西门子802S数控车床基本组成

西门子802S数控系统电气主要组成部分有，CNC系统（包括ECU）、主轴驱动控制系统、进给驱动控制系统（包括伺服驱动控制系统、步进驱动控制系统）、辅助装置（包括刀架控制系统、润滑、冷却控制系统）及PLC输入输出转接口,机械结构部分主要有，机床床身、导轨、工作台、刀架等。（其中刀架在第3章有具体介绍）

2.1 CNC系统

计算机数控系统（Computer Numerical Control）简称CNC系统，是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。数控机床在CNC系统的控制下，自动地按给定的加工程序加工出工件。所以计算机数控系统是一种计算机在内的数字控制系统。CNC系统是一种位置控制系统。其控制过程是根据输入的信息（加工程序），进行数据处理、插补运算、获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。CNC系统的核心是CNC装置。由于采用了计算机，使CNC装置的性能提高，促使CNC系统迅速发展。CNC 装置的工作流程主要分为输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补和位置控制。输入的任务是把加工程序、控制参数和补偿数据输入到 CNC 装置中去，输入的方法有纸带阅读机输入、键盘输入、磁带和磁盘输入以及通信方式输入。CNC 的工作方式一般有两种，一种是边输入边加工，即在前一个程序段在加工时，输入后一个程序段的内容；另一种是一次性的将整个工件加工程序输入到 CNC 装置的内部存储器中，加工时再把程序段从存储器中一个一个的调出来进行处理。 随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC 系统硬件块及安装方式不断改进。从 CNC 系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。从CNC 系统使用的CPU及结构来分，CNC 系统的硬件结构一般分为单 CPU 和多CPU 结构两大类。初期的CNC 系统和现在的一些经济型 CNC 系统采用单 CPU 结构，而多 CPU 结构可以满足数控机床高进速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入FMS 和 CIMS 运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平。

CNC 装置中还有I/O 处理、显示及诊断功能。I/O处理主要用来对CNC装置与机床之间的强电信号处理。显示的主要任务是为操作者提供方便，有工件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示以及运动轨迹的静态图形显示。诊断功能是现代 CNC 装置必备的，可以自动对系统进行诊断显示出故障出现范围。

CNC数控系统的特点有灵活性、模块化、可靠性、易于实现多功能程序控制、使用维

修方便、具有通信功能。在多微处理器中，有两个或两个以上的CPU构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个 CPU 都可享用系统公用存储器或 I/O 接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的 CNC 装置中顺序完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。多微处理器结构的 CNC 装置大都采用模块化结构，根据设备要求选用功能模块构成 CNC 系统。如果某个模块出了故障，其它模块仍能工作，可靠性高。由于硬件一般是通用的，容易配置，因此只要开发新的软件就可以构成不同的 CNC 装置，便于组织规模生产，能够成批量生产并保证质量。

图2-1 西门子802S数控车床系统控制图

2.2 主轴控制驱动系统

西门子802S数控车床的主轴变频器采用日立式L100—007HFE变频器配三相异步电机，变频器采用正弦波脉宽调制控制，额定容量 1.9KVA ,额定输入电压三相交流 380V ,额定输出电流 2.5A ,输出频率范围 0-650HZ ,适用电机容量 0.75KW 。三相异步电机采用普通三相异步电机，输入电压380V，额定电流2.0A，额定功率 0.75KW ，额定转速 1390r/m 。

变频器特点：VVVF通用型变频（0.2KW-7.5KW）， 结构紧凑，体积小， ISPM专利技术，集成了驱动电机的功率器件和控制电路元件， 抗电磁干扰能力强 ，速度调节旋钮标准内置 ，电网电压自动稳压，保持输出稳定 ，瞬时失电重起动， CE；UL；c-UL；C-Tick & CSA 认证，V/F特性可选恒转矩，可手动或自动提升转矩， 电流过载能力强：150%，60秒， 电机热电阻输入（PTC-输入）， 内置PID功能 ，可预设16级多步速， 载波频率0.5HZ-16HZ，连续可调加减速过程中可分段改变加减速时间。变频器主要是用于主轴的变频调速。变频器通过电流的高低来控制主轴电机的转速，指令值模拟量作为差分信号输出。ECU一侧插主轴驱动接口，插座名称：X3 SPINDLE， 插座类型：9芯D型插座（针）。如表2-1

表2-1座引脚分配

X3 引脚 1 2 3 4 5 信号 SW RF.2 类型 VO K 引脚 6 7 8 9 信号 BS RF.1 类型 VO K 模拟驱动中：SW （指令值）；BS（ 指令值参考地（模拟量接地））；RF．1,RF．2 （使能触点），信号类型：V0， 电压输出：K 开关触点，信号：每个通道提供一个电压信号和一个使能信号。

SW（指令值）：：模拟量电压信号，±10V范围，用于输出一个转速指令值；BS（参考地）：指令值信号的参考地（模拟量接地），内部与逻辑“地”相连。RF（使能）。对继电器触点，功率部件（比如SIMODRIVE驱动装置）通过这对触点获得使能。在循环运行方式时由ECU控制使能信号。

