西门子802S数控车床的变频主轴设计与调试

西门子802S数控车床变频主轴设计与调试摘要主轴运行的是否平稳直接影响数控车床加工的精度。

通过对西门子802S数控车床主轴的研究、分析，从而掌握数控应用系统设计的一般方法。

主轴控制系统由西门子802S数控系统、变频器和主轴电机组成，通过PLC控制主轴的正反转、CNC控制主轴的转速。

关键词：数控车床；主轴；西门子802SDesigning Spindle Control Systemfor a Siemens 802S CNC LatheAbstractWhether or not the smooth running of the spindle directly affects the accuracy of CNC lathe.T o grasp the general design method of CNC application system, the Spindle control system of Siemens CNC Lathe was researched and analyzed, which had Siemens 802S CNC system, inverter and the spindle motor, where PLC controlling the direction, and CNC controlling the speed.Keywords: CNC Lathe；Spindle；Siemens 802S system目录引言 (2)第一章数控系统的介绍 (3)1.1 数控系统发展简史 (3)1.1.1 数控NC阶段 (3)1.1.2 计算机数控(CNC)阶段 (3)1.2 数控技术未来发展方向 (4)1.2.1 向开放式、基于PC的第六代方向发展 (4)1.2.2 向高速化和高精度化发展 (4)1.2.3 向智能化方向发展 (4)第二章西门子802S数控车床系统 (6)2.1 西门子802S的系统 (6)2.2 人机界面 (7)2.3 步进进给系统 (8)2.4 主轴驱动系统 (8)2.5 刀架控制系统 (9)第三章西门子802S数控车床主轴的设计 (10)3.1 设计方案 (10)3.2 变频器MICROMASTER 420 (11)3.2.1 变频器的选型 (11)3.2.2 变频器的接口 (12)3.2.3 变频器的主要参数设置 (12)3.4 控制电路的设计 (12)3.5 西门子802S的主轴参数调试 (13)第四章 PLC程序设计 (15)4.1 PLC控制流程图 (15)4.2 PLC的I/O分配 (16)4.3 PLC的部分参数设定 (18)致谢............................................................ 错误！未定义书签。

参考文献. (20)附录1 PLC程序 (21)附录2 电气原理图 (31)前言数控技术是先进制造业技术的基础，在机械及相关行业的应用已呈普及的趋势。

作为数控加工的主体设备，数控机床是一种机电一体化的高新技术产品，目前已成为金属加工的主体企业的必要装备。

随着数控技术在我国的普及和发展，迫切需要培养大量高素质、能力强的数控技术人才，以加强对学生能力素质的培养。

本次设计的课题是“西门子802S数控车床主轴的设计”，主轴在车床中有这很重要的地位，主轴的好坏直接影响到在加工时的精度。

802S数控车床主轴是用PLC对变频器的控制来改变电机的速度，来带动主轴的运行。

本说明书由4个章节构成。

第一章介绍了数控系统的发展史、数控技术未来发展方向；第二章介绍了西门子802S车床系统的组成，如人机界面和各驱动系统；第三章介绍了系统设计方案、控制电路的设计、主轴参数的调试等；第四章介绍了PLC程序设计思路和控制流程、I/O 地址的分配、PLC的部分参数的设定。

第一章数控系统的介绍1.1 数控系统发展简史1.1.1 数控NC阶段早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不打，不能适应机床实时控制的要求。

人们采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。

这个阶段历经了三代发展：第一代NC是电子管NC。

它是1948年美国怕森兹公司为研制新型直升机桨叶，在MIT的协助下，于1952年完成的。

由电子管、继电器、模拟电路构成的三坐标连续轨迹控制的数控铣床，用作数控机床的原型机或样品机。

第二代NC是晶体管NC。

1958年，晶体管取代了电子管，并广泛采用印制线路板。

第三代NC是采用小规模集成电路的NC。

1965年的三代—小规模集成电路。

1.1.2 计算机数控(CNC)阶段通用小型计算机已出现并成批生产，于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(NCN)阶段（把计算机前面应有的“通过”两个字省略了）。

到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件—运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。

到1974年，微处理器被应用于数控系统。

这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕，不如采用微处理器经济合理，而且当时的小型机可靠性也不理想。

