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基于西门子802S数控系统的车床控制电路设计
作者：江玉龙 梁怀宇
来源：《科学与财富》2016年第04期
摘 要：数控机床与传统机床相比具有精度高，效率高的特点。但目前国内小型企业仍以普通机床为主，制约了小型企业的发展。未解决上述问题利用现代先进数控技术对旧的设备进行改造和提升，以最少的投入来满足现代化加工的需求，成为近几年机床改造的发展方向。本文以C616普通车床的数控化改造为例，介绍以西门子802S为数控系统的电气化改造方案。 关键词：西门子802S数控系统；控制电路 1 802S数控系统的基本功能与方案配置
德国西门子公司生产的802S数控系统是一种专门针对中国市场开发的经济型机床数控系统。它采用32位的微处理器（AM486DE2）、集成PLC，分离式小尺寸操作面板、液晶显示器和机床控制面板。802S可以控制2～3个步进电机驱动的进给轴和一个主轴。802S数控系统的基本功能如下：线性插补轴最多3轴（开环）；一个变频器驱动的主轴，具有主轴编码器反馈接口；PLC模块具有16个输入点和16个输出点，经扩展可以达到64个输入点和64个输出点；支持中/英文转换；螺距补偿和间隙补偿；具有RS232C串行接口，可以与计算机通信；具有故障报警信息显示和诊断数据显示；支持车削循环和铣削循环；刀具补偿功能；螺旋插补功能；用户程序存储器256K；可以扩展两个电子手轮；通过特定的参数设置可以获得示教功能。
本文C616改造方案中的配置为：选用802S NC系统，含显示和操作面板；根据X轴的进给功率要求，通过计算，选择9Nm的步进电机；根据z轴的进给功率要求，通过计算，选择12Nm的步进电机；X轴和Z轴驱动器，选用SETPD VEC型驱动器；主轴变频器采用ATV-28HU90N4变频器；主轴编码器采用1024线变频器；采用lOOVA的系统电源隔离变压器；系统电源采用24V/4.5A电源；主电机仍采用原来旧机床的电机。 2 控制电路设计 2.1 主轴电路
（1）802S 数控系统的主轴速度模拟量控制电压
西门子802S数控系统的主轴速度模拟量控制电压为：DC-10V～+10V。其中0～+10V为主轴正转速度控制（执行M3指令），0～-10V为主轴反转速度控制（执行M4指令）。而变
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频器的速度控制电压为0～+10V，其正/反转由变频器的I/O端口输入的状态控制。如果直接把数控系统的速度控制模拟电压输出端直接与变频器连接，将导致变频器不能识别反转控制电压而不能实现反转。电路KAl、KA2用于控制变频器的正反转，KA3用于对速度控制电压的极性进行转换，保证变频器的速度控制电压在反转时也为0-+10V。 （2）变频器故障报警输出
变频器的故障报警输出作为系统的报警输入，如果主轴出现过流、短路、过热等故障时均可及时停止系统的运行，并发出报警信号。 2.2 轴限位与参考点返回电路 （1）轴的限位输入端设置为负逻辑
采用负逻辑控制：使用限位行程开关的常闭触点，当限位开关没有压下时I/O点与24V接通，当限位开关被压下I/O点与24V断开，机床限位。这种接法消除因线路开路而产生限位失灵现象，提高了限位电路的可靠性。限位输入端采用负逻辑需对系统的相关参数进行修改。采用负逻辑输入的方法，这样有利于提高数控机床的可靠性和安全性。本次数控改造使用的数控系统为西门子802S数控系统，实现负逻辑输入要软件、硬件两方面配合才能实现。 图2.1所示的是负逻辑输入的连接方法，信号输入使用行程开关的常闭触点。在正常情况下SQl是闭合的，该输入点的逻辑值为“1”，当SQl被压下断开时输入点逻辑值为“0”。这时要求通过数控系统的参数设置或修改PLC程序把该点逻辑值“1”设定为无效状态，而逻辑值“0”设定为有效状态。如果从+24V端子到PLC的输入点之问的线路出现开路或接触不良时，该点被认为有效，机床会立即报警，必须在电路连接良好的情况下机床才能正常运行。这种方法排除了因限位电路开路而造成故障的可能性，机床的安全性得到提高。 b.软件设置
负逻辑需要把逻辑“1”改为无效状态而逻辑“0”为有效状态，是通过在西门子SINUMERIK 802S数控系统中改变参数实现的。 （2）参考点返回采用双开关方式
用行程开关做参考点返回减速开关，用接近开关作为参考点检测开关。在各轴返回参考点时，先高速运动到参考点返回减速开关，将其压下后反向慢速逼近参考点，到参考点检测开关后完成参考点返回。由于这种方法使各轴在达到参考点前速度较低（可通过参数设定改变），所以精度较高并且可以消除丝杠的反向间隙。 2.3 电动刀架控制电路
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电动刀架的刀位检测霍尔元件为输出电路为集电极开路输出方式，不能与数控系统直接相连，需要在各刀位检测电路输出端添加集电极上拉电阻。如图2.2所示。 2.4 驱动器与步进电机的连接线路
驱动器与步进电机的连接电缆采用数控系统配置的专用动力电缆。为保证步进电机的相序准确，必须按照系统说明书的要求连接，否则步进电机不能正常运转。 2.5 系统接地电路
接地包括系统电源接地和步进电机驱动系统接地。分别如图2.3、2.4所示。
良好合理的接地是系统可靠工作的重要保证。为提高系统抗干扰能力各须接地的设备均通过10mm2的接地线直接与接地排相连，地线排再通过16mm2的接地线与电源系统的地线相连接。这种接地方法可以抑制各设备间的共态干扰。 2.6 机床参数设置及控制元件
机床参数的设置应根据设计电路情况、802S系统的操作说明书以及C616机床的基本参数进行设置。针对C616普通车床的改造共用到如下元件：802S数控系统含有主机 操作面板驱动单元、步进电机（X轴9Nm，Z轴12Nm）；航空插件；继电器；空气开关；接触器；起停按钮；急停开关；小按钮；三相吸收器；变压器（用于步进驱动器电源和照明）；导线；电缆；风扇（用于强电柜散热/操作柜散热）；热缩管；线号管；电源指示灯；蜂鸣器；线槽和卡轨。 结论
本文对C616普通车床进行基于西门子802S数控系统的数控化改造，设计了其中主轴电路、刀架控制电路等部分。对完成改造后的机床进行安装、调试，其性能满足用户使用要求。 参考文献
[1] 中国机床工具工业协会行业发展部.CIMT2001巡礼[J].世界制造技术与装备市场，200l（3）：18-20.
[2] 梁训王宣，周延佑.机床技术发展的新动向[J].世界制造技术与装备市场，2001（3）：2-28.