基于SINUMERIK 840D的数控机床控制系统设计

基于ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ　的数控机床控制系统设计术　

口郝越邦　口焦亮　口化春雷　口刘春时　

沈阳机床（集团）有限责任公司　沈阳　１１０１４２　

摘　要：介绍了利用西门子公司的数控系统ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ对数控机床的电气控制部分进行设计．并由该系统　最终实现整套数控系统的运动控制、插补运算、故障报警、执行加工程序等功能。　

关键词：数控机床ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ数控系统设计　

中图分类号：ＴＧ６５９　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—４９９８（２０１１）０６—０００６—０３　

１　数控机床主要功能介绍　

由沈阳机床集团承担的国家“高档数控机床与基　础制造装备”重大科技专项课题——五轴联动精密卧　

式加工中心．主要用于加工各种钻孔、扩孔以及其它各　

种孔系、孔距要求较精确的零件，该机床可采用数控编　

程操作．也可采用手动操作．能进行外圆、端面以及内　

孔等加工，其主轴具有速度高和扭矩大的特点。机床　

数控系统采用西门子ＳＩＮＵＭＥＲ１Ｋ　８４０Ｄ．进给轴由交　流伺服电机驱动　分别由８个交流电动机驱动；主轴采　

用３挡变速，速度范围大并且刚性好。　

２　ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ介绍　

２．１　ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ系统描述　ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ是模块化系统．可以通过不同　

的模块组合满足不同的要求。　

国家重大科技专项（编号：２００９ＺＸ０４００１—０２５）　收稿习期：２０１０年ｌ２月　

正常工作。　５）Ｘ轴的龙门轴设置为ＧＡＮＴＲＹ轴时，　

置如下参数：　ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ的核心部分是一个高度集成的　

多处理器模块　包括：ＮＣ　ＣＰＵ、集成ＳＩＭＡＴＩＣ　Ｓ７　ＰＬＣ　

ＣＰＵ和通信处理器、带有操作单元及编程器接口、　

ＥＴ２００　Ｉ／ｏ接口、ＰＲ０ＦＪＢＵＳ接口及数字驱动总线到　

ＳＩＭ０ＤＲＩＶＥ　６１１的接口。该系统适用于复杂的加工中　心控制系统．它可以随意组合并具有较高的组态灵活　

性。　

２．２　ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ技术规格　控制类型：采用３２位微处理器，车、钻、铣、磨、　

ＣＮＣ连续轨迹控制以及内部集成式ＰＬＣ控制。　

控制结构：５０　ｎｌｌｎ宽的控制模块和多种智能操作　

面板，可以满足不同层次的需求。　

ＰＬＣ编程：内装ＳＩＭＡＴＩＣ　Ｓ７　ＣＰＵ，程序和数据存　储器可扩展到２８８　ｋＢ，ＳＴＥＰ７语言、Ｉ／Ｏ模块可扩展到　

２　０４８个数字输入／输出点．用于ＰＬＣ定位轴的定位或　

步进电机以及￥７－ＨＩＣＲＡＰＨ的编程。　

操作部件：带１５”Ｔ丌’液晶真彩显示器的超薄操作　

面板０Ｐ　０ｌ５Ａ。带１６个用户定义键的机床控制面板　

需要设　４结论　

ＭＤ１９３１０第０位激活龙门轴功能选项。　

ＭＤ３７　ｌ　０Ｏ　ＧＡＮＴＲＹ—ＡＸＩＳ　ＴＹＰＥ。　

ＭＤ３７　１　ｌ　０　ＧＡＮＴＲＹ—Ｐ０Ｓ—Ｔ０ＬＷＡＲＮＩＮＧ。　ＭＤ３７　１　２０　ＧＡＮＴＲＹ—Ｐ０ＳＪ０Ｉ　ＥＲＲ０Ｒ。　

ＭＤ３７　ｌ　３０　ＧＡＮＴＲＹ—Ｐ０ＳＴｏＬ＿ＲＥＦ。　ＭＤ３７　１４０　ＧＡＮＴＲＹ—ＢＲＥＡＫ—ＵＰ。　６）Ｘ轴及】，轴的同步轴设置。如图１所示，　和　

、　３和　４、ｌ，ｌ和ｌ，２均需要两两之间配置为同步轴，　

需设置参数如下：　

ＭＤ３７２５０　ＭＳ—ＡＳＳＩＧＮ　ＭＡＳＴＥＲ—Ｔ０ＲＱＵＥ＿ＣＴＲ。　ＭＤ３７２５２　ＭＳ＿ＡＳＳＩＧＮ＿ＭＡＳＴＥＲ＿ＳＰＥＥＤ＿ＣＭＤ。　

２０１１／６　对直线电机在数控机床上的应用进行了简介。通　过直线电机的计算选择、直线电机及其相关附件的安　

装说明、西门子８４０Ｄ系统中的直线电机调试等内容．　对直线电机的使用及注意事项加以了总结。为直线电　机在数控机床上的应用提供了一条捷径。　

参考文献　

ｆ　１］　ＳＩＭＯＤＲＩＶＥ　Ｄｒｉｖｅｓ　Ｐｅａｋ　Ｌｏａｄ　Ｍｏｔｏｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１　ＦＮ３　Ｐｒｏｄｕｃｔ　

