加工中心电气系统的改造设计
2019-6-28 来源： 天津职业技术师范大学 作者：来 华
摘 要: 针对某职业学校 HASS VF－3D 立式加工中心频繁出现故障影响教学的情况，对该加工中心进行改造，设计了一种实训型加工中心。介绍了加工中心数控系统的选型，阐述了加工中心电气系统改造硬件设计，系统试运行成功。
关键词: 加工中心; 电气系统; 改造
0 引言
本文所研究的对象是某职业学校实训车间的一台 HASSVF－3D 立式加工中心。
这台加工中心已经使用多年，在经历了多次的大型维修之后，还是经常出现故障，对教学造成了严重的影响，为此本文针对这一情况对加工中心进行改造。本文考虑到该加工中心机床部分基本完好而数控系统等已经无法继续使用，打算改造为一种实训型加工中心。
首先将原有的数控系统进行更换，同时在原有的系统中变频器和伺服驱动器与原有的数控系统是通过一个保密的协议进行通信的，新的系统无法与原有的变频器与伺服驱动器进行通信，所以也要更换掉。
如果伺服驱动器更换了，那么伺服电机也要进行更换。对于主轴电机来说，由于其功率相对来说是比较大的，同时现阶段的运行过程中也没有出现太多的异常，所以可以继续使用。另外机械部分的一些改造工作仅仅只为了配合系统电气部分的改造工作，不用进行太多的改变。
1 、数控系统的选型
由于本文设计的是实训型加工中心，因此在整个加工中心的改造工作里面最为核心的就是数控系统的改造工作了，必须要选择一个合适的数控系统才能够使工作顺利完成，同时数控系统的其他部分比如变频器及伺服驱动也就确定了。
本次加工中心改造的目的是为了使加工中心更能满足教学的需要，所以设计的过程中没有必要过多的追求加工性能，本文选择了当前主流的西门子数控系统 SINUMERIK 808D，在伺服驱动方面选择的是 SINAMICS V60 伺服系统，在主轴方面选择的是模拟主轴，在变频器方面选择的是MICROMASTER420。
2 、电气系统的设计与选型
2．1 加工中心伺服系统设计
对于整个数控机床来说，比较重要的一个部分就是伺服系统了，因此一定要选择一个合理适用的。为了使选择的电机能够符合改造的要求，其给定负载首先要符合要求，其次再校核负载惯量。
在数控机床里面，如果一个零件要进行切削加工的时候，伺服电机所输出的力矩要克服一定的力矩: 恒定的负载力矩以及切削力矩; 机床工作台加、减速需要的力矩，选择的伺服电机能够满足需求，需要看这个电机是否满足这个条件: 负载的惯量不能大于电动机本身惯量的 3 倍。
所谓的电机负载惯量就是电机运行过程中由于转动而驱动物体惯量形成的，要算出每一个运动的物体的惯量，不管其是直线运动还是进行转动的，之后再通过一定的规则把每个惯量进行折算求和，就能够算出总惯量。
电机的负载惯量对于电机动态响应的影响是特别巨大的，这些影响会直接影响到被加工零件的质量，一旦负载惯量的大小突然变大，期间电机的转速也出现很大的变化，会需要特别长的加减速时间才能够得到指令所需的速度，特别是机床高速完成圆弧、样条等曲线的插补时，所引起的偏差会更大。通常情况下，一切折算到电机轴上负载惯量都必须要小于电机惯量大小的三倍，改造方案 XY 进给轴选型为额定电流 4A 的 SI-NAMICS V60 伺服驱动器，SIMOTICS 1FL5 SIMOTICS 1FL5 伺服电机选型为 4N·M，Z 进给轴选型为 6A 的驱动器和 6N·M的伺服电机，通过查阅《SINUMERIK 808D 数控系统选型样本》中的电机选型表，这些电机的电机惯性满足:
因此本方案选取的电机满足要求。
2．2 PLC 控制和接口设计
系统内嵌的 PLC 所要进行控制任务包括一些数控机床进给速度的控制，当然还有一些系统的时序控制任务。当前数控机床都是通过 PLC 来实现控制功能的，相比于传统的独立PLC，数控机床的 PLC 全是内部集成的，在数控系统里面为一个电路板，并没有自己的 CPU，通常情况下都是和数控系统通用。
而在导轨上安装的是 PLC 的输入输出模块，这些模块能够根据系统的需要配置相应的数字量或者模拟量模块。在编程方面，数控机床内部的 PLC 和独立的 PLC 是一样的，可以方便操作人员进行使用。
2.2．1 808D 内嵌式 PLC —S7－200 PLC 简介
在本文数控系统内部的 PLC 是西门子系列的 S7－200。在S7－200PLC 的程序结构中一般有主程序和子程序之分，PLC 在进行周期循环的时候只对那些主程序进行扫描，子程序不进行扫描，子程序只是在主程序中被调用，同时子程序能够进行多级嵌套调用。在数控系统里面，PLC 系统和 NC 系统是用一个 CPU 的，PLC 内置的编程工具 Programming Tool V3．2 是PLCS7－200 的一个子集，其编程界面和 S7－ 200 的 STEP7 － Mi-cro / WIN 是一样的。PLC 程序的下载以及上传都是由系统以及 PC 机上的 RS232 接口进行的。
2．2．2 数控机床 PLC 与外部的信息交换
在进行信息交换的时候，数控机床内部的 PLC 和独立 PLC 是不一样的，常规的独立 PLC 都是通过输入以及输出和外部进行信息的交换。外部所有的信息作为输入送到 PLC
里面，在 PLC 里面进行计算，输出结果再输出给外部部件。
而数控机床内嵌的 PLC在和外部信息进行交换的时候，也包含上面两个途径，但是在数控机床系统里面，PLC 不再是控制的核心，其输入就是系统下达的某些任务，因此 PLC
所控制的不是所有机床系统的任务，只是其中的一部分，PLC 从数控系统中接收指令，再通过逻辑运算，把结果输出到机床上，起到承上启下的作用。
2．2．3 斗笠式刀库电气控制线路的设计
在原有加工中心的机床中配备的是电机驱动的斗笠式刀库，其大部分功能都是通过 PLC 实现的，原有的刀库电气线路无法应用在新的系统上，所以要重新进行设计工作。斗笠式刀库之前的 I/O 点根据原材料的查阅能够获得，本文设计把这些I / O 点和 808D 的 PLC 接口相连，通过 PLC 即能控制斗笠式刀库的运行。
3 、系统试运行
为了验证本文设计实训性加工中心的性能，在使用之前一定要试运行。试运行的时候为无负载运行，根据相关标准的要求，在空运行的时候程序要一直运行长达 32 h，并且倍率开关要一直保持在 100%。机床进行运行的时候不能够出现任何问题，否则重新开始，在空运行的时候可以非故障停机，每次时间不可以大于半小时，否则必须要重新开始。
在进行试运行之前，要检查机床是否能够满足下列条件:
1) 在立体三轴上面均要配置一个导轨伸缩防护罩作为保护措施。
2) 系统的刀库里面要挂满刀。
3) 整个系统的安装以及调试工作都要完成并且不出现任何问题。
4) 整个系统在准备运转之前，一定要完成清洁工作并将所有的电柜门关上。
所有条件满足之后，数控机床开始进行试运行工作，在整个过程中没有发现任何机床故障，试运行通过。
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