基于西門子828D數(shù)控系統(tǒng)的主軸箱電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：主軸箱的主軸控制系統(tǒng)包括機(jī)械控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)，其中主軸的啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、升速、降速等功能控制主要是通過(guò)電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)以西門子828D數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)機(jī)床主軸性能的需要，對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng);電氣設(shè)計(jì);主軸箱

0? ? 引言

近幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)需求的不斷升級(jí)，改革開放的不斷深入，數(shù)控機(jī)床作為工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品之一，已成為實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)備。

在數(shù)控機(jī)床各個(gè)機(jī)械組成中，主軸顧名思義就是各類軸中的核心，其控制也是重中之重。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通常是主軸上安裝的刀具的切削力和保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)力來(lái)源。根據(jù)當(dāng)前需求側(cè)的成本和工藝需求，主軸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要選用交流異步電機(jī)的電主軸。因此，為了獲得良好的主軸特性，設(shè)計(jì)中常采用具有更高速度控制精度的交流異步直驅(qū)電機(jī)。

1? ? 主軸驅(qū)動(dòng)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主軸作為設(shè)備上刀具切削力的主要來(lái)源，結(jié)合進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)，直接決定了工件完成后的表面質(zhì)量和輪廓精度，同時(shí)也決定了機(jī)床的加工效率。

目前數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)上選用的主軸絕大多數(shù)都是性能優(yōu)異的電主軸，其具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）加工轉(zhuǎn)速范圍寬，且可無(wú)級(jí)調(diào)速。

為保證工藝參數(shù)在最優(yōu)范圍內(nèi)，以獲得最佳的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量，對(duì)于加工流程，特別是有多種刀具、工序和涉及多種材料的加工流程，需要主軸轉(zhuǎn)速控制更加靈活自由，同時(shí)要求主軸箱有更小的體積，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的模塊化和系列化生產(chǎn)，從經(jīng)濟(jì)上來(lái)說(shuō)，就是降低庫(kù)存，節(jié)約成本。

本文系統(tǒng)采用異步直驅(qū)伺服主軸以達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求，轉(zhuǎn)速可達(dá)20 000 r/min。

（2）高動(dòng)態(tài)特性。

主軸在工藝參數(shù)要求下的功率和扭矩，直接決定了刀具切削性能的穩(wěn)定性。由于主軸電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的特性，主軸在低速段就幾乎可以工作在最大扭矩下，同時(shí)輸出（切削）功率會(huì)隨著轉(zhuǎn)速上升而上升，直到最大功率點(diǎn)，而加工效率又直接與主軸功率正相關(guān)，所以通常會(huì)根據(jù)工藝需求來(lái)選擇電主軸，以實(shí)現(xiàn)兩者的最佳配合。市場(chǎng)上主流的伺服主軸空載時(shí)都可以在2～3 s內(nèi)從靜止加速到20 000 r/min。本文系統(tǒng)采用的電主軸額定功率7.5 kW，額定扭矩達(dá)6 Nm。

（3）具有較高的精度與剛性，傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)小。

為了提高傳動(dòng)件的機(jī)械精度與剛性，齒輪和軸承等傳動(dòng)件會(huì)使用淬火等表面處理方法來(lái)提高零件的硬度，保證主軸長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的精度穩(wěn)定。軸承支撐跨距應(yīng)合理布置，以提高主軸組件整體的剛性。

1.1? ? 電氣控制原理設(shè)計(jì)

其中主電機(jī)選擇相對(duì)關(guān)鍵。為提高精度，一般采用高性能的旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸位置和速度的閉環(huán)控制。

主要需求：尺寸小，功率密度高;保護(hù)等級(jí)高;調(diào)速范圍寬;轉(zhuǎn)矩不受速度影響;基本免維護(hù);用于高懸臂力負(fù)載;即使在最低速度，也能達(dá)到高旋轉(zhuǎn)精度;采用集成編碼器系統(tǒng)檢測(cè)主軸角度位置與速度;端子盒連接功率電纜;KTY 84監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度;常用的外部液冷方式可以通過(guò)管路與空調(diào)水冷機(jī)連接，以保證主軸工作溫度恒定;同時(shí)使用氣封和屏蔽電纜保證主軸內(nèi)部電氣元件能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，并避免通信干擾。

主軸控制系統(tǒng)主要選用西門子伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)格主軸，如圖1所示。

1.2? ? PLC設(shè)計(jì)

選用基于面板的SINUMERIK 828D緊湊型數(shù)控系統(tǒng)。SINUMERIK 828D集成了CNC、PLC、圖形化人機(jī)界面以及伺服軸控制功能，由高性能的Drive-CliQ通信總線與全數(shù)字驅(qū)動(dòng)SINAMICS S120實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的控制反饋通信，自動(dòng)識(shí)別，配置簡(jiǎn)單。PLC接口模塊可以通過(guò)PROFINET或者PROFIDP連接集成CPU。

