加工中心電氣系統的改造設計
2019-6-28 來源： 天津職業技術師范大學 作者：來 華
摘 要: 針對某職業學校 HASS VF－3D 立式加工中心頻繁出現故障影響教學的情況，對該加工中心進行改造，設計了一種實訓型加工中心。介紹了加工中心數控系統的選型，闡述了加工中心電氣系統改造硬件設計，系統試運行成功。
關鍵詞: 加工中心; 電氣系統; 改造
0 引言
本文所研究的對象是某職業學校實訓車間的一臺 HASSVF－3D 立式加工中心。
這臺加工中心已經使用多年，在經歷了多次的大型維修之后，還是經常出現故障，對教學造成了嚴重的影響，為此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分基本完好而數控系統等已經無法繼續使用，打算改造為一種實訓型加工中心。
首先將原有的數控系統進行更換，同時在原有的系統中變頻器和伺服驅動器與原有的數控系統是通過一個保密的協議進行通信的，新的系統無法與原有的變頻器與伺服驅動器進行通信，所以也要更換掉。
如果伺服驅動器更換了，那么伺服電機也要進行更換。對于主軸電機來說，由于其功率相對來說是比較大的，同時現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。另外機械部分的一些改造工作僅僅只為了配合系統電氣部分的改造工作，不用進行太多的改變。
1 、數控系統的選型
由于本文設計的是實訓型加工中心，因此在整個加工中心的改造工作里面最為核心的就是數控系統的改造工作了，必須要選擇一個合適的數控系統才能夠使工作順利完成，同時數控系統的其他部分比如變頻器及伺服驅動也就確定了。
本次加工中心改造的目的是為了使加工中心更能滿足教學的需要，所以設計的過程中沒有必要過多的追求加工性能，本文選擇了當前主流的西門子數控系統 SINUMERIK 808D，在伺服驅動方面選擇的是 SINAMICS V60 伺服系統，在主軸方面選擇的是模擬主軸，在變頻器方面選擇的是MICROMASTER420。
2 、電氣系統的設計與選型
2．1 加工中心伺服系統設計
對于整個數控機床來說，比較重要的一個部分就是伺服系統了，因此一定要選擇一個合理適用的。為了使選擇的電機能夠符合改造的要求，其給定負載首先要符合要求，其次再校核負載慣量。
在數控機床里面，如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要克服一定的力矩: 恒定的負載力矩以及切削力矩; 機床工作臺加、減速需要的力矩，選擇的伺服電機能夠滿足需求，需要看這個電機是否滿足這個條件: 負載的慣量不能大于電動機本身慣量的 3 倍。
所謂的電機負載慣量就是電機運行過程中由于轉動而驅動物體慣量形成的，要算出每一個運動的物體的慣量，不管其是直線運動還是進行轉動的，之后再通過一定的規則把每個慣量進行折算求和，就能夠算出總慣量。
電機的負載慣量對于電機動態響應的影響是特別巨大的，這些影響會直接影響到被加工零件的質量，一旦負載慣量的大小突然變大，期間電機的轉速也出現很大的變化，會需要特別長的加減速時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必須要小于電機慣量大小的三倍，改造方案 XY 進給軸選型為額定電流 4A 的 SI-NAMICS V60 伺服驅動器，SIMOTICS 1FL5 SIMOTICS 1FL5 伺服電機選型為 4N·M，Z 進給軸選型為 6A 的驅動器和 6N·M的伺服電機，通過查閱《SINUMERIK 808D 數控系統選型樣本》中的電機選型表，這些電機的電機慣性滿足:
因此本方案選取的電機滿足要求。
2．2 PLC 控制和接口設計
系統內嵌的 PLC 所要進行控制任務包括一些數控機床進給速度的控制，當然還有一些系統的時序控制任務。當前數控機床都是通過 PLC 來實現控制功能的，相比于傳統的獨立PLC，數控機床的 PLC 全是內部集成的，在數控系統里面為一個電路板，并沒有自己的 CPU，通常情況下都是和數控系統通用。
而在導軌上安裝的是 PLC 的輸入輸出模塊，這些模塊能夠根據系統的需要配置相應的數字量或者模擬量模塊。在編程方面，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 PLC —S7－200 PLC 簡介
在本文數控系統內部的 PLC 是西門子系列的 S7－200。在S7－200PLC 的程序結構中一般有主程序和子程序之分，PLC 在進行周期循環的時候只對那些主程序進行掃描，子程序不進行掃描，子程序只是在主程序中被調用，同時子程序能夠進行多級嵌套調用。在數控系統里面，PLC 系統和 NC 系統是用一個 CPU 的，PLC 內置的編程工具 Programming Tool V3．2 是PLCS7－200 的一個子集，其編程界面和 S7－ 200 的 STEP7 － Mi-cro / WIN 是一樣的。PLC 程序的下載以及上傳都是由系統以及 PC 機上的 RS232 接口進行的。
2．2．2 數控機床 PLC 與外部的信息交換
在進行信息交換的時候，數控機床內部的 PLC 和獨立 PLC 是不一樣的，常規的獨立 PLC 都是通過輸入以及輸出和外部進行信息的交換。外部所有的信息作為輸入送到 PLC
里面，在 PLC 里面進行計算，輸出結果再輸出給外部部件。
而數控機床內嵌的 PLC在和外部信息進行交換的時候，也包含上面兩個途徑，但是在數控機床系統里面，PLC 不再是控制的核心，其輸入就是系統下達的某些任務，因此 PLC
所控制的不是所有機床系統的任務，只是其中的一部分，PLC 從數控系統中接收指令，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 斗笠式刀庫電氣控制線路的設計
在原有加工中心的機床中配備的是電機驅動的斗笠式刀庫，其大部分功能都是通過 PLC 實現的，原有的刀庫電氣線路無法應用在新的系統上，所以要重新進行設計工作。斗笠式刀庫之前的 I/O 點根據原材料的查閱能夠獲得，本文設計把這些I / O 點和 808D 的 PLC 接口相連，通過 PLC 即能控制斗笠式刀庫的運行。
3 、系統試運行
為了驗證本文設計實訓性加工中心的性能，在使用之前一定要試運行。試運行的時候為無負載運行，根據相關標準的要求，在空運行的時候程序要一直運行長達 32 h，并且倍率開關要一直保持在 100%。機床進行運行的時候不能夠出現任何問題，否則重新開始，在空運行的時候可以非故障停機，每次時間不可以大于半小時，否則必須要重新開始。
在進行試運行之前，要檢查機床是否能夠滿足下列條件:
1) 在立體三軸上面均要配置一個導軌伸縮防護罩作為保護措施。
2) 系統的刀庫里面要掛滿刀。
3) 整個系統的安裝以及調試工作都要完成并且不出現任何問題。
4) 整個系統在準備運轉之前，一定要完成清潔工作并將所有的電柜門關上。
所有條件滿足之后，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障，試運行通過。
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