我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。
但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。
旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。
随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。
在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。
许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。
1.5步进电机
1.5.1步进电机的介绍及分类
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
1.5.2步进电机的特点
1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2．步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；
一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；
频率越高，反向电动势越大。
在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数：
空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下，启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
第二章SINUMERIK802Sbaseline数控系统的特点
SINUMERIK802Sbaseline数控系统集成了所有的CNC，PLC,MHI,I/O于一个单一的部件，其主要特点如下：
1.可独立于其他部件进行安装。
坚固而又节省空间的设计，使它可以安装到最方便用户的位置；
2.操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器，同时还提供12个带有LED的用户自定义键。
工作方式选择（6种），进给速度修调，主轴速度修调，数控停止与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作；
3.SINUMERIK802Sbaseline的输入/输出点为48个24V的直流输入和16个24V的直流输出。
输出同时工作系数为0.5时负载能力可达0.5A。
为了方便安装，输入输出采用可移动的螺丝夹紧端子，该端子可用普通的螺丝刀来紧固；
4.SINUMERIK802Sbaseline可控制三个进给轴和一个伺服主轴或变频器。
提供脉冲及方向信号的步进驱动接口。
除三个进给轴外，SINUMERIK802Sbaseline还提供一个±
10V的接口用于连接主轴驱动；
5.SINUMERIK802Sbaseline的控制软件已经存储在数控部分的Flash-EPROM（闪存）上Toolbox软件工具（调整所用的软件工具）包含在标准的供货范围内。
系统不再需要电池，免维护设计。
采用电容防止掉电引起的数据丢失。
程序的变化和新程序软件存储。
系统软件面向车床和铣床应用，并可单独安装。
在每一个工具盒中都包含有车床和铣床的PLC程序示例，以便用户能很快地调试完毕。
第三章电柜设计及电源选用
3.1在设计电柜时应注意事项
1.电柜应有冷却或通风装置，在使用风扇是必须在进气窗口安装防尘过滤网；
2.电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上；
3.电柜的防护等级为IP54；
4.接地应遵守国标GB/T5226.1—2002/IEC60204—1:
2000“机械安全电气设备第1部分：
通用技术条件”；
5.电柜中布线时，交流电源线（如85VAC,220VAC,380VAC以及变频器到主轴电机的电缆）必须与24VDC电缆和信号线电缆分开走线；
6.系统直流稳压电源24VDC之前需接入隔离变压器（控制变压器380VAC→220VAC,JBK3-400VA）,如图3-1所示。
步进驱动85VAC必须采用独立的隔离变压器（驱动变压器380VAC→85VAC,JBK3系列）。
如图1-2所示。
两个变压器的初级不可以接入到380VAC的同一相。
图3-1控制变压器
图3-2驱动变压器
7.现场没有良好接地的情况下，控制变压器必须为浮地设计，但此时任何与CNC控制器连接的外设（如PC等），其220VAC电源必须连接到控制变压器，如图1-1所示。
3.224VDC电源选用
