毕业设计-数控车床主轴设计(共37页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目：西门子802S车床主轴设计 姓 名： 姬鹏飞 编 号： 平顶山工业职业技术学院 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 专业 任 务 下 达 日 期 年 月 日设计（论文）开始日期 年 月 日设计（论文）完成日期 年 月 日设计（论文）题目： A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录 系 专业，学生 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 专题（论文）题目： 指导老师： 答辩委员会根据学生

2、提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 专业 年级 毕业设计（论文）题目： 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 专心-专注-专业摘 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。

3、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802S Abstract Whether or not the smooth running of the spindle directly affects the accuracy of CNC lathe.To grasp the general design method of CNC application system, the Spindle control system of Siemens CNC Lathe was researched

4、 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 6 7 8 8 9 9 9 10 11 11 12 13 14 16 16 17 194.4 PLC程序图21结 论 31 32 33 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

5、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

6、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

7、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。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

8、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

9、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。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。向智能化方向发展随着人工智能

10、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

11、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SINUMERIK802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SINUMERl802S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；SINUMERl802C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；SINUMERl802D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

12、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

13、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PROF

14、IBUS 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/840

15、D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。 图2-3 四工位转位刀架 第三章 西门子802S数控车床主轴的设计3.1 设计方案利用西门子PLC对MICROMASTER 420变频器的控制来驱动主轴电机的运行，从而实现对主轴的控制。变频器UVW三相电与主轴电机相连；变频器PE接地；变频器5端控制主轴正转(KA2制)；变频器6端控制主轴反转(KA3控制)；变频器8端

16、接24V电源；变频器10 11报警输出；变频器3 4端24V电源给定。见图3-1。N C KDI/OHL反 转正 转P24+24VAL0AL1MN C KMICROMASTER 420图 3-1 主轴电气控制（1）速度控制速度控制由NCK实现。速度控制指令（S指令）通过译码以参数的形式把速度值经过D/A变换以010V的模拟电压输出，该模拟电压信号送到变频器的模拟量控制端控制电机转速。（2）方向控制方向控制由PLC实现。方向控制指令（M03/M04）通过译码以参数的形式把正反转标志传送给PLC，PLC控制程序根据标志位输出正反转控制信号，控制变频器实现电机正反转。（3）安全保护 当变频器发生故障

17、，AL0输出报警信号，PLC控制程序根据报警信号实现紧急停止并报警。3.2 变频器MICROMASTER 420本系统采用西门子MICROMASTER420变频器。该变频器的主要功能如下：（1）磁通电流控制（FCC），改善了动态响应和电动机的控制特性（2）快速电流限制（FCL）功能，实现正常状态下的无跳闸运行（3）内置的直流注入制动（4）复合制动功能改善了制动特性（5）加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能（6）具有比例，积分（PI）控制功能的闭环控制（7）多点V/f特性另外，还具有过电压/欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护、电动机过热保护、PTC电动机保护等。变频器的选型根据

18、设计要求，变频器选用参数如下：电源电压 380V10%功率 11KW输入频率 50HZ过载能力 在额定电流基础上过载50%合闸冲击电流 小于额定电流串行接口 RS232制动 直流注入制动，复合制动保护等级 IP20温度范围 -10C到+50C相对湿度 95%保护的特征 欠电压，过电压，过负载，接地，短路，电机失步，电机锁定保护变频器的接口MICROMASTER420变频器，采用RS232接口。插座类型为9芯D型插座，各引脚分配请见表3-1.表3-1引脚分配引脚信号类型引脚信号类型12345RxDTxDDTRMIOOVO6789DSRRTSCTSIOI 变频器的主要参数设置变频器的设置的参数如下

19、：P0010=0； P3900=1； P0304=380； P0305=36； P0307=7.5P0310=50；P0311=2900； P0700=2； P1000=2； P1120=5； P1121=53.3控制电路的设计 802S数控车床的主轴控制主要包括NCK、DI/O、MICROMASTER420、反馈装置和电机。主轴控制的简单说明：NCK的信号通过电流传送到变频器，然后变频器通过电流的高低来改变电机的转速，从而来控制主轴的速度；输入、输出口通过PLC的程序来控制中间继电器（KA1、KA2）的常开与常闭，从而来控制主轴的正、反转；变频器MICROMASTER420通过ALO和AL1

