基于西门子数控机床控制系统设计研究

　　西门子公司是世界上最大的电气产品生产厂家之一。西门子生产的产品在多个领域内占有主导地位。从20 世纪80 年代开始，西门子推出了数控机床控制系统系列产品，这些产品应用广泛，对数控机床的生产有着巨大影响。数控机床控制系统的核心部件是数控装置CNC，其西门子产品的商标为SINUMERIK，现在已经逐渐形成以西门子公司的CNC 为核心的知名产品系列，如SINUMERIK810、820，SINUMERIK840、850，SINUMERIK802 等。这些产品在我国也拥有大量用户。

　　西门子数控机床控制系统主要包括数控装置CNC、交直流驱动系统、可编程控制器、位置控制系统、通信系统以及辅助控制系统等。其中数控装置主要完成整个系统控制，是机床控系统的核心控制部件；交直流驱动系统主要实现主轴交直流电机驱动、进给电机驱动和其它交直流电机驱动；可编程控制器又称PLC 主要实现机床系统内部逻辑控制；位置控制伺服系统主要实现系统位置准确控制。通信系统主要完成内部信息的传输和控制。辅助系统主要是显示、键盘、自诊断系统等系统辅助部分。这些功能模块可以让数控机床人员组装在一起，安装在机床中，编写控制程序后就会完成具有特定功能的数控机床。下面本文以轧辊磨床为例说明基于西门子数控机床控制系统的机床控制系统设计过程和设计要点。

1 西门子数控机床控制设计

　　由于轧辊的加工过程中，不仅要修复轧辊表面精度损坏，还要根据工艺要求加工成一定曲线，因此，加工难度大，需要高精度的数控磨床加工完成。为此，只要将普通的轧辊磨床上加装西门子的数控机床通用控制系统，就可以实现高标准的磨削要求。下面简单说明系统组成。

　　1.1 系统硬件组成

　　轧辊磨床主要有机械部分和电气控制两个部分组成。其中机械部分主要有承载系统和磨削系统，电气控制部分主要包括驱动系统和数字控制系统。在这里，本文主要介绍电气控制部分的情况。

　　本文选择SINUMERIK802D sl 作为控制核心，具体如图1 所示。SINUMERIK802D sl 集成所有数控系统元件（例如，数控装置、可编程控制器、人机操作界面）于一体的控制系统。全数控键盘（垂直型或水平型）可直接连接。I/O 可通过PROFIBUS DP 系统进行操作。另外，该系统具有Plus S2和Pro S3 型的5 轴数字驱动，另带Plus S2 和Pro S3 型的一个PLC轴数字驱动。驱动系统采用与之相匹配的SINAMICS120交流驱动模块并利用DRIVECLIO 作为数据总线连接数控装置，控制系统可以自动辨识电动机和编码器ID 身份编号。因此，只要将电机作为组件插入到系统中即可识别，简化了机床系统的安装和调试过程。本系统采用6RA70 直流调速器作为直流电机的驱动模块。系统集成的人机交互系统可以显示相关图像、参数和故障信息，也可以通过键盘设置输入控制命令。该系统内置S7-200 小型PLC，可以实现机床内部所有逻辑控制，包括机床各通道的同步操作。

　　本文选择2 台Z4 直流电动机拖动工件和砂轮；选择3 台1FK7 系列交流伺服电机驱动机床Z 轴、X 轴以及U 轴。由于SINUMERIK802D sl 具有5 轴驱动能力。因此，完全可以满足磨床伺服系统1 个主轴，X、Z、U 轴三个辅助驱动轴的控制要求。因为SINUMERIK802D sl 系统可将机床的任意坐标轴分配给一个通道，该通道完全独立。各通道也可以进行组合，各种控制方式由PLC 进行同步控制，不会出现混乱。这样可以缩短处理时间，简化控制流程。

　　另外，两台直流电机和两套直流调速模块主要完成对工件和砂轮的拖动；系统还需配置操作面板接口模块1 套；PLC 接口模块2 套，分别连接控制驱动模块和数控装置；D/A 模块2 套；电源1 套。系统还需配置位移测量系统、温度测量系统、电压测量系统等辅助系统。

　　1.2 系统控制软件设计

　　SINUMERIK802D 系统可以采用NC 编程，也可以方便地使用 DIN 编程技术和 ISO 代码进行编程。PLC 编程可以采用梯形图等编程语言，实现PLC 逻辑控制。编程系统支持极坐标编程、圆弧半径直接编程及轮廓描述编程、轮廓冲突检查，并可编入加工循环以简化编程。另外，还具有刀尖半径、刀具半径补偿、螺距补偿、反向间隙补偿、过象限误差补偿等各种补偿功能。编程软件提供插值、曲线逼近等各种子程序供程序调用。最后，系统软件不仅可以完成各种控制功能任务，还可以提供图形模拟显示来调试程序，降低系统编程的难度。

2 结论

　　由于西门子数控系统的出色性能，提高了机床加工精度和系统性能。西门子数控系统具有框架式硬件结构、通道式输出管理、简便的编程设计，可以降低数控机床产品的研发周期和开发成本。该系列产品也具有西门子产品的一贯特点即质量优异、可靠性高，因此，提高了机床产品的市场竞争力。本文以数控磨床的研发与设计为例，详细介绍了西门子数控系统在机床制造中的应用。实践证明，西门子数控系统技术的实用性和可靠性。