Ｆａｍｉｌｙ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｍａｎｕａｌ［Ｚ］．Ｓｉｅｍｅｎｓ，Ｇｅｒｍａｎｙ，２００８．　

［２］Ｃｌａｍｐｉｎｇ　ａｎｄ　Ｂｒａｋｉｎｇ　Ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｇｕｉｄｅｓ［Ｚ］．Ｇｅｒ－　

ｍａｎｙ，Ｚｉｍｍｅｒ　ＧＭＢＨ，２００８．　

（编辑　小　前）　

机械制造４９卷第５６２期　ＭＣＰ４８３Ｃ，机床控制面板带３０个用户定义键和按钮开　关以及ＭＭＣ　１０３带硬盘的标准ＰＣ，硬件配置：ＩＮＴＥＬ　

ＰＥＮＴＩＵＭ处理器、１６～３２ＭＢ　ＲＡＭ、ＭＳＷＩＮ９５或　ＷＩＮＤＯＷＳ　ＮＴ操作环境、用户可定义的操作画面、两　

个通用的ＲＳ２３２Ｃ接口（Ｖ２４）、键盘接口、ＭＰＩ、用户定　

义键的ＭＰＩ接口模块、打印机并行口、磁盘驱动器接　

及ＰＣＩ／ＩＳＡ适配器。　

３设备选型　

３．１　ＨＭＩ显示设备选型　分辨率６４０ｘ４８０，ＬＣＤ背光灯，彩色平面屏幕（１５　

ＴＦＴ），通过ＰＣＵ供电的５Ｖ、５．２Ｖ、１２ＶＤＣ电源接口（功　

率１６Ｗ）可用于ＰＣＵ２０、ＰＣＵ５０、ＰＣＵ７０等计算机单　

兀。　３．２　ＰＣＵ设备选型　系统软件版本Ｖ６．０，ＷＩＮＸＰ操作系统，５１２Ｍ内　

存．直流２４Ｖ供电，两个串口，一个打印口，ＰＳ２接口可　

用于外接鼠标键盘，ＵＳＢ接口，ＩＤ　接口和软驱接口，　

以太网接口。高性能ｖＧＡ接口以及用于连接ＮＣＵ和　

ＭＣＰ的ＭＰＩ接口。　

３．３伺服系统选型　伺服系统用于驱动主轴电机和８台进给电机，伺　

服系统需配置电源模块（ＮＥ）（该模块中还配置进线电　

抗器、浪涌吸收器以及冷却风机）、主控制模块（Ｎｃｕ）、　主轴驱动模块（ＭＳＤ）以及进给驱动模块（ＦＤＤ）。其中　

ＭＳＤ、ＦＤＤ的驱动电源为直流母排供电，该电源统一　

来自电源模块，ＮＣＵ、ＭＳＤ、ＦＤＤ的控制电源来自电源　

模块上面的扁平电缆。各个模块之间使用通信扁平电　

缆连接．用以实现信号传递（注意通信电缆终端要连接　

终端模块）。可根据进给轴的多少来选择ＦＤＤ的数量，　

本系统中配置ＭＳＤ模块用以实现主轴的控制，ＦＤＤ　

模块用以实现各进给轴的控制。　

３．４　ＰＬＣ系统选型　

ＰＬＣ的ＣＰＵ内置于ＮＣＵ中．所以只需要配置　

ＰＬＣ扩展机架便可。本系统中共配置５个机架，机架上　面插有ＤＩ模块（每个模块为４点输入模块）和Ｄ０模　

块（每个模块为４点输出模块），其中两块模块输出外　

接中间继电器，机架配置电源模块一个（电源模块为　

ＩＯＡ直流输出、直流２４Ｖ供电）。机架上面配置通信接　

口模块．用来和ＮＣＵ通信。整个系统的ＰＬＣ配置如图　

机械制造４９卷第５６２期　ｌ所不。　

３．５　电机型号选型　单套交流伺服电机有９个，一个主轴电机以及８　

个进给电机。其中主轴电机选择３７　ｋＷ，额定转速为　１　５００　ｒ／ｍｉｎ。８个进给电机分别选择：２个１１．６　ｋＷ，额　

定转速为３　０００　ｒ／ｒａｉｎ；１个２２　ｋＷ，额定转速为３　０００　

ｒ／ｍｉｎ；２个９．７　ｋＷ，额定转速为３　０００　ｒ／ｍｉｎ；２个ｌ１．５　

ｋＷ，额定转速为２　０００　ｒ／ｍｉｎ；１个８．０　ｋＷ，额定转速为　

２　０００　ｒ／ｒａｉｎ　选择电机时还要注意现场的安装位置，要　

考虑到以下几点：主轴电机的安装底板、连接套（必要　

时要进行非标加工安装底板）、进给电机的过桥板问　题、进给电机编码器及编码器电缆以及主轴速度匹配。　

除主轴内部编码器外，又另外增加了一个外置编码器，　

以提高系统的加工精度。　３．６控制柜及操作台选型　控制柜选用施奈德产品，控制柜尺寸为２　２００（Ｈ）　

Ｘ１　２００（ｗ）ｘ６００（Ｄ）（单位：ｈｉｍ）的两个并柜，左右开　