20、来反馈给CNC系统。变频器控制电路见图3-3。图 3-3 变频器控制电路3.4 西门子802S的主轴参数调试主轴分为开关量主轴和模拟量主轴。本系统采用模拟量主轴加变频器方案。有关机床参数如下。轴参数号参数名单位轴输入值参数定义30130CTLOUT-YYPE主轴0无模拟量输出30130CTLOUT-YYPE主轴1有正负10vdc模拟量输出30134IS-UNIPOLAR-OUTPUT主轴0双极性主轴输出，Q0.0和Q0.1可以由PLC使用30134IS-UNIPOLAR-OUTPUT主轴1单极性主轴输出，Q0.0和Q0.1不可以由PLC使用；30134IS-UNIPOLAR-OUTPUT主轴2

21、单极性主轴输出，Q0.0和Q0.1不可以由PLC使用；30200NUM-ENCS主轴0主轴无编码器反馈ENC-RESOLIPR主轴1024编码器每转脉冲数32260RATED-VELORPM主轴3000主轴额定转速36200AX-VELO-LIMIT0.5RMP主轴3300最大主轴监控速度36300MA-ENC-FREQ-LIMITHz主轴55000主轴监控频率35010GEAR-STEP-CHANGE-ENABLE主轴1模拟主轴换档使能35110GEAR-STEP-MAX-VELO0，1.5RPM主轴转速i主轴换档最大速度GEAR-STEP-MAX-VELOIMIT0，1.5RPM主轴转速i

22、主轴换档最大速度AX-VELO-LIMIT0，1.5RPM主轴转速i各档最大主轴监控速度DRIVE-AX-PATIO-DENUM0，1.5 主轴转速i主轴各档变化（电机端）DRIVE-AX-RATIO-NUMERA0，1.5主轴转速i主轴各档变化（主轴端） MD30134=1时； Q0.0=伺服使能； Q0.1=负方向运行；MD30134=2时； Q0.0=伺服使能正方向运行； Q0.1=伺服使能负方向运行；第四章 PLC程序设计主轴处于停止状态状态主轴运行指令状态紧停有效吗？状态 是状态使能信号有效吗？状态否是是是是否否否否否JOG/REF方式下主轴+/-键指令输出+状态MDA/AUTO方式

23、下M03/M04指令输出状态主轴处于制动状态状态主轴停止键或M05+状态有复位键指令+状态是否有M03到M04M04到M03？+状态制动过程是否结束？状态4.1 PLC控制流程图图4-1 PLC流程图4.2 PLC的I/O分配本系统用的是西门子S200 PLC，I/O分配表见表4-1。表4-1 PLC I/O分配表信 号 说 明输入信号 接口: X2003I0.0刀架位置码:T1I0.1刀架位置码:T2I0.2刀架位置码:T3I0.3刀架位置码:T4I0.4I0.5I0.6冷却,润滑热继保护（主轴控制需要的）I0.7变频器报警（主轴控制需要的）接口: X2004I1.0X+ 限位I1.1Z+

24、限位I1.2X- 限位I1.3Z- 限位I1.4X 参考点减速开关I1.5Z 参考点减速开关I1.6驱动就绪I1.7急停（主轴控制需要的）接口: X2005Q0.0主轴正转（主轴控制需要的）Q0.1主轴反转（主轴控制需要的）Q1.2冷却控制（主轴控制需要的）Q1.3刀架正转Q1.4刀架反转Q1.5导轨润滑Q1.6报警输出（主轴控制需要的）Q1.7冷却,润滑报警主轴控制PLC子程序的有关变量定义，见表4-2。表4-2 主轴控制PLC子程序的有关变量定义AddressNameVar TypeData DypeENINBOOLLW0NODEFINWORDL2.0T-64INBOOLL2.1T-63I

25、NBOOLL2.2SPADINBOOLL2.3OPTMINBOOLL2.4OverallINBOOLL2.5-1LMTpINBOOLL2.6-1LMTnINBOOLL2.7-1REFINBOOLL3.0-2LMTpINBOOLL3.1-2LMTnINBOOLL3.2-2REFINBOOLL3.3-3LMTpINBOOLL3.4-3LMTnINBOOLL3.5-3REFINBOOLININ-OUTL3.6-BRKOUTBOOLL3.7MSG1OUTBOOLL4.0MSG2OUTBOOL OUTL4.1X1HWLTEMPL4.2X2HWLTEMPL4.3X3HWLTEMPL4.4R-HWLTEMP