早期的处理器的速度和功能虽还不高，但可以通过多处理器结构来解决。

由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。

到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。

数控系统从此进入了基于PC的阶段。

计算机数控阶段也经历了三代：即1970年的第四代—小型计算机；1974年的第五代—微处理器和1990年的第六代—基于PC。

1.2 数控技术未来发展方向1.2.1 向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统厂家会走上这条道路。

至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程和联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。

PC机所具有的友好的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯、远程诊断和维修将更加普遍。

日本、欧盟和美国等针对开放式的CNC，正在进行前后台标准的研究。

1.2.2 向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和和高精度方向发展的需要。

要求数控系统高速处理并计算出伺服电机的移动量，并要求伺服电机能快速地做出反应。

为使在极短的空程内达到高速度和在高行程速度下保持高定位精度，必须具备高加、减速度和高精度的位置检测系统和伺服品质。

通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来提高极度。

1.2.3 向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。

（1）用自适应控制技术。

数控系统能检测过程中的一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。

（2）引入专家系统指导加工。

将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律与特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库伟支撑，建立具有人工智能的专家系统。

当前，已开发出来模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络电火花加工数控系统。

（3）引入故障诊断专家系统。

当数控机床某部分出现故障时，故障诊断专家系统会进行判断、反馈，产生报警，或显示故障代号、故障部位等信息。

（4）智能化数字伺服驱动装置。

通过自动识别负载而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。

第二章西门子802S数控车床系统西门子802S数控车床系统由西门子802S数控系统、步进进给系统、主轴驱动系统、刀架等组成。

2.1 西门子802S的系统SINUMERIK 802数控系统是西门子公司开发的数控系统，用于数控车床、数控铣床、加工中心、数控磨床等。

该系统分为802S、802C、802D三种类型，其中SINUMERl 802S采用步进电动机驱动系统，同时具备一个±10V模拟接口用于连接主轴驱动；SINUMERl 802C采用模拟伺服驱动系统，采用标准的±10V模拟接口，可直接带动模拟驱动；SINUMERl 802D采用数字进给驱动电动机和数字主轴电动机，最多可控制4个数字进给轴和一个主轴。

SIEMENS 802S配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板，显示器为7in或5.7in单色液晶显示。

集成内置式PLC最大可以控制64点输入与64点输出，PLC的I/O模块与ECU间通过总线连接；系统体积小，结构紧凑，性能价格比高。

数控系统与外部模块的连接，见图2-1。

图2-1 系统结构图2.2 人机界面数控系统的人机界面由显示器、操作面板、机床控制面板组成，见图2-2。

图2-2 系统操作面板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，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作。

2.3 步进进给系统步进进给系统采用的是（STEPDRIVE C），是单轴型控制器，控制五相步进电机。

步进电机的步距角为0.36度。

驱动接口采用25芯D型插座。

每个驱动器接受三个信号，一个为脉冲信号，一个为方向信号，一个为使能信号。

发出的脉冲控制电机运行，每个上升沿使电机向前走一步，脉冲数决定电机转角，脉冲频率决定电机的转速。

2.4 主轴驱动系统主轴驱动系统采用的是SIEMENS 611U，是目前SIEMENS常用的交流数字式伺服驱动系统，其基本结构与611A相似，采用模块化安装方式，主轴与各伺服驱动单元共用电源。

用于进给驱动的伺服驱动模块有单轴与双轴两种结构型式，带有PROFIBUS DP总线接口。

驱动器内部带有FEPROM(non-volatile data memory，非易失可擦写存储器)，用于存储系统软件与用户数据，驱动器的调整、动态优化可以在W1NDOWS环境下，通过SimoComU软件自动进行，安装、调整十分方便。

驱动器由整流电抗器(或伺服变压器)、电源模块(NE module)、功率模块(Power module)、611控制模块等组成：电源模块自成单元，功率模块、611控制模块、PROFIBUS DP总线接口模块组成轴驱动单元。

各驱动器单元间共用611直流母线与控制总线，并通过PROFIBUS DP总线，与SIEMENS 802D/810D/840D系统相连接，组成数控机床的伺服驱动系统。

2.5 刀架控制系统刀架是经济型的四方位简易刀架，它的机械结构简单，调试和使用方便，结构如2-3所示。

其功能为：有四个刀位，能装夹四把不同的功能刀具，方刀架回转90°时，刀具变换一个位置，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。