CNC控制器采用24V直流供电，系统可在24V-15%到+20%之间正常工作。
直流电源的质量是系统稳定运行的关键，所有在选择电源时，其输出波应如图3-3所示。
24V直流电作为低压电源必须具有可靠大电隔离特性（按照IEC204-1,条款6.4，PELV），其电气参数如表3-1所示。
因此我们在选用西门子配套的24V直流稳压电源。
图3-3电源波形
表3-1负载电源电气参数
参数
最小值
最大值
单位
条件
电压平均值
20.4
28.8
V
波动性
3.6
非周期性过压
35
500ms持续时间，50s恢复时间
额定消耗电流
1.5
A
启动电流
4
数字输入和输出所需的24VDC用独立的24V直流电源，而不能与CNC控制器公用同一个24VDC稳压电源。
所有输入信号必须为电平信号，即“0”电平〔-3V---5VDC〕和“1”电平〔11V---30VDC〕。
悬空和高阻信号均为“0”电平。
第四章数控系统各部分的连接及接口设计
4.1系统的接线
SINUMERIK802Sbaseline控制器与步进驱动STEPDRIVEC/C+和步进电机的连接如图4-1所示。
连接电缆必须使用屏蔽电缆。
在系统一侧，电缆内屏蔽层必须与插头中的金属壳相连，为了使模拟量的指令值信号免受低频信号的干扰，驱动一侧的屏蔽不能接地。
4.2接口布置
系统的接口布置如图4-2所示
4.2.1CNC部分
1.X1电源接口（DC24V）：
3芯孔式端子排，用于连接24VDC负载电源；
2.X2通信接口（RS232）：
9芯D型针式插座；
3.X6主轴接口（SPNDLE）：
15芯D型孔式插座，用于连接一个主轴增量式编码器（RS422）；
4.X7驱动接口（AXIS）,50芯D型针式插座，用于连接具有包括主轴在内最多4个模拟驱动的功率模块；
5.X10手轮接口（MPG），10芯针式端子排，用于连接最多2个电子手轮；
6.X20高速输入接口（BERO），10芯针式端子排，用于连接NC-READY继电器和BERO接近开关。
4.2.2I/O部分：
1.X100到X105，各为10芯插头，用于数字输入；
2.X200到X201，各为10芯插头，用于数字输出；
3.S2系统总清开关；
4.调试开关S3启动方式选择开关；
5.保险丝F1-4A保险丝，外部设计使用户可以方便地更换。
6.D15-7字段LED显示当前系统的工作状态。
图4-1数控系统接线图
图4-2数控系统接口布置图
4.3PLC输入输出接口定义
SINUMERIK802Sbaseline在出厂时已经预装了“SAMPLE·
PTP”—集成PLC实例应用程序，我们在定义系统输入输出接口的时候，可以与厂家提供的PLC实例程序中的接口定义保持一致，这样在改造过程中，我们就无需自编PLC程序，只需利用厂家提供的“SAMPLE·
PTP”PLC实例程序就可以了，所要做的工作只是设定一下PLC机床参数。
本次改造的输入输出接口定义如表4-1所示。
4.4接口连接
4.4.1电源端子的连接（X1）
系统工作电源为直流24V电源，接到接线端子X1上。
其CNC一侧端子分配如表4-2所示
表4-1PLC输入输出接口定义
类别
接口名称
说明
输入信号
X100
I0.0
硬限位X+
I0.1
硬限位Z+
I0.2
X向参考点开关
I0.3
Z向参考点开关
I0.4
硬限位X-
I0.5
硬限位Z-
I0.6
过载
I0.7
急停按钮
X101
I1.0
刀架信号T1
I1.1
刀架信号T2
I1.2
刀架信号T3
I1.3
刀架信号T4
I1.4
未定义
I1.5
I1.6
I1.7
就绪信号
X102-----X105
输出信号
X200
Q0.0
主轴正转CW
Q0.1
主轴反转CCW
Q0.2
冷却控制输出
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
X201
Q1.0
Q1.1
Q1.2
Q1.3
Q1.4
主轴制动
Q1.5
Q1.6
Q1.7
表4-2电源端子X1端子分配
端子号
信号名
1
PE
保护地
2
M
0V
3
P24
直流24V
4.4.2通讯接口RS232的连接（X2）
在使用外部PC/PG与802Sbaseline进行数据通讯（WinPCIN）或编写PLC程序时，使用RS232接口，各引脚如图4-2所示。
其引脚1为屏蔽，其它引脚功能参见信号说明。
图4-2通讯接口RS232与PC的连接
信号说明：
RxD—数据接收TxD—数据发送RTS—发送请求
CTS—发送使能DTR—备用输出DSR—备用输入
M—接地
4.4.3主轴测量系统的连接（X6）
X6作为主轴编码器接口使用，用于把主轴的旋转角度反馈给802Sbaseline，其引脚分配如表4-3所示。
所连接的编码器应为5V增量式编码器。
表4-3插座X6的引脚分配
引脚
信号
信号含义
信号类型说明
n.c.
