XK2860型橋式數控動梁龍門鏜銑床電氣設計
2017-5-10 來源：齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司 作者：張會龍
摘要：本文所研究的數控機床是針對市場需求研制出來的具有自主知識產權的高端產品，根據機床的實際應用確定數控系統及相關硬件并進行總體控制系統設計工作。
關鍵詞：龍門鏜銑床；數控系統；840D
1.機床研究的背景及意義
數控機床是一種集精密機械、計算機技術、自動控制技術于一體的典型機電液一體化設備，是機械制造業的重要組成部分。重型數控動梁龍門鏜銑床能進行多任務加工，并能使工件獲得很好的加工精度和表面質量，可廣泛用于國防、軍工、發電設備、航空航天、能源交通、模具制造等行業的大型精密零件加工。國外生產數控龍門銑床的企業主要有德國希斯(SCHIESS)、德國科堡(WALDRICH COBURG)、日本本間(HOMMA)等公司，這些國外公司一直對技術進行壟斷，我國的高端數控動梁龍門鏜銑床只能依賴進口。研制高端橋式數控動梁龍門鏜銑床，既可以滿足國內高速經濟發展的需求，替代進口，打破國外的技術封鎖，實現在“高、精、尖”重大數控裝備上的突破，又可以提高制造業基礎裝備的能力，提升國家裝備業的核心競爭力，為國家的軍事、航天、航空等諸多領域提供裝備保障。
2. XK2860型橋式數控動梁龍門鏜銑床介紹
本文研制的XK2860型橋式數控動梁龍門鏜銑床是在多年生產數控升降臺銑床、數控落地銑鏜床及數控動梁龍門鏜銑床的基礎上，充分把握當今數控機床的發展趨勢和利用現代機床制造業的新技術、新工藝，自主研制的具有自主知識產權的一種新產品，具有高性能、高精度、高效率、高可靠性的特點，該重型機床廣泛采用當今世界最先進的技術，達到國際先進水平。它的研制成功，對提升國家裝備業的核心競爭力，具有重要的意義，同時滿足了市場需求，全力實現了企業的技術升級，取代了進口，為民族工業的發展做出了應有的貢獻。機床的主要組成部分圖1所示。
XK2860型橋式數控動梁龍門鏜銑床采用橋式布局。機床由左右床身、左右滑座、落地平臺、龍門架、副龍門架、橫梁、聯接梁、溜板箱、主軸箱、方滑枕、附件、附件交換車、靜壓站、液壓站、冷卻器、排屑器、電氣操作間、按鈕站及電氣柜等主要部分組成。
圖1 數控動梁龍門鏜銑床的主要組成部分
3. 數控系統的選型
3.1數控系統選型原則
數控系統的選型關系到機床的整體性能，要求在充分了解機床的結構、功能的基礎上與機床性能相匹配，要求數控系統既要有優良的控制特性、較高的抗干擾性能、平穩的加減速特性等性能，又要有良好的人機接口、便于開發、更改參數方便快捷的優點，因此在選取數控系統時需要對數控系統進行綜合評價，一般遵循以下幾個基本原則：
(1) 數控系統的功能一定要合適，這是基本原則，具有擴展功能可進行選擇；
(2) 要求數控系統具有優良的控制特性、較高的抗干擾性能、故障率低，同時還要求數控系統具有較長的使用壽命，對工廠的空氣濕度、粉塵等要求不能太高；
(3) 數控系統要具有平穩的加減速特性，使機械震動較小，在高速高精度加工時，定位誤差小；
(4) 產品要有良好的人機接口，便于開發和修改程序，方便調試；
(5) 優先選擇能夠成套提供伺服驅動器和主軸驅動器的廠家，有利于維修和管理，兼容性好；
(6) 性能價格比要高，維護方便，系統的市場壽命要長，否則幾年后將找不到維護備件；
(7) 盡量選用著名公司的產品，因為著名公司的維修和售后服務較好，信譽高；
(8) 因操作人員是機床的最終使用者，因此要求數控系統對用戶來講要操作容易、可靠性高、通用性強。
綜合以上原則，最后決定采用西門子SINUMERIK 840D數控系統。
3.2 840D數控系統介紹
SINUMERIK 840D數控系統是西門子公司在20世紀90年代推出的一款高性能數控系統。它具有與西門子前兩代系統SINUMERIK 880和840C一樣的三個CPU結構：即人機通信CPU、數字控制CPU和可編程邏輯控制器CPU，三個CPU在功能上既相互獨立，又相互聯系。SINUMERIK 840D是建立在一個綜合的系統平臺上，通過不同的系統設定功能從而能夠而適用于幾乎所有的控制系統。SINUMERIK 840D與SIMODRIVE 611D數字驅動系統和SIMATIC S7可編程控制器一起構成了一個全數字控制系統，用于各種復雜零件的加工任務。同時SINUMERIK 840D具有很高的開放性，機床制造廠商可以在此數控系統中集成公司特有的專業技術和工藝，突出與其他機床制造廠商的區別。
3.3 SINUMERIK 840D硬件組成
西門子SINUMERIK 840D數控系統的結構框圖如圖2所示。
圖2 840D數控系統的硬件結構框圖
3.4確定SINUMERIK 840D數控系統硬件型號
目前SINUMERIK 840D的NCU最新版本為NCU573.5，根據數控系統選型基本原則的第2條故選擇NCU573.5。
