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基于西门子SINUMERIK 808D数控系统的经济型数控车床电气控制系统的设计研究

0  引言

CIMES 2012期间，西门子发布了其新产品SINUMERIK 808D数控系统，从此掀起了向经济型市场进攻的新一轮高潮。借助于SINUMERIK 808D 这款新产品, 西门子为经济型车床和铣床提供了新的数控技术。这款结构紧凑、具有友好用户体验的数控控制器适用于经济型的车削和铣削应用, 并将会在将来逐步替代现有的SINUMERIK 802S/C控制器。

SINUMERIK 808D分为两个版本，铣床版和车床版，本文以车床版为例，讲解配合数控系统的外围电气控制线路的设计。

1  数控系统的供电

SINUMERIK 808D使用直流24V电源，通过接口X1与直流24V电源连接。系统所使用的电源建议与PLC输入输出的24V电源独立。直流电源的容量和质量是系统稳定运行的关键。进行24V直流电源容量计算时，至少需要注意以下4个方面的内容。

（1）数控系统瞬时启动消耗的电流为5A，正常运行消耗的电流为1.5A。

（2） 驱动器SINAMICS V60消耗的24V电流，若不带抱闸电机时，为0.8A/轴，带抱闸电机时为1.2A/轴。

（3）PLC输入输出点的大负载能力为0.25A/输入点。

（4）机床上使用的其他电气设备（如电磁阀、风扇、指示灯等），根据铭牌标识计算[1]。

另外再考虑工厂内部的设计规范，考虑相关冗余量。

2  伺服控制系统电气控制线路设计

数控机床进给伺服控制系统完成进给轴速度和位移的控制，直接决定所加工零件的精度和质量。对于经济型数控车床，进给轴一般为半闭环控制，西门子推荐SINAMICS V60伺服驱动器与808D数控系统配套使用，当然也可以使用其他厂家的驱动器。

SINUMERIK 808D数控系统通过脉冲驱动接口X51、X53接口输入输出进给轴控制信号，本文以X轴接口X51为例简述与伺服驱动器的连接。如图1所示为808D与V60连接示意图。V60的X5接口接收来自于808D的轴控制信号，包括脉冲（PULS）、方向（DIR）和使能（ENA）信号。V60的X6接口，其中RST引脚接收来自于数控系统的报警清除信号，ALM引脚输出驱动报警信号至数控系统，RDY引脚输出“驱动就绪"信号至数控系统，Z-M引脚输出零脉冲信号至数控系统，数控系统需要利用此信号完成回零操作[2]。另外，+24V引脚接收来自于数控系统的直流电源，M24引脚同理，注意：由于V60的+24V电源来自于数控系统的脉冲驱动接口，此接口由数控系统的数字量输出接口X200供电，所以即使X200的数字输出量用户不使用，但X200接口的+24V、M信号也必须连接。

这里需要强调的是，808D数控系统与之前的802C连接不同，808D根本没有位置反馈输入的接口，所以电流环、速度环、位置环三环的PID调节全部交由伺服驱动完成，数控系统只是负责发出指令而已。

3  主轴控制系统电气控制线路设计

数控车床的主轴带动工件高速旋转，通过与刀具的相对运动完成零件的切削。对于经济型数控车床而言，主轴只需要能够实现无级调速即可，这可以通过普通变频器实现。根据转向的不同控制方式可以分为单极性主轴和双极性主轴两类。

3.1  单极性主轴

单极性主轴连接示意图如图2所示，X54为808D主轴控制信号输出接口，AO和AGND引脚输出0~10V模拟量电压信号控制主轴的转速，使能信号一般不用。转向由快速输入输出接口X21的CW和CCW信号输出。快速输入输出是由NC直接控制的数字量输入输出接口，用于需要NC快速响应的场合。

作为车床，车削螺纹是必须的功能，所以数控系统的X60接口接收来自与主轴编码器的信号。

3.2  双极性主轴

与单极性主轴不同，双极性主轴转向、转速控制信号都由X54输出，所以AO和AGND引脚输出±10V的模拟量电压指令，指令电压的正负即代表了旋转的方向，此时主轴使能信号应该连接上，如图3所示。

应该强调的是，无论是单极性主轴抑或双极性主轴，808D的X60接口都连接了主轴编码器，但此处的编码器与进给轴的编码器有本质的区别。对于经济型数控车床而言，主轴的编码器并不是为了构成主轴转速的半闭环控制而是车削螺纹的需要，事实上数控车床的主轴转速就是一个开环控制，鉴于主轴转速对于被加工的零件质量的影响程度，也没必要完成转速的闭环调节。

4  其他辅助功能的电气控制线路设计

关于冷却、刀架等相关辅助功能，都是标准连接，此处不再赘述，需要注意的是：西门子数控系统在出厂时都配置有相应的样例PLC程序，相应的PLC输入输出点已经定义完成，设计控制线路时需要据此连接，才能保证软硬件的配合。

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