9
电源接地
电压输出
10
Z
零脉冲信号
5V输入信号
11
Z_N
P5_MS
电源+5.2
12
B_N
B向信号
5
13
B
6
14
A_N
A向信号
7
15
8
4.4.4步进及主轴驱动器与CNC控制器的连接（X7）
X7用于将步进驱动器及主轴驱动器同CNC控制器相连，电缆分配如表4-4所示。
连接示意如图4-3所示。
图4-3步进及主轴驱动器与802Sbaseline的连接
表4-4电缆分配
CNC侧
电缆
驱动侧
中芯颜色
驱动轴
黑
X轴
P1
38
棕
P1N
红
D1
39
橙
D1N
18
黄
E1
19
绿
E1N
40
白/灰
Y轴
P2
棕/黑
P2N
41
蓝
D2
紫
D2N
20
灰
E2
21
白
E2N
白/黑
Z轴
P3
42
白/棕
P3N
棕/红
D3
43
棕/橙
D3N
26
白/红
E3
27
白/橙
E3N
17
白/黄
主轴
50
白/绿
65
白/蓝
37
白/紫
56
4.4.5手轮接口（X10）
通过手轮接口X10可以在外部连接两个电子手轮。
X10有10个接线端子，引脚说明见表4-5。
表4-5手轮接口X10
A1+
手轮1A相+
GND
A1-
手轮1A相-
A2+
手轮2A相+
B1+
手轮1B相+
A2-
手轮2A相-
B1-
手轮1B相-
B2+
手轮2B相+
P5V
+5VDC
B2-
手轮2B相-
4.4.6高速输入接口（X20）
通过接线端子X20可以连接3个接近开关，其引脚说明见表4-6。
由于数控车床只有X和Z轴，所以需要两个接近开关。
如图4-4所示，SQ11、SQ12分别为X轴、Z轴回参考点接近开关（霍尔式、PNP型常开、有效电平为DC24V），分别接入高速输入接口X20的3号管脚HI_1和5号管脚HI_3。
表4-6高速输入接口X20
RDY1
NCReady使能触电1
HI_4
NCReady使能触电2
HI_5
HI_1
X轴参考点脉冲
HI_6
HI_2
Y轴参考点脉冲
N.C.
HI_3
Z轴参考点脉冲
接地
图4-4X20接线图
4.4.7数字输入端的连接（X100和X101）
PLC数字输入接口X100的接线如图4-5所示，SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、SQ9和SQ10分别为X+硬限位、Z+硬限位、X-硬限位、Z-硬限位、X轴参考点减速开关、Z轴参考点减速开关，FR1、FR2和FR3为热继电器的常开触电，当主电机、刀架电机或冷却泵电机过载时将闭合，其产生的过载信号从I0.6数字输入口输入。
SB1为急停按钮，当被按下时，所有PLC输出端口均无信号输出。
SQ5、SQ6、SQ7、SQ8和SB1均采用常闭逻辑。
若采用常开逻辑，则当P24端子到PLC输入点线路接触不良或开路时会造成SQ5等无效（即便是SQ5等闭合），从而会导致机床出现重大事故。
而采用常闭逻辑（负逻辑），则可避免事故的发生。
因为当P24端子到PLC的输入点之间的线路出现开路或接触不良时，该点被认为有效，机床会立即报警，这样就保证了机床只有在电路连接良好的情况下才能正常运行，提高了机床的安全性。
图4-5X100接线图
X101的接线如图4-6所示，I1.7接步进驱动器2中的RDY准备好信号。
SQ1、SQ2、SQ3和SQ4为四个霍尔式接近开关，分别对应于自动刀架的四个工位。
当某一刀位处于工作位置时，其位置传感器（霍尔元件）输出低电平，其余三个刀位的霍尔元件输出处于悬空状态，没有电平输出。
而SINU
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