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加工中心電氣係統的改造設計

2019-6-28 來源：天津職業技（jì）術師範大學（xué）作者：來華

摘要: 針對（duì）某職業學校 HASS VF－3D 立式加工中心頻（pín）繁出現故障影響教學的情況，對（duì）該加工中（zhōng）心進（jìn）行改造，設計了（le）一種實訓型加工中心。介紹了加工（gōng）中心數控（kòng）係統的選型，闡述了（le）加工（gōng）中心電氣係統改造硬件設計，係統試運行成功。

關鍵詞（cí）: 加工中心; 電氣係統; 改造

0 引言

本文所研究的對象是某職業學校實（shí）訓（xùn）車間的（de）一台 HASSVF－3D 立式加工中心（xīn）。

這台加工中心已經（jīng）使（shǐ）用多年，在經曆了（le）多次的（de）大型維修之後，還是經常出現故障，對（duì）教學造成了嚴重的影響，為此（cǐ）本文針對這一情況對加工中心進行改造。本文考慮到該加工中心機床部（bù）分基本完好而數（shù）控係統等已經無法繼續使（shǐ）用，打算改造為一種實訓型加工中心。

首先將原有的數控係統進行更換，同時在原有的係統中變頻器和伺服驅動器與原有（yǒu）的數控係統是通（tōng）過一（yī）個保密的協（xié）議（yì）進行通信的，新的係統無法與（yǔ）原（yuán）有的（de）變頻器與伺服（fú）驅動器進行通信，所以也要（yào）更換掉。

如果伺（sì）服驅動器更換（huàn）了，那麽伺服電機也要（yào）進行更換。對於主軸電機（jī）來說，由於其功率相對來說是比較大的，同時現（xiàn）階段的運行過程中也沒有出現太多的異常，所以可以繼續使用。另（lìng）外機械部分的（de）一些改（gǎi）造工作僅僅隻為（wéi）了配合係統電氣部分的改造（zào）工作，不用進行太多的改變。

1 、數控係統的選型

由於本文設計的是實訓型加工中心，因此在（zài）整個加工中（zhōng）心的改造工作裏麵最為核心的就是數控係統的改（gǎi）造工作了（le），必須要選（xuǎn）擇一個合適的數控（kòng）係（xì）統才能夠使工作順利完成，同時數控係統的（de）其他部分比如變頻器及伺服驅動也就確（què）定了。

本次加工中（zhōng）心改造（zào）的目的是為了使加（jiā）工中（zhōng）心更能滿足教學的需要，所以設計的（de）過程中（zhōng）沒有必要過多的追求加工性能，本文選擇了當前主流（liú）的西門子數控係統 SINUMERIK 808D，在伺服驅動方麵選擇的是 SINAMICS V60 伺（sì）服係統，在主軸方麵選擇的是模擬主軸，在變頻器方麵選擇的是MICROMASTER420。

2 、電氣係統的設計與選型

2．1 加工中心伺服係統設（shè）計

對於（yú）整個（gè）數控機（jī）床來說，比較重（chóng）要的一個部分就是伺服係統了，因此一定要（yào）選擇一個合理適用的。為了（le）使選擇的電機能夠符合改造（zào）的要求，其給定負載首先要符合要求，其次再校核負載慣量。

在數（shù）控（kòng）機床裏麵，如（rú）果一個零件要進行切削加工的時候，伺服電機所輸出的力矩（jǔ）要克服一定的力矩: 恒定的負載力矩以及切削力（lì）矩; 機床工作台加、減速需要（yào）的（de）力矩，選擇的伺服電（diàn）機能夠滿足需求，需要看這個電機是否滿足這個條件: 負載的慣量不能大於電動機本身慣量的 3 倍。

所謂的電機負（fù）載慣量就是電機運行過程中由（yóu）於轉動而驅動（dòng）物體慣（guàn）量形成的（de），要算出每一個運動的物體的慣量（liàng），不管其是直線（xiàn）運動還是進行轉動的，之後再通過一定的規則把每個慣量進行折（shé）算求（qiú）和，就能夠算出總慣（guàn）量。

電機的負載慣量對於電（diàn）機動態響應的影響是特別巨大（dà）的，這些影響會直接（jiē）影響到被加工（gōng）零件的質（zhì）量，一旦負載慣量的（de）大小突然變大，期間電機（jī）的轉（zhuǎn）速也出現很大的變化，會需要特別長的加減速時（shí）間才能夠得到指令所需的速度，特別是機床高速完成圓弧、樣（yàng）條等曲線的插補時，所引起的偏差會更大。通常情況下，一切折算到電機軸上負載慣量都（dōu）必須要（yào）小於電機慣量大小的三倍，改造方（fāng）案 XY 進給（gěi）軸選（xuǎn）型為額定電流 4A 的 SI-NAMICS V60 伺服驅動器（qì），SIMOTICS 1FL5 SIMOTICS 1FL5 伺服電機選型為（wéi） 4N·M，Z 進給軸選型（xíng）為（wéi） 6A 的驅動器和 6N·M的伺服電機，通過查閱《SINUMERIK 808D 數控係統選型樣（yàng）本》中的電機選型表（biǎo），這些電機的電機慣性滿足:

