基于SINUMERIK 840D的数控机床控制系统设计.pdf

基于 S I N U ME R I K 8 4 0 D 的数控机床控制系统设计术 口郝越邦 口焦亮 口化春雷 口刘春时 沈阳机床 集团 有 限责任公司 沈 阳 1 1 0 1 4 2 摘 要 介 绍 了利 用 西 门子 公 司的 数 控 系 统 S I NUMERI K 8 4 0 D 对 数 控 机 床 的 电 气控 制 部 分 进 行 设 计 ． 并 由 该 系统 最终 实现 整套数控 系统的运动控制 、 插补 运算、 故障报 警、 执行加工程序等功 能。 关键词 数控机床S I NU ME RI K 8 4 0 D数控 系统设计 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 0 6 0 0 0 6 0 3 1 数控机床主要功能介绍 由沈 阳 机 床 集 团 承 担 的 国 家“ 高 档 数 控 机 床 与 基 础 制 造 装 备 ”重 大 科 技 专 项 课 题 五 轴 联 动 精 密 卧 式 加 工 中 心 ． 主要 用 于 加 工 各 种 钻 孔 、 扩 孔 以及 其 它 各 种 孔 系 、 孔 距 要 求 较 精 确 的 零 件 ， 该 机 床 可 采 用 数 控 编 程 操 作 ． 也 可 采 用 手 动 操 作 ． 能 进 行 外 圆 、 端 面 以 及 内 孔 等 加 工 ，其 主 轴 具 有 速 度 高 和 扭 矩 大 的 特 点 。机 床 数 控 系 统 采 用 西 门 子 S I NUME R1 K 8 4 0 D．进 给 轴 由 交 流 伺 服 电 机 驱 动 分 别 由 8个 交 流 电 动 机 驱 动 ； 主 轴 采 用 3挡 变 速 ， 速 度 范 围 大 并 且 刚 性 好 。 2 SI NUMERI K 8 4 0 D介 绍 2． 1 SI NUMERI K 8 4 0D 系 统 描 述 S I NUMERI K 8 4 0 D 是 模 块 化 系 统 ．可 以 通 过 不 同 的模 块 组 合 满 足 不 同 的要 求 。 国家重大科技专项 编号 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1 0 2 5 收稿 习期 2 0 1 0年 l 2月 正 常 工 作 。 5 X 轴 的 龙 门 轴 设 置 为 GANT RY 轴 时 ， 置 如 下 参 数 S I NUMERI K 8 4 0 D 的 核 心 部 分 是 一 个 高 度 集 成 的 多 处 理 器 模 块 包 括 N C C P U、 集 成 S I MAT I C S 7 P L C C P U 和 通 信 处 理 器 、 带 有 操 作 单 元 及 编 程 器 接 口 、 E T 2 0 0 I ／ o 接 口 、 P R0F J B US接 口 及 数 字 驱 动 总 线 到 S I M0DRI VE 6 1 1的 接 口 。 该 系统 适 用 于 复 杂 的 加 工 中 心 控 制 系 统 ．它 可 以 随 意 组 合 并 具 有 较 高 的 组 态 灵 活 性 。 2 ． 2 S I NUMERI K 8 4 0 D 技 术 规 格 控 制 类 型 采 用3 2位 微 处 理 器 ， 车 、 钻 、 铣 、 磨 、 C NC连 续 轨 迹 控 制 以 及 内 部 集 成 式 P L C 控 制 。 控 制 结 构 5 0 n l l n宽 的 控 制 模 块 和 多 种 智 能 操 作 面 板 ， 可 以满 足 不 同层 次 的 需 求 。 P L C 编 程 内 装 S I MAT I C S 7 C P U， 程 序 和 数 据 存 储 器 可 扩 展 到 2 8 8 k B， S T E P 7语 言 、 I ／ O 模 块 可 扩 展 到 2 0 4 8个 数 字 输 入 ／ 输 出 点 ． 用 于 P L C定 位 轴 的 定 位 或 步 进 电 机 以及 7 - HI CR AP H 的 编 程 。 操 作 部 件 带 1 5 ” T 丌 ’ 液 晶真 彩 显 示 器 的 超 薄 操 作 面 板 0P 0l 5 A。带1 6个 用 户 定 义 键 的 机 床 控 制 面 板 需 要 设 4结论 MD1 9 3 1 0第 0位 激 活 龙 门轴 功 能 选 项 。 M D37 l 0O GANTRY AXI S TYPE。 M D37 1 l 0 GANTRY P0ST0L W ARNI NG。 M D3 7 1 2 0 GANTRY P0S J 0I ERR0R。 