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摘 要：目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而且替换下来的旧机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造之路。利用现有闲置的旧机床，通過数控化改造，使其成为一台新高效、多功能的数控机床，其投资少，见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。
关键词：数控机床；电气部分；改造
1 SINUMERIK 802S base 1ine数控系统特点
SINUMERIK 802S base line数控系统集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O于一个单一的部件，其主要特点如下：
（1）可独立于其他部件进行安装。
（2）操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器，同时还提供12个带有LED的用户自定义键。
（3）SINUMERIK 802S base line的输入/输出点为48个24V的直流输入和16个24V的直流输出。输出同时工作系数为0.5时负载能力可达0.5A。
（4）SINUMERIK 802S base line可控制三个进给轴和一个伺服主轴或变频器。提供脉冲及方向信号的步进驱动接口，还提供一个±10V的接口用于连接主轴驱动；
（5）SINUMERIK 802S base line的控制软件已经存储在数控部分的Flash.EPROM（闪存）上，Toolbox软件工具（调整所用的软件工具）包含在标准的供货范围内。系统不再需要电池，免维护设计。采用电容防止掉电引起的数据丢失。程序的变化和新程序软件存储。
2 电柜设计及电源选用
2.1 在设计电柜时应注意以下事项：
（1）电柜应有冷却或通风装置，在使用风扇时必须在进气窗口安装防尘过滤网；
（2）电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上；
（3）电柜的防护等级为IP54；
（4）接地应遵守国标：机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件；
（5）电柜中布线时，交流电源线（如85VAC，220VAC，380VAC以及变频器到主轴电机的电缆）必须与24VDC电缆和信号线电缆分开走线；
（6）系统直流稳压电源24VDC之前需接入隔离变压器（控制变压器380VAC一220VAC，JBK3.400VA）。步进驱动85VAC必须采用独立的隔离变压器（驱动变压器380VAC 85VAC，JBK3系列）。两个变压器的初级不可以接入到380VAC的同一相。
（7）现场没有良好接地的情况下，控制变压器必须为浮地设计，但此时任何与CNC控制器连接的外设（如PC等），其220VAC电源必须连接到控制变压器。
2.2 24VDC电源选用
CNC控制器采用24V直流供电，系统可在24V-15%至+20%之间正常工作。直流电源的质量是系统稳定运行的关键。24V直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性。数字输入和输出所需的24VDC用独立的24V直流电源，而不能与CNC控制器共用同一个24VDC稳压电源。所有输入信号必须为电平信号，即“0”电平[-3V～5VDC]和“1”电平[11V～30VDC]。悬空和高阻信号均为“0”电平。
3 回参考点配置
对于使用步进电机的进给轴，尽管没有测量系统，但也必须有回参考点过程。为了确定参考点位置，每个坐标轴必须配备一个接近开关（PNP型常开，即24VDC电平输出），用于产生返回参考点的零脉冲。返回参考点的配置形式有两种：分别为双开关方式和单开关方式。为了提高返回参考点的速度、精度和可靠性，决定采用双开关方式，如图3.1所示。该方式可高速寻找减速开关，然后低速寻找接近开关。
系统在返回参考点时有两种采样接近开关的方式，如图3.2所示。
（1）系统采样接近开关上升沿，以上升沿有效电平作为参考点脉冲，如a）所示；
（2）系统在采样完上升沿后，系统控制坐标继续运动，记录上升沿参考脉冲后的运动距离，同时采样接近开关的下降沿。在采样到下降沿后计算两沿的中点，以此作为坐标的参考点，如b）所示。
4 主轴变频器的选用
数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在0.5Hz时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服U/f控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。数控车床属于连续运转，连续运转时所需的变频器容量（kVA）计算式如下：
式中PM负载所要求的电动机的轴输出功率；η为电动机的效率；cosθ为电动机的功率因数；UM电动机的电压；IM电动机工频电源时的电流；k为电流波形的修正系数；PCN为变频器的额定容量；ICN变频器的额定电流；选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。
5 主控电路的设计
电气控制线路主电路如图5.1所示，QFl-QF4为空气开关，FU为熔断器，对电路实现短路保护。M1为7.5KW主电机，交流接触器KMl控制变频器的通电和断电，当变频器无故障时，B端触头闭合，KMl吸合，变频器通电；当变频器有故障时，B端触头断开，KMl线圈失电，其常开触头断开，变频器自动断电，同时A端触头闭合，报警灯HL显示报警。FRl为热继电器，对主轴电机实现过载保护，RCl为三相灭弧器，构成三相负载的阻容吸收回路，能够抑制接触器吸合释放时的干扰噪声。L是为改善功率因数而使用的交流电抗器。R、S、T为变频器的电源输入端，U、V、W为输出控制电机端，STF和STR分别接主轴正反转控制继电器触头KAl和KA2，2和5分别接主轴模拟量输出信号（O～+10V）A04和AGND4，以控制变频器的输出电压频率。执行过程为：当PLC发出主轴正反转信号时，KAl或KA2的常开触头闭合，KMl线圈得电，KMl的常开触头闭合，变频器开始工作，当PLC发出主轴制动信号时，KA6的常闭触头断开，KMl线圈失电，KMl的常开触头断开，变频器停止工作，主电机停转。M2是刀架电机，KM2吸合时，刀架电机正转，KM3吸合时，刀架电机反转，刀架电机正反转的控制信号来自数控系统PLC输出口Q0.4和Q0.5。M3为冷却泵电机，其控制信号来自数控系统PLC输出口Q0.2。