因此本（běn）方案選取的電機滿足要求。

2．2 PLC 控製和（hé）接口設計

係統內嵌的 PLC 所要進行控製任務包括一些（xiē）數控機床進（jìn）給速度的（de）控（kòng）製，當然還有一些係統的時序控製（zhì）任務。當前數控機床都（dōu）是通過 PLC 來（lái）實現控製（zhì）功能的，相比於傳（chuán）統（tǒng）的（de）獨立PLC，數控機床的 PLC 全（quán）是內部集（jí）成的，在數控係統裏麵為（wéi）一個電路（lù）板，並沒有（yǒu）自己的 CPU，通常情況下都（dōu）是和數控係統通用。

而在導軌上（shàng）安裝的是 PLC 的輸入輸出模塊，這些（xiē）模塊能夠根據（jù）係統的需要配置相應的數字量或者模擬量模塊。在編（biān）程方麵，數控機床內部的 PLC 和獨立的 PLC 是一樣的，可以方便操作人員進行使用。

2.2．1 808D 內嵌式（shì） PLC —S7－200 PLC 簡介

在本文數控係統內部的 PLC 是西門子係列的 S7－200。在S7－200PLC 的程序結構中（zhōng）一般有（yǒu）主程序和子程序之分，PLC 在（zài）進行周（zhōu）期（qī）循（xún）環的時候隻對那些主程序進行掃描，子程序不進行掃描（miáo），子程序隻（zhī）是在（zài）主程序中被調用，同時子程序能夠進行多級嵌（qiàn）套調用。在數控係統裏麵，PLC 係統和 NC 係統是用一個 CPU 的，PLC 內置的編程工具 Programming Tool V3．2 是PLCS7－200 的（de）一個子集，其編程界麵和（hé） S7－ 200 的 STEP7 － Mi-cro / WIN 是一（yī）樣（yàng）的。PLC 程序的下載以及上傳都是由係統以及 PC 機上的 RS232 接口進（jìn）行的。

2．2．2 數控機床 PLC 與外（wài）部的信息（xī）交換

在（zài）進行信息交換的時候，數控機床內部的（de） PLC 和獨立 PLC 是不一樣的，常規的獨（dú）立 PLC 都是通過（guò）輸入以及輸出（chū）和外部進行信息（xī）的交換。外部所有的（de）信（xìn）息作為（wéi）輸入送到 PLC

裏麵，在 PLC 裏麵進行計算，輸出（chū）結果再輸出給外部部件。

而（ér）數控機床內嵌的 PLC在和外部信（xìn）息進行交換的時候，也包含上（shàng）麵兩個途徑，但（dàn）是在（zài）數控機（jī）床係統裏麵，PLC 不再是控製的核心（xīn），其輸入就是係統下（xià）達的某些任務，因此 PLC

所控製的不是所有（yǒu）機床係統的任務，隻是其中（zhōng）的一部分，PLC 從（cóng）數（shù）控係統中接收指令，再通過邏輯運算，把結果輸出到機床上，起到承上啟下的作用。

2．2．3 鬥笠式刀庫電氣控製線路的設計

在原有加工中心的機床中配備的是電機驅動（dòng）的鬥笠式刀庫，其大部分功能都是通過 PLC 實（shí）現的（de），原有的刀庫電氣線路無法應用在新的係統上，所以要重新進行設計工作。鬥（dòu）笠式刀庫（kù）之前的 I/O 點根據原材料（liào）的查閱能夠獲得，本文設計把這（zhè）些I / O 點和 808D 的 PLC 接口相連，通過 PLC 即能控製鬥笠式刀庫的運行。

3 、係（xì）統試運行

為了驗證本文設計實訓性加工中心的性（xìng）能，在使用（yòng）之前一定要試運行。試運行的（de）時候為無負載運行，根據相關標（biāo）準的（de）要求（qiú），在空運行的時候程序要一（yī）直運行長達 32 h，並且倍率開關要一直保持在 100%。機床（chuáng）進行運行的時候不（bú）能（néng）夠出現任何問（wèn）題，否則重新開始，在（zài）空運行的時候可以非故障停機，每次時間不可以大（dà）於半小時，否則必須要重新開（kāi）始。

在進行試運行之前，要檢查機床是否能夠（gòu）滿足下列條件:

1) 在（zài）立體三軸上麵均要配置一個導軌（guǐ）伸縮（suō）防護罩作為保護措施。

2) 係統的刀（dāo）庫裏麵要掛滿刀。

3) 整個係統（tǒng）的安（ān）裝以及調試工作都要完成並且不出現任何問題。

4) 整個係（xì）統（tǒng）在準備運轉之前（qián），一定要完成（chéng）清潔工作並將所有的（de）電櫃門關上。

所有條件滿足之後，數控機床開始進行試運行工作，在整個過程中沒有發現任何機床故（gù）障，試運行通過。

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