M D3 7 l 3 0 GANTRY P0SToL _ REF。 M D3 7 1 4 0 GANTRY BREAKUP。 6 X 轴 及 】 ， 轴 的 同 步 轴 设 置 。如 图 1 所 示 ， 和 、 3和 4 、 l ， l 和l ， 2 均 需 要 两 两 之 间 配 置 为 同 步 轴 ， 需 设 置 参 数 如 下 M D37250 M S AS S I GN M AS TER T 0RQUE _ C T R。 M D37252 M S _ASS I GN _MA STER_SPEED_CM D 。 2 0 1 1 ／ 6 对 直 线 电 机 在 数 控 机 床 上 的 应 用 进 行 了 简 介 。 通 过 直 线 电 机 的 计 算 选 择 、直 线 电 机 及 其 相 关 附 件 的 安 装 说 明 、 西 门 子 8 4 0 D 系 统 中 的 直 线 电机 调 试 等 内容 ． 对 直 线 电 机 的 使 用 及 注 意 事 项 加 以 了 总 结 。 为 直 线 电 机 在 数 控 机 床 上 的 应 用 提 供 了 一 条 捷 径 。 参 考 文 献 f 1 ] S I MODRI V E D r i v e s P e a k L o a d Mo t o r s o f t h e 1 F N3 P r o d u c t F a m i l y C o n fi g u r a t i o n Ma n u a l [ Z] ． S i e m e n s ， G e r ma n y ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] C l a mp i n g a n d B r a k i n g E l e me n t s f o r L i n e a r G u i d e s [ Z] ． G e r - ma n y ， Z i mme r GMB H ， 2 0 0 8 ． 编 辑 小 前 机械制造 4 9 卷 第 5 6 2 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m MCP4 8 3C， 机 床 控 制 面 板 带 3 0个 用 户 定 义 键 和 按 钮 开 关 以及MMC 1 0 3带 硬 盘 的 标 准 P C， 硬 件 配 置 I NT E L P ENTI UM处理器、 1 6 ～3 2MB RAM 、 MS W I N9 5 或 WI NDOWS NT操 作 环 境 、用 户 可 定 义 的 操 作 画 面 、 两 个 通 用 的 RS 2 3 2 C接 口 V2 4 、 键 盘 接 口 、 MP I 、 用 户 定 义 键 的 MP I接 口 模 块 、 打 印 机 并 行 口 、 磁 盘 驱 动 器 接 及 PCI ／ I S A 适 配 器 。 3设备选型 3 ． 1 HMI显 示 设 备 选 型 分 辨 率 6 4 0 x 4 8 0， L C D 背 光 灯 ， 彩 色 平 面 屏 幕 1 5 T F T ， 通 过 P C U 供 电 的 5 V、 5 ． 2 V、 1 2 VDC 电 源 接 口 功 率1 6 W 可 用 于 P C U2 0、 P CU5 0、 P CU 7 0等 计 算 机 单 兀。 3 ． 2 PCU 设 备 选 型 系 统 软 件 版 本V6 ． 0， W I NXP操 作 系 统 ， 5 1 2 M 内 存 ． 直 流 2 4 V 供 电 ， 两 个 串 口 ， 一 个 打 印 口 ， P S 2接 口可 用 于 外 接 鼠标 键 盘 ， US B 接 口 ， I D 接 口 和 软 驱 接 口 ， 以太 网 接 口 。 高 性 能 vGA 接 口 以 及 用 于 连 接 NC U 和 MCP 的 MPI接 口 。 3． 3伺 服 系 统 选 型 伺 服 系 统 用 于 驱 动 主 轴 电 机 和8台进 给 电 机 ， 伺 服 系 统 需 配 置 电 源 模 块 NE 该 模 块 中 还 配 置 进 线 电 抗 器 、 浪 涌 吸 收 器 以 及 冷 却 风 机 、 主 控 制 模 块 Nc u 、 主 轴 驱 动 模 块 MS D 以及 进 给 驱 动 模 块 F DD 。 其 中 MS D、 F DD 的 驱 动 电 源 为 直 流 母 排 供 电 ，该 电 源 统 一 来 自 电 源 模 块 ， NC U、 MS D、 F DD 的 控 制 电 源 来 自 电 源 模 块 上 面 的 扁 平 电缆 。