26、4.3 PLC的部分参数设定表4-3 Bit6/Bit7 定义主轴倍率转换速度Bit6Bit7主轴倍率转换速度00标准速度：50%，55%，60%，65%，70%，75%，80%，85%，90%，95%，100%，105%，110%，115%，120。01两倍标准速度：50%，60%，70%，85%，100%，110%，120%。11约三倍标准速度：50%，60%，70%，85%，100%，120%。11约四倍标准速度：50%，60%，80%，100%，120%。MD14512 16Bit 0=0 PLC正常运行（缺省设定）Bit 0=1 调试方式。PLC不检测馈入模块的就绪信号Bit 1=0

27、 无主轴命令且主轴已停止，停止后按主轴停止键取消主轴使能（缺省设定）Bit 1=1 无主轴命令，且主轴停止后主轴使能自动取消Bit 2=0 带有+/-10V给定的模拟主轴（缺省设定）Bit 2=1 带有010V给定的模拟主轴Bit 3=0 MCP上无主轴倍率开关（缺省设定）Bit 3=1 MCP有主轴倍率开关Bit 6/5/4=0 SINUMERIK 802S旋转监控无效（缺省设定）Bit 6/5/4=1 SINUMERIK 802S旋转监控生效MD14512 17Bit 2/1/0=0 返回参考点时进给倍率有效（缺省设定）Bit 2/1/0=1 返回参考点时进给倍率无效Bit 6/5/4=0

28、 Z/Y/X轴电机无抱闸（缺省设定）Bit 6/5/4=1 Z/Y/X轴电机无抱闸（只允许一个电机带抱闸）MD1451218Bit 1=0 子程序40的输入#OPTM 无效（缺省设定）Bit 1=1 子程序40的输入#OPTM有效。#OPTM=1指电机抱闸释放Bit 2=0 开机无润滑（缺省设定）Bit 2=1 上机自动润滑一次Bit 6/5/4=0 Z/Y/X每轴具有两个硬限位开关（缺省设定）（当Bit7=0时）Bit 6/5/4=1 Z/Y/X每轴具有一个硬限位开关（当Bit7=0时）Bit 1=0 硬限位采用PLC方案（缺省设定）（Bit 6/5/4有效）Bit 1=0 硬件方案（超程链

29、）4.4 PLC程序图网络1 X和Y坐标轴启用网络2 如果使用单一的限制开关，记录轴移动的方向。网络3 评价硬件限制在规定的MD_HEX_18.7 = 1网络4 发送切换投入有限的X +和X -到NCK ，第一轴接口为了出口限制开关， NCK要求轴移动方向的信号PLC的前有限开关reached.If只有一个控制继电器有两个摄像机，在积极的方向发展有限的开关信号的轴是必要的网络5 发送切换投入有限的Y +和Y -以NCK ，第二轴接口为了出口限制开关， NCK要求轴移动方向的信号PLC的前有限开关reached.If只有一个控制继电器有两个摄像机，在积极的方向发展有限的开关信号的轴是必要的。网络

30、6 发送切换投入有限的Z +和Z -到NCK ， 3轴接口为了出口限制开关， NCK要求轴移动方向的信号PLC的前有限开关reached.If只有一个控制继电器有两个摄像机，在积极的方向发展有限的开关信号的轴是必要的。7 复位从硬件限制覆盖复位在下列条件下：急诊链： NO释放，没有信号的正常和黄单人或双人交换机硬件限位开关逻辑没有和黄信号网络8 如果MD14512 12 0.7 = 1 ，饲料覆盖禁用于参考模式网络9 发送轴X和Y坐标的参考点的信号， NCK凸轮，轴1,2,3接口网络10 条件电机制动释放-没有紧急情况下积极发送轴X和Y坐标的参考点的信号， NCK凸轮，轴1,2,3接口网络11 如果MD14512 10 位1/2/3 = 1 ，使轴的X / Y / Z用脉冲监督职能。 （步进电机只）在脉冲监测职能积极， NCK计算的数额之间的接近开关脉冲信号，报警 25201 “邪恶轴心？驱动器故障” ，如果将检测的数量超过了宽容脉冲界定与MD31110 。备注：有关医学的定义应MD31100 BERO_CYCLE电机步骤之一丝杠螺距md31110 BERO_EDGE_TOL容忍步骤莶 结 论本设计对西