基于西門子828D數控系統的主軸箱電氣控制系統設計

摘 要：主軸箱的主軸控制系統包括機械控制系統、液壓控制系統以及電氣控制系統，其中主軸的啟動、點動、停止、正轉、反轉、升速、降速等功能控制主要是通過電氣控制系統實現的。現以西門子828D數控系統為基礎，根據機床主軸性能的需要，對電氣控制系統進行了設計分析。

關鍵詞：數控系統;電氣設計;主軸箱

0? ? 引言

近幾年來，隨著科學技術的發展，市場需求的不斷升級，改革開放的不斷深入，數控機床作為工業的基礎產品之一，已成為實現裝備制造業現代化的關鍵設備。

在數控機床各個機械組成中，主軸顧名思義就是各類軸中的核心，其控制也是重中之重。主軸驅動系統控制機床主軸的旋轉運動，通常是主軸上安裝的刀具的切削力和保持運動狀態的動力來源。根據當前需求側的成本和工藝需求，主軸驅動設計主要選用交流異步電機的電主軸。因此，為了獲得良好的主軸特性，設計中常采用具有更高速度控制精度的交流異步直驅電機。

1? ? 主軸驅動電氣控制系統設計

主軸作為設備上刀具切削力的主要來源，結合進給軸的運動，直接決定了工件完成后的表面質量和輪廓精度，同時也決定了機床的加工效率。

目前數控機床市場上選用的主軸絕大多數都是性能優異的電主軸，其具備以下優點：

（1）加工轉速范圍寬，且可無級調速。

為保證工藝參數在最優范圍內，以獲得最佳的生產效率、加工精度和表面質量，對于加工流程，特別是有多種刀具、工序和涉及多種材料的加工流程，需要主軸轉速控制更加靈活自由，同時要求主軸箱有更小的體積，以實現機床的模塊化和系列化生產，從經濟上來說，就是降低庫存，節約成本。

本文系統采用異步直驅伺服主軸以達到設計技術要求，轉速可達20 000 r/min。

（2）高動態特性。

主軸在工藝參數要求下的功率和扭矩，直接決定了刀具切削性能的穩定性。由于主軸電動機與驅動裝置的特性，主軸在低速段就幾乎可以工作在最大扭矩下，同時輸出（切削）功率會隨著轉速上升而上升，直到最大功率點，而加工效率又直接與主軸功率正相關，所以通常會根據工藝需求來選擇電主軸，以實現兩者的最佳配合。市場上主流的伺服主軸空載時都可以在2～3 s內從靜止加速到20 000 r/min。本文系統采用的電主軸額定功率7.5 kW，額定扭矩達6 Nm。

（3）具有較高的精度與剛性，傳動平穩，振動小。

為了提高傳動件的機械精度與剛性，齒輪和軸承等傳動件會使用淬火等表面處理方法來提高零件的硬度，保證主軸長時間工作時的精度穩定。軸承支撐跨距應合理布置，以提高主軸組件整體的剛性。

1.1? ? 電氣控制原理設計

其中主電機選擇相對關鍵。為提高精度，一般采用高性能的旋轉編碼器來實現主軸位置和速度的閉環控制。

主要需求：尺寸小，功率密度高;保護等級高;調速范圍寬;轉矩不受速度影響;基本免維護;用于高懸臂力負載;即使在最低速度，也能達到高旋轉精度;采用集成編碼器系統檢測主軸角度位置與速度;端子盒連接功率電纜;KTY 84監測電機溫度;常用的外部液冷方式可以通過管路與空調水冷機連接，以保證主軸工作溫度恒定;同時使用氣封和屏蔽電纜保證主軸內部電氣元件能長時間穩定工作，并避免通信干擾。

主軸控制系統主要選用西門子伺服驅動、數格主軸，如圖1所示。

1.2? ? PLC設計

選用基于面板的SINUMERIK 828D緊湊型數控系統。SINUMERIK 828D集成了CNC、PLC、圖形化人機界面以及伺服軸控制功能，由高性能的Drive-CliQ通信總線與全數字驅動SINAMICS S120實現高速穩定的控制反饋通信，自動識別，配置簡單。PLC接口模塊可以通過PROFINET或者PROFIDP連接集成CPU。