各 个 模 块 之 间 使 用 通 信 扁 平 电 缆 连 接 ． 用 以实 现 信 号 传 递 注 意 通 信 电 缆 终 端 要 连 接 终 端 模 块 。 可 根 据 进 给 轴 的 多 少 来 选 择 F D D 的 数 量 ， 本 系 统 中 配 置 MS D 模 块 用 以 实 现 主 轴 的 控 制 ， F DD 模 块 用 以实 现 各 进 给 轴 的 控 制 。 3 ． 4 PLC 系 统 选 型 P LC 的 CPU 内 置 于NCU 中 ． 所 以 只 需 要 配 置 P L C 扩 展 机 架 便 可 。 本 系 统 中共 配 置 5个 机 架 ， 机 架 上 面 插 有 DI模 块 每 个 模 块 为 4点 输 入 模 块 和 D0 模 块 每 个 模 块 为 4点 输 出 模 块 ， 其 中 两 块 模 块 输 出 外 接 中 间 继 电 器 ， 机 架 配 置 电 源 模 块 一 个 电 源 模 块 为 I O A 直 流 输 出 、 直 流 2 4 V 供 电 。 机 架 上 面 配 置 通 信 接 口模 块 ． 用 来 和 NC U 通 信 。整 个 系 统 的 P L C配 置 如 图 机械制造 4 9 卷 第 5 6 2 期 l所 不 。 3． 5 电 机 型 号 选 型 单 套 交 流 伺 服 电 机 有 9个 ，一 个 主 轴 电 机 以及8 个 进 给 电 机 。其 中 主 轴 电 机 选 择 3 7 k W ，额 定 转 速 为 1 5 0 0 r ／ mi n。 8个 进 给 电机 分 别 选 择 2个1 1 ． 6 k W ， 额 定 转 速 为 3 0 0 0 r ／ rai n； 1个 2 2 k W ，额 定 转 速 为 3 0 0 0 r ／ mi n； 2个 9． 7 k W ， 额 定 转 速 为 3 0 00 r ／ mi n； 2个l1 ． 5 k W ， 额 定 转 速 为 2 0 0 0 r ／ mi n； 1个 8 ． 0 k W ， 额 定 转 速 为 2 0 0 0 r ／ rai n 选 择 电 机 时 还 要 注 意 现 场 的 安 装 位 置 ， 要 考 虑 到 以 下 几 点 主 轴 电 机 的 安 装 底 板 、 连 接 套 必 要 时 要 进 行 非 标 加 工 安 装 底 板 、进 给 电 机 的 过 桥 板 问 题 、 进 给 电 机 编 码 器 及 编 码 器 电缆 以及 主 轴 速 度 匹 配 。 除 主 轴 内 部 编 码 器 外 ， 又 另 外 增 加 了 一 个 外 置 编 码 器 ， 以 提 高 系 统 的 加 工 精 度 。 3． 6控 制 柜 及 操 作 台 选 型 控 制 柜 选 用 施 奈 德 产 品 ， 控 制 柜 尺 寸 为 2 2 0 0 H X1 2 0 0 w x 6 0 0 D 单 位 h i m 的 两 个 并 柜 ， 左 右 开 门 ， 柜 之 间 安 装 侧 板 。 操 作 台 为 非 标 产 品 ， 操 作 箱 尺 寸 为 6 0 0 w x 4 0 0 D x 6 0 0 H 单 位 l T l m ， 前 面 安 装 oP 0 1 5 A、 机 床 控 制 面 板 、 手 轮 以及 开 关 按 钮 等 ， 操 作 箱 侧 壁 安 装 空 调 设 备 。 3 ． 7 空 调 设 备 选 型 控 制 柜 上 面 安 装 一 台 门 式 空 调 机 ．空 渊 机 功 率 为 2 900 W 。 3． 8选 择 开 关 、 按 钮 指 示 灯 选 型 操 作 台 、 刀 库 修 调 盒 以 及 主 轴 按 钮 盒 上 面 的 选 择 开 关 及 按 钮 指 示 灯 设 备 主 要 选 用 施 奈 德 公 司 的 。指 示 灯 灯 泡 选 用 高 亮 度 指 示 灯 ．带 灯 按 钮 颜 色 根 据 现 场 习 惯 来 选 用 ，故 障 选 择 红 颜 色 按 钮 ，操 作 选 择 黄 颜 色 按 钮 ， 工 作 方 式 、 运 行 状 态 选 择 绿 颜 色 按 钮 。急 停 按 钮 安 装 3个 一 个 安 装 在 机 床 控 制 面 板 上 面 ， 一 个 安 装 在 刀 库 修 调 盒 上 面 ， 最 后 一 个 安 装 在 主 轴 按 钮 盒 上 面 。 3 ． 9低 压 设 备 选 型 P L C输 出 信 号 除 指 示 灯 之 外 ，其 余 均 接 0MRON 中 间 继 电 器 。 继 电 器 选 择 2 4 V 节 点 输 出 ， 输 出 电 流 为 5 A。 急 停 系 统 中 需 有 安 全 继 电 器 ， 电 机 需 安 装 温 度 继 电 器 ， 主 接 触 器 需 配 辅 助 节 点 ， 主 空 气 开 关 需 配 辅 助 节 点 。 