根據數控系統選型基本原則的第8條選擇PCU50、OP015A、MCP 483C、B-MPI手持單元，具體型號如下：
PCU50：6FC5210-0DF31-2AA0
OP015A：6FC5203-0AF05-0AB0
MCP483C：6FC5203-0AF22-0AA2
B-MPI：6FX2007-1AC04
電機的選擇需要與各軸的最高轉速、扭矩和負載慣量相匹配，根據機械設計提供的負載數據，利用如下公式確定電機的基本參數：
根據以上公式選取電機型號如下：
主軸電機：1PH7224-2NF13-0CJ2，最高轉速為4500rpm，額定扭矩為636NM，慣量為650 Kg m2。
滑座電機：1FT6136-6AB71-4AK1，額定轉速為1500rpm，額定扭矩為62NM，額定功率為9.7KW。
溜板箱電機：1FT6136-8AB71-4AL1，額定轉速為1500rpm，額定扭矩為61NM，額定功率為9.6KW。
滑枕電機：1FT6136-8AB71-4AB1，額定轉速為1500rpm，額定扭矩為61NM，額定功率為9.6KW。
橫梁電機：1FT6132-6SF71-4AL1，額定轉速為3000rpm，額定扭矩為90NM，額定功率為22KW。
根據電機功率的大小選取與電機功率對應的驅動模塊。電源模塊的大小是由機床各軸負載大小決定的，電源模塊的功率需要大于主軸電機和進給電機功率總和，并且留有一定的裕量，這樣才可以防止電源模塊因功率過小而損壞。
電機驅動模塊的型號如下：
主軸電機驅動模塊：6SN1123-1AA00-0KA1，額定電流200A。
滑座電機驅動模塊：6SN1123-1AA00-0DA1，額定電流28A。
溜板箱電機驅動模塊：6SN1123-1AA00-0DA1，額定電流28A。
滑枕電機驅動模塊：6SN1123-1AA00-0DA1，額定電流28A。
橫梁電機驅動模塊：6SN1123-1AA00-0KA1，額定電流140A。
數字接口控制單元：6SN1118-0DM33-0AA1
根據各軸驅動模塊的功率大小選取電源模塊及濾波組件的型號如下：
120KW I/RF電源模塊：6SN1145-1BB00-0FA1
80KW I/RF電源模塊：6SN1145-1BB00-0EA1
120KW HF輸入濾波器組件：6SL3000-0FE31-2BA0
80KW HF輸入濾波器組件：6SL3000-0FE28-0BA0
電源模塊風機：6SN1162-0BA02-0AA1
根據實際應用選取PLC型號如下：
IM361接口模塊：6ES7361-3CA01-0AA0
SM321數字量輸入模塊：6ES7321-1BL00-0AA0
SM322數字量輸出模塊：6ES7322-1BL00-0AA0
SM322晶閘管輸出模塊：6ES7322-1FL00-0AA0
SM332模擬量輸出模塊：6ES7332-5HB01-0AB0
4.控制系統總體設計
4.1控制系統設計
即使數控系統的各項指標與機床各項數據相匹配，但控制系統設計的優劣同樣關系到機床最終的性能，因此機床在控制系統設計上首先要確定總體的控制方案，然后再對各基本模塊進行設計工作。控制系統主要包括NCU單元、電源模塊、伺服驅動模塊、伺服電機、位置檢測元件、PLC模塊等部件。控制系統硬件連接原理圖如圖3所示。
圖3 控制系統硬件連接原理圖
根據以上設計思路最終確定電源模塊、驅動模塊、PLC模塊的控制原理圖，見圖4、圖5和圖6。
圖4 電源模塊控制原理圖
圖5 驅動模塊原理圖
圖6 PLC模塊連接圖
4.2控制系統屏蔽設計
為防止有用信號以外的噪聲對系統產生影響，特對控制系統做了屏蔽處理。主要方法如下：
(1) 用合理線徑的導線電柜里強電和弱電的地線端連結到地線匯總排上；
(2) 控制系統的強電端要接地，弱電部分的零也與地線相連；
(3) 采用金屬網將控制系統外殼連接到接地母排上，系統的接地電阻阻值不大于0.01 歐；
(4) 動力電纜和控制電纜采用帶屏蔽的電纜，用夾子將電機電纜和控制電纜的屏蔽層固定到安裝板上；
(5) 避免動力電纜與其它電纜長距離平行走線，控制電纜和動力電纜按90°角交叉。
5.結論：
本文根據機床的實際情況對數控系統、伺服驅動、PLC模塊等進行了選型，對整套機床電氣控制系統進行了原理設計以及硬件連接等工作。同時對西門子840D數控系統有了更深入的了解，西門子840D數控系統可進行模塊化設計工作，根據樣本就可以對伺服電機、伺服驅動器及其輔件進行選型和設計工作，大大節約了設計時間。
XK2852型橋式數控動梁龍門鏜銑床研制成功滿足了國內經濟高速發展的需求，打破了國外對我國高端產品的技術封鎖，實現在“高、精、尖”重大數控裝備上的突破，為國家的軍事、航天航空等諸多領域提供了裝備保障。
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