可配置最大軸數：車床版8軸/銑床版6軸，擁有programGUIDE編程向導，可針對大批量生產的靈活、高效的編程方式，可兼容各種編程語言。

PLC組成一般包括CPU處理器、輸入模塊、輸出模塊和編程設備，按照結構形式PLC可分為整體式和模塊式，按照輸入/輸出（I/O）點數PLC可分為小、中、大型，其具備可靠性高、通用性強、編程簡單、體積小、安裝維護方便等特點。

PLC采用循環掃描的工作方式，一般情況下每一個點的狀態變化需一個主循環周期。

本文項目中PLC編程使用“Programming Tool PLC828”進行控制程序的開發調試和修改。同時，在后續維護中也可以使用SINUMERIK 828D操作界面中集成的程序查看器進行PLC程序的診斷。

主軸控制系統主要采集信號有急停、主軸水冷機空開、主軸松刀到達開關、主軸拉刀到達開關、冷卻機故障報警，輸出信號有主軸水冷機控制等，如圖2所示。

梯形圖（LAD）是在繼電器控制邏輯原理上發展出來的一種圖形化語言，在形式上接近繼電器電路圖。編程和執行時按照自上而下、從左到右的順序進行，左側的垂直公共線稱為母線。梯形圖中的繼電器由PLC內部的可編程元件實現，在梯形圖中有一個假想的電流，稱為“能流”，從左到右。

1.3? ? 系統配置

在西門子828D中，主軸相關參數可以進行設置與優化，如圖3和圖4所示。

根據機床對主軸各項參數要求及實際反復調試，得到了一些主軸的實際參數，具體如表1所示。

1.4? ? 系統優化

通過828D自帶的優化軟件，根據電機的機械和電氣特性，在系統自動測量后，結合主軸實際工況，調整優化了伺服驅動的參數，使得電機主要在速度環（主軸加減速）以及電流環（扭矩）的特性上得以提升，如圖5、圖6所示。

在具體加工中，主軸還需要調整增益與加速度，配合其他軸進行協同動作，以實現攻絲等特殊加工效果，如表2所示。

2? ? 應用效果

本文設計的基于西門子828D數控系統的主軸箱電氣控制系統用于對殼體工件（錐面/圓柱面、端面）通孔以及盲孔的加工，能夠實現主軸高速加工、主軸定向等功能。

設備通過驗收交付生產后，提高了制孔效率和精度，實現了不同孔徑和窩深下主軸轉速和進給速度的設定優化。同時應用自動潤滑，延長了刀具壽命，優化了制孔效率（綜合制孔效率可達10個/min以上）。相比原來樣條固定、一種產品一套工裝和手工鉆孔的工藝流程，電氣系統的應用實現了工藝自動化和柔性生產，并且在產品質量和效率上有了質的飛躍。另外，也降低了勞動強度，節省了人工，提高了人員對工作條件的滿意度。

3? ? 結語

數控機床是機械制造業的基礎，電氣控制系統設計的進步直接影響著整個機床行業的發展，是機床朝著數字化、高精度、智能化方向發展的重要標志。而主軸是數控機床的重要組成部分，本文較完整地探究了基于西門子828D系統的主軸控制設計。根據機床主軸性能的需要，對電氣系統進行設計分析，進而確定主軸控制程序的具體方案;通過PLC實現了主軸啟動、點動、停止、正轉、反轉、升速、降速等功能，并對主軸進行了優化設計。

[參考文獻]

[1] 夏燕蘭.數控機床電氣控制[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2] 周軍.電氣控制及PLC[M].北京：機械工業出版社，2005.

收稿日期：2021-02-02

作者簡介：趙波（1983—），男，黑龍江綏化人，電氣工程師，研究方向：數控機床開發。