热 继 电 器 、 继 电器 以及 接 触 器 选 型 以 ABI 3为 主 。 所 涉 及 控 制 的 电 机 有 风 扇 电机 、 润 滑 电机 、 液 压 电 机 、 油 压 电 机 以 及 冷 却 电 机 等 。 经 过 以 上 的 设 备 选 型 以 及 按 照 数 控 系 统 改 造 标 准 ， 设 计 出数 控 及 基 础 自动 化 系 统 配 嚣 图 见 图 2 。 4系统 功能实现 4． 1 PCU50 P CU5 0是 一 个 基 于 WI ND0 WS 的软 件 系 统 。在 此 20 11／6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基 础 上 可 以 完 成 数 控 系 统 的 设 置 、 组 态 和 操 作 ， 并 且 可 以 在 此 基 础 上 编 制 加 工 程 序 ， 优 化 整 个 系 统 功 能 ， 用 户 编 制 的 数 控 加 工 程 序 存 放 在 P CU上 面 。 4． 2机 床 控 制 面 板 机 床 控 制 面 板 用 来 进 行 机 床 的 相 关 操 作 。 操 作 方 式 有 点 动 、 MDA、 自动 等 方 式 ， 主 要 应 用 于 系 统 的 主 轴 控 制 和 进 给 控 制 功 能 。 4． 3 ET2 0 0 PL C ET 2 0 0 P L C用 以 实 现 机 床 的 辅 助 控 制 功 能 ， 包 括 系 统 供 配 电 、 外 部 位 置 检 测 以 及 辑 逻 连 锁 等 。 E T 2 0 0 P L C具 有 体 积 小 、 组 态 灵 活 、 控 制 可 靠 和 操 作 简 便 等 优 点 。 4． 4 61l D 伺 朋L系 统 6 1 l D 伺 服 系 统 是 西 门 子 全 数 字 交 流 伺 服 马 达 控 制 系 统 。 它 由 电 源 模 块 、 功 率 模 块 、 控 制 模 块 和 速 度 反 馈 编 码 器 构 成 。6 1 1 D 伺 服 系 统 是 一 个 可 以 在 MMC1 0 3 软 件 系 统 中 实 现 控 制 优 化 的 数 字 伺 服 运 动 控 制 系 统 。 其 可 以用 来 实 现 高 精 度 的 位 置 和 速 度 控 制 定 位 精 度 可 以 达 到 l m 。 4 ． 5 1 F T6和l PH7伺 耶 电 机 1 F T 6电 机 是 西 门 子 生 产 的 专 门 用 于 伺 服 运 动 的 交 流 电 机 。 该 电机 转 矩 大 、 体 积 小 ， 控 制 灵 活 ， 是 一 种 高 精 度 的机 床 进 给 伺 服 电机 。 2 0 1 1 ／ 6 1 P H7 电 机 是 西 门 子 生 产 的 专 门用 于 主 轴 运 动 的 交 流 电 机 ， 它 智 能 性 好 ， 故 障 率 低 ， 制 动 灵 活 ， 而 且 其 内 装 编 码 器 可 以 实 现 与 S I NUME RI K 8 4 0 D 系 统 的 通 信 。 I 兀 16进 给 伺 服 电 机 和 1 P H7主 轴 电 机 内 装 位 置 反 馈 编 码 器 和 速 度 反 馈 编 码 器 ，配 有 专 用 编 码 器 连 接 电 缆 ， 这 样 方 便 了 和 伺 服 控 制 卡 及 电 机 之 间 的 连 接 ， 并 且 连 接 可 靠 ， 减 少 了 施 工 维 护 时 间 。 5 结束语 精 密 卧 式 加 工 中 心 电 气 控 制 系 统 通 过 利 用 S I NUMERI K 8 4 0 D 进 行 电 气 设 计 后 ． 已 经 达 到 以 下 验 收 标 准 1 保 i i E了 客 户 所 要 求 的 各 种 功 能 ； 2增 加 了 系 统 的 可 靠 性 ， 减 少 了 故 障 时 间 ； 3 提 高 了 系 统 易 维 护 性 ， 降 低 了 维 护 强 度 ； 4备 件 统 一 ， 降 低 了 备 件 采 购 费 用 ； 5 系 统 满 足 了 可 扩 展 性 和 易 操 作 性 的 要 求 ； 6 技 术 资 料 和 图 纸 齐 全 。 参 考 文 献 [ 1 ] 杨光 ， 朱 震忠． 深入浅 出西 门子 S 7 3 0 0 P L C [ M] ． 北京 北 京航天航空大学 出版社 ， 2 o o 4 ． △ 编 辑 禾 禾 机械制造4 9 卷 第 5 6 2 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m