主轴电机的正反转由KA2，KA3的常开触点的动作决定。RL1B，RL1C为变频器的故障输出，接入相应的输入输出点99，108。变频器的主要功能为改变电路的频率来实现电机的转速和正反转，其控制输入由CNC的X3输入。

图2-2 变频器的电气原理图

主轴电机的转速是由主速指令所给定的电压来确定的，设定的额定电压为10V。就是假设当额定转速为1500r/min时，主速电压10V时主轴电机的转速为1500转每分钟；而如果额定转速变为1500r/min时，主速电压为 5V 时，主轴电机的转速就是 750 r/min。

2.3 进給控制驱动系统

西门子802S数控车床的进给驱动控制系统主要包括伺服驱动系统和步进驱动系统 伺服系统是 CNC 装置和机床的联系环节。 CNC 装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，它是以机械为运动的驱动设备,电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。它属于特殊电动机，也叫执行电机，在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服驱动系统的性能对数控机床的性能在很大程度上有决定性的作用，所以对伺服驱动系统的要求也比较高，主要有：（1）进给调速范围要宽。在各种数控机床中，用于加工用刀量、被加工材料及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳的切削条件，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围；（2）位置精度高。数控机床在加工时免除了操作者的人为误差，它是按预定的程序自动进行加工的，不可能应付事先没有预料到的情况；（3）速度响应要快。即要求跟踪指令信号的响应要快，过度时间

要快；（4）低速大转距。根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转距输出。

西门子802S数控车床采用的步进驱动器和步进电机,是细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型任何两相或四机混合式步进电机。电流控制采用先进的双极性等角度恒力矩技术，每秒两万次的斩波频率。在驱动器的侧边装有一排拨码开关组，可以用来选择细分精度，以及设置动态工作电流和表态工作电流。TYPE 110 BYG 550A-2 是混合式步进电机，步进电机步进角为0.36度/0.72度，静转矩6N*m ，额定相电流 1.3A 。步进电机为 X、Z 轴电机，用来控制 X、Z 轴的正向进给和反向进给，KA10用来执行控制电机的正反转，接电机绕组 A- 和 C-，B- 和 D-短接后，再 A 接驱动的 A ，C 接驱动的 A-，B 接驱动的 B ，D 接驱动的 B- 。步进电机的控制号由 CNC 的 XS30 端输入，电源信号由 +V1 和 GND 端输入。

步进驱动器其实是一个步进电机配合使用，来控制机床工作台 X 轴移动的一个系统。步进电动机是一种将电信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，也称脉冲马达。步进电动机是一种特殊的电动机，其跟随步进驱动系统给定的输入脉冲按节拍一步一步的转动。对步进电动机施加一个电脉冲信号时，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，没一步转过的角度叫步距角。步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。

图2-3 步进驱动单元框框图

图2-4 外观结构图

2.4 辅助装置

刀架控制主要有手动换刀、程序换刀、刀架卡紧时间控制三方面。

表2-2刀架信号表

输入信号 I0.0，I0.1，I0.2，I0.3，I0.4，I0.5刀位检测信号 I0.6锁紧到位检测信号 零件程序中的T码 机床控制面板上的手动换刀键 输出信号 刀架正转（Q0.4） 刀架反转（Q0.5）

表2-3刀架逻辑控制表

条 件 自动方式下当零件程序中的程遍刀码T 不等于刀架实际刀位 在点动方式下按下手动换刀键，一直按到刀架转到所要位置 当手动换刀键一松开 在手动方式下短促按下手动换刀键 结 果 刀架正转有效。有效信号一直保持到刀位信号与编程T码相等，然后刀架反转信号自动生效。反转信号的保持时间由机床参数设定 刀架正转信号有效，有效信号一直保持的按键松开 刀架反转信号自动生成，并按机床参数中设定的时间保持有效 刀架正转信号有效，该信号保持到一个想邻的刀位，然后自动按机床参数设定的锁紧时间产生并保持刀架反转信号 2.5 输入输出PLC转接口

输入输出装置是连接PLC 变频器等重要部件。

表2.3.1 输入/输出接线端子分配表

分类 输入 输出 元器件 按钮SB1 按钮SB2 A相绕组 B相绕组 输入/输出标号 X000 X001 Y001 Y000 Y002 Y003 标号 M8002 T0 T1 D0 S20 S21 S22 步进状态寄存器 S23 S24 S25 S26 S27 S0

作用 开始 停止 A 相接正5V 电源 A 相接负5V 电源 B 相接负5V 电源 B 相接正5V 电源 作用 上电运行 确定步进电动机转速 转速参数存储 第1 拍步进运行 第2 拍步进运行 第3 拍步进运行 第4 拍步进运行 第5 拍步进运行 第6 拍步进运行 第7 拍步进运行 第8 拍步进运行 初始化 表2.3.2 各种软元件分配表

各种软器件 特殊状态寄存器 软时间继电器 状态寄存器 2.6 机床本体

机床本体就是数控机床的机械结构，包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。

此外，为了保证数控机床功能的充分发挥，还有一些辅助系统，如冷却、润滑、液压（或气动）、排屑、防护系统等。

图2-5 机床床身