门，柜之间安装侧板。操作台为非标产品，操作箱尺寸　

为６００（ｗ）ｘ４００（Ｄ）ｘ６００（Ｈ）（单位：ｌＴｌｍ），前面安装　

ｏＰ０１５Ａ、机床控制面板、手轮以及开关按钮等，操作箱　

侧壁安装空调设备。　３．７　空调设备选型　控制柜上面安装一台门式空调机．空渊机功率为　

２　９００　Ｗ。　３．８选择开关、按钮指示灯选型　操作台、刀库修调盒以及主轴按钮盒上面的选择　

开关及按钮指示灯设备主要选用施奈德公司的。指示　

灯灯泡选用高亮度指示灯．带灯按钮颜色根据现场习　

惯来选用，故障选择红颜色按钮，操作选择黄颜色按　

钮，工作方式、运行状态选择绿颜色按钮。急停按钮安　

装３个：一个安装在机床控制面板上面，一个安装在刀　

库修调盒上面，最后一个安装在主轴按钮盒上面。　

３．９低压设备选型　ＰＬＣ输出信号除指示灯之外，其余均接０ＭＲＯＮ　

中间继电器。继电器选择２４Ｖ节点输出，输出电流为　５Ａ。急停系统中需有安全继电器，电机需安装温度继　

电器，主接触器需配辅助节点，主空气开关需配辅助节　

点。热继电器、继电器以及接触器选型以ＡＢＩ３为主。所　

涉及控制的电机有：风扇电机、润滑电机、液压电机、油　

压电机以及冷却电机等。　

经过以上的设备选型以及按照数控系统改造标　

准，设计出数控及基础自动化系统配嚣图（见图２）。　

４系统功能实现　

４．１　ＰＣＵ５０　ＰＣＵ５０是一个基于ＷＩＮＤ０ＷＳ的软件系统。在此　

２０１１／６　基础上可以完成数控系统的设置、组态和操作，并且可　

以在此基础上编制加工程序，优化整个系统功能，用户　

编制的数控加工程序存放在ＰＣＵ上面。　４．２机床控制面板　机床控制面板用来进行机床的相关操作。操作方　

式有点动、ＭＤＡ、自动等方式，主要应用于系统的主轴　

控制和进给控制功能。　

４．３　ＥＴ２００　ＰＬＣ　ＥＴ２００　ＰＬＣ用以实现机床的辅助控制功能，包括　

系统供配电、外部位置检测以及辑逻连锁等。ＥＴ２００　

ＰＬＣ具有体积小、组态灵活、控制可靠和操作简便等优　

点。　４．４　６１ｌＤ伺朋Ｌ系统　６１ｌＤ伺服系统是西门子全数字交流伺服马达控　

制系统。它由电源模块、功率模块、控制模块和速度反　

馈编码器构成。６１１Ｄ伺服系统是一个可以在ＭＭＣ１０３　

软件系统中实现控制优化的数字伺服运动控制系统。　

其可以用来实现高精度的位置和速度控制（定位精度　

可以达到ｌ　ｍ）。　

４．５　１ＦＴ６和ｌＰＨ７伺耶　电机　１ＦＴ６电机是西门子生产的专门用于伺服运动的　

交流电机。该电机转矩大、体积小，控制灵活，是一种高　

精度的机床进给伺服电机。　

２０１１／６　１ＰＨ７电机是西门子生产的专门用于主轴运动的　

交流电机，它智能性好，故障率低，制动灵活，而且其内　

装编码器可以实现与ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ系统的通信。　

Ｉ兀１６进给伺服电机和１ＰＨ７主轴电机内装位置反　

馈编码器和速度反馈编码器，配有专用编码器连接电　缆，这样方便了和伺服控制卡及电机之间的连接，并且　

连接可靠，减少了施工维护时间。　

５　结束语　

精密卧式加工中心电气控制系统通过利用　

ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ　８４０Ｄ进行电气设计后．已经达到以下验　收标准：　（１）保ｉｉＥ了客户所要求的各种功能；　

（２）增加了系统的可靠性，减少了故障时间；　

（３）提高了系统易维护性，降低了维护强度；　

（４）备件统一，降低了备件采购费用；　

（５）系统满足了可扩展性和易操作性的要求；　

（６）技术资料和图纸齐全。　

参考文献　

［１］杨光，朱震忠．深入浅出西门子Ｓ７—３００ＰＬＣ［Ｍ］．北京：北　京航天航空大学出版社，２ｏｏ４．　

△　

（编辑　禾　禾）　

机械制造４９卷第５６２期