基于西門子SINUMERIK 808D數控系統的經濟型數控車床電氣控制系統的設計研究

0  引言

CIMES 2012期間，西門子發布了其最新產品SINUMERIK 808D數控系統，從此掀起了向經濟型市場進攻的新一輪高潮。借助于SINUMERIK 808D 這款新產品, 西門子為經濟型車床和銑床提供了最新的數控技術。這款結構緊湊、具有友好用戶體驗的數控控制器適用于經濟型的車削和銑削應用, 并將會在將來逐步替代現有的SINUMERIK 802S/C控制器。

SINUMERIK 808D分為兩個版本，銑床版和車床版，本文以車床版為例，講解配合數控系統的外圍電氣控制線路的設計。

1  數控系統的供電

SINUMERIK 808D使用直流24V電源，通過接口X1與直流24V電源連接。系統所使用的電源建議與PLC輸入輸出的24V電源獨立。直流電源的容量和質量是系統穩定運行的關鍵。進行24V直流電源容量計算時，至少需要注意以下4個方面的內容。

（1）數控系統瞬時啟動消耗的電流為5A，正常運行消耗的電流為1.5A。

（2） 驅動器SINAMICS V60消耗的24V電流，若不帶抱閘電機時，為0.8A/軸，帶抱閘電機時為1.2A/軸。

（3）PLC輸入輸出點的最大負載能力為0.25A/輸入點。

（4）機床上使用的其他電氣設備（如電磁閥、風扇、指示燈等），根據銘牌標識計算[1]。

另外再考慮工廠內部的設計規范，考慮相關冗余量。

2  伺服控制系統電氣控制線路設計

數控機床進給伺服控制系統完成進給軸速度和位移的控制，直接決定所加工零件的精度和質量。對于經濟型數控車床，進給軸一般為半閉環控制，西門子推薦SINAMICS V60伺服驅動器與808D數控系統配套使用，當然也可以使用其他廠家的驅動器。

SINUMERIK 808D數控系統通過脈沖驅動接口X51、X53接口輸入輸出進給軸控制信號，本文以X軸接口X51為例簡述與伺服驅動器的連接。如圖1所示為808D與V60連接示意圖。V60的X5接口接收來自于808D的軸控制信號，包括脈沖（PULS）、方向（DIR）和使能（ENA）信號。V60的X6接口，其中RST引腳接收來自于數控系統的報警清除信號，ALM引腳輸出驅動報警信號至數控系統，RDY引腳輸出“驅動就緒”信號至數控系統，Z-M引腳輸出零脈沖信號至數控系統，數控系統需要利用此信號完成回零操作[2]。另外，+24V引腳接收來自于數控系統的直流電源，M24引腳同理，注意：由于V60的+24V電源來自于數控系統的脈沖驅動接口，此接口由數控系統的數字量輸出接口X200供電，所以即使X200的數字輸出量用戶不使用，但X200接口的+24V、M信號也必須連接。

這里需要強調的是，808D數控系統與之前的802C連接不同，808D根本沒有位置反饋輸入的接口，所以電流環、速度環、位置環三環的PID調節全部交由伺服驅動完成，數控系統只是負責發出指令而已。

3  主軸控制系統電氣控制線路設計

數控車床的主軸帶動工件高速旋轉，通過與刀具的相對運動完成零件的切削。對于經濟型數控車床而言，主軸只需要能夠實現無級調速即可，這可以通過普通變頻器實現。根據轉向的不同控制方式可以分為單極性主軸和雙極性主軸兩類。

3.1  單極性主軸

單極性主軸連接示意圖如圖2所示，X54為808D主軸控制信號輸出接口，AO和AGND引腳輸出0~10V模擬量電壓信號控制主軸的轉速，使能信號一般不用。轉向由快速輸入輸出接口X21的CW和CCW信號輸出。快速輸入輸出是由NC直接控制的數字量輸入輸出接口，用于需要NC快速響應的場合。

作為車床，車削螺紋是必須的功能，所以數控系統的X60接口接收來自與主軸編碼器的信號。

3.2  雙極性主軸

與單極性主軸不同，雙極性主軸轉向、轉速控制信號都由X54輸出，所以AO和AGND引腳輸出±10V的模擬量電壓指令，指令電壓的正負即代表了旋轉的方向，此時主軸使能信號應該連接上，如圖3所示。

應該強調的是，無論是單極性主軸抑或雙極性主軸，808D的X60接口都連接了主軸編碼器，但此處的編碼器與進給軸的編碼器有本質的區別。對于經濟型數控車床而言，主軸的編碼器并不是為了構成主軸轉速的半閉環控制而是車削螺紋的需要，事實上數控車床的主軸轉速就是一個開環控制，鑒于主軸轉速對于被加工的零件質量的影響程度，也沒必要完成轉速的閉環調節。

4  其他輔助功能的電氣控制線路設計

關于冷卻、刀架等相關輔助功能，都是標準連接，此處不再贅述，需要注意的是：西門子數控系統在出廠時都配置有相應的樣例PLC程序，相應的PLC輸入輸出點已經定義完成，設計控制線路時需要據此連接，才能保證軟硬件的配合。

5  結束語

SINUMERIK 808D在電氣連接方面相對于上一代的802C/S又簡化了很多，關于進給軸的所有輸入輸出控制信號全部集中在X51~X53接口，原來的反饋接口也已經取消，位置環的計算交給伺服驅動去完成，這進一步簡化了電氣控制系統的設計，為今后的維護維修也帶來了方便。數控機床是當代機械制造業的主流裝備，入門級或經濟型數控機床的需求很大程度上反映了全球標準機床市場的需求[3]，因此經濟型數控機床有著它廣闊的市場，作為工程技術人員我們有責任和義務開發出適應中國國情的數控機床，為中國裝備制造業的發展貢獻出自己的力量。

參考文獻：

[1] 西門子（中國）有限公司.SINUMERIK 808調試指南[M].西門子數控（南京）有限公司，2012:10.

[2] 西門子（中國）有限公司.SINUMERIK 808D電氣安裝手冊[M].西門子數控（南京）有限公司，2012.20-21.

[3] 趙宇龍.推動普及型數控系統躍上新臺階[J].金屬加工，2013(18):4-6.

圖1  808D與V60連接示意圖

圖2  單極性主軸連接示意圖

圖3  雙極性主軸連接示意圖