可配置最大軸數(shù)：車床版8軸/銑床版6軸，擁有programGUIDE編程向?qū)?，可針?duì)大批量生產(chǎn)的靈活、高效的編程方式，可兼容各種編程語(yǔ)言。

PLC組成一般包括CPU處理器、輸入模塊、輸出模塊和編程設(shè)備，按照結(jié)構(gòu)形式PLC可分為整體式和模塊式，按照輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)PLC可分為小、中、大型，其具備可靠性高、通用性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、體積小、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。

PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，一般情況下每一個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)變化需一個(gè)主循環(huán)周期。

本文項(xiàng)目中PLC編程使用“Programming Tool PLC828”進(jìn)行控制程序的開發(fā)調(diào)試和修改。同時(shí)，在后續(xù)維護(hù)中也可以使用SINUMERIK 828D操作界面中集成的程序查看器進(jìn)行PLC程序的診斷。

主軸控制系統(tǒng)主要采集信號(hào)有急停、主軸水冷機(jī)空開、主軸松刀到達(dá)開關(guān)、主軸拉刀到達(dá)開關(guān)、冷卻機(jī)故障報(bào)警，輸出信號(hào)有主軸水冷機(jī)控制等，如圖2所示。

梯形圖（LAD）是在繼電器控制邏輯原理上發(fā)展出來(lái)的一種圖形化語(yǔ)言，在形式上接近繼電器電路圖。編程和執(zhí)行時(shí)按照自上而下、從左到右的順序進(jìn)行，左側(cè)的垂直公共線稱為母線。梯形圖中的繼電器由PLC內(nèi)部的可編程元件實(shí)現(xiàn)，在梯形圖中有一個(gè)假想的電流，稱為“能流”，從左到右。

1.3? ? 系統(tǒng)配置

在西門子828D中，主軸相關(guān)參數(shù)可以進(jìn)行設(shè)置與優(yōu)化，如圖3和圖4所示。

根據(jù)機(jī)床對(duì)主軸各項(xiàng)參數(shù)要求及實(shí)際反復(fù)調(diào)試，得到了一些主軸的實(shí)際參數(shù)，具體如表1所示。

1.4? ? 系統(tǒng)優(yōu)化

通過(guò)828D自帶的優(yōu)化軟件，根據(jù)電機(jī)的機(jī)械和電氣特性，在系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量后，結(jié)合主軸實(shí)際工況，調(diào)整優(yōu)化了伺服驅(qū)動(dòng)的參數(shù)，使得電機(jī)主要在速度環(huán)（主軸加減速）以及電流環(huán)（扭矩）的特性上得以提升，如圖5、圖6所示。

在具體加工中，主軸還需要調(diào)整增益與加速度，配合其他軸進(jìn)行協(xié)同動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)攻絲等特殊加工效果，如表2所示。

2? ? 應(yīng)用效果

本文設(shè)計(jì)的基于西門子828D數(shù)控系統(tǒng)的主軸箱電氣控制系統(tǒng)用于對(duì)殼體工件（錐面/圓柱面、端面）通孔以及盲孔的加工，能夠?qū)崿F(xiàn)主軸高速加工、主軸定向等功能。

設(shè)備通過(guò)驗(yàn)收交付生產(chǎn)后，提高了制孔效率和精度，實(shí)現(xiàn)了不同孔徑和窩深下主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的設(shè)定優(yōu)化。同時(shí)應(yīng)用自動(dòng)潤(rùn)滑，延長(zhǎng)了刀具壽命，優(yōu)化了制孔效率（綜合制孔效率可達(dá)10個(gè)/min以上）。相比原來(lái)樣條固定、一種產(chǎn)品一套工裝和手工鉆孔的工藝流程，電氣系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了工藝自動(dòng)化和柔性生產(chǎn)，并且在產(chǎn)品質(zhì)量和效率上有了質(zhì)的飛躍。另外，也降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人工，提高了人員對(duì)工作條件的滿意度。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床是機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)步直接影響著整個(gè)機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，是機(jī)床朝著數(shù)字化、高精度、智能化方向發(fā)展的重要標(biāo)志。而主軸是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，本文較完整地探究了基于西門子828D系統(tǒng)的主軸控制設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)床主軸性能的需要，對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，進(jìn)而確定主軸控制程序的具體方案;通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)了主軸啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、升速、降速等功能，并對(duì)主軸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 夏燕蘭.數(shù)控機(jī)床電氣控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 周軍.電氣控制及PLC[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

收稿日期：2021-02-02

作者簡(jiǎn)介：趙波（1983—），男，黑龍江綏化人，電氣工程師，研究方向：數(shù)控機(jī)床開發(fā)。