结论
本文首先论述了SINUMERIK 802S base line数控系统特点，从安全性和可靠性出发，确立了电柜设计及电源选用原则，接下来阐述了接近开关的配置方法和步进电机驱动电流的设定方法以及主轴变频器的选用原则，并且通过计算确定了主轴变频器的型号。最后设计了车床主控电路原理图。
参考文献
[1]杨有君.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2005.8
[2]李善术.数控机床及其应用[M].北京：机械工业出版社，2001.5
关键词：数控机床；电气部分；改造
1 SINUMERIK 802S base 1ine数控系统特点
SINUMERIK 802S base line数控系统集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O于一个单一的部件，其主要特点如下：
（1）可独立于其他部件进行安装。
（2）操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器，同时还提供12个带有LED的用户自定义键。
（3）SINUMERIK 802S base line的输入/输出点为48个24V的直流输入和16个24V的直流输出。输出同时工作系数为0.5时负载能力可达0.5A。
（4）SINUMERIK 802S base line可控制三个进给轴和一个伺服主轴或变频器。提供脉冲及方向信号的步进驱动接口，还提供一个±10V的接口用于连接主轴驱动；
（5）SINUMERIK 802S base line的控制软件已经存储在数控部分的Flash.EPROM（闪存）上，Toolbox软件工具（调整所用的软件工具）包含在标准的供货范围内。系统不再需要电池，免维护设计。采用电容防止掉电引起的数据丢失。程序的变化和新程序软件存储。
2 电柜设计及电源选用
2.1 在设计电柜时应注意以下事项：
（1）电柜应有冷却或通风装置，在使用风扇时必须在进气窗口安装防尘过滤网；
（2）电柜中的所有部件必须安装在无油漆的镀锌金属板上；
（3）电柜的防护等级为IP54；
（4）接地应遵守国标：机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件；
（5）电柜中布线时，交流电源线（如85VAC，220VAC，380VAC以及变频器到主轴电机的电缆）必须与24VDC电缆和信号线电缆分开走线；
（6）系统直流稳压电源24VDC之前需接入隔离变压器（控制变压器380VAC一220VAC，JBK3.400VA）。步进驱动85VAC必须采用独立的隔离变压器（驱动变压器380VAC 85VAC，JBK3系列）。两个变压器的初级不可以接入到380VAC的同一相。
（7）现场没有良好接地的情况下，控制变压器必须为浮地设计，但此时任何与CNC控制器连接的外设（如PC等），其220VAC电源必须连接到控制变压器。
2.2 24VDC电源选用
CNC控制器采用24V直流供电，系统可在24V-15%至+20%之间正常工作。直流电源的质量是系统稳定运行的关键。24V直流电作为低压电源必须具有可靠的电隔离特性。数字输入和输出所需的24VDC用独立的24V直流电源，而不能与CNC控制器共用同一个24VDC稳压电源。所有输入信号必须为电平信号，即“0”电平[-3V～5VDC]和“1”电平[11V～30VDC]。悬空和高阻信号均为“0”电平。
3 回参考点配置
对于使用步进电机的进给轴，尽管没有测量系统，但也必须有回参考点过程。为了确定参考点位置，每个坐标轴必须配备一个接近开关（PNP型常开，即24VDC电平输出），用于产生返回参考点的零脉冲。返回参考点的配置形式有两种：分别为双开关方式和单开关方式。为了提高返回参考点的速度、精度和可靠性，决定采用双开关方式，如图3.1所示。该方式可高速寻找减速开关，然后低速寻找接近开关。
系统在返回参考点时有两种采样接近开关的方式，如图3.2所示。
（1）系统采样接近开关上升沿，以上升沿有效电平作为参考点脉冲，如a）所示；
（2）系统在采样完上升沿后，系统控制坐标继续运动，记录上升沿参考脉冲后的运动距离，同时采样接近开关的下降沿。在采样到下降沿后计算两沿的中点，以此作为坐标的参考点，如b）所示。
4 主轴变频器的选用
数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在0.5Hz时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服U/f控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。数控车床属于连续运转，连续运转时所需的变频器容量（kVA）计算式如下：
式中PM负载所要求的电动机的轴输出功率；η为电动机的效率；cosθ为电动机的功率因数；UM电动机的电压；IM电动机工频电源时的电流；k为电流波形的修正系数；PCN为变频器的额定容量；ICN变频器的额定电流；选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。
5 主控电路的设计
电气控制线路主电路如图5.1所示，QFl-QF4为空气开关，FU为熔断器，对电路实现短路保护。M1为7.5KW主电机，交流接触器KMl控制变频器的通电和断电，当变频器无故障时，B端触头闭合，KMl吸合，变频器通电；当变频器有故障时，B端触头断开，KMl线圈失电，其常开触头断开，变频器自动断电，同时A端触头闭合，报警灯HL显示报警。FRl为热继电器，对主轴电机实现过载保护，RCl为三相灭弧器，构成三相负载的阻容吸收回路，能够抑制接触器吸合释放时的干扰噪声。L是为改善功率因数而使用的交流电抗器。R、S、T为变频器的电源输入端，U、V、W为输出控制电机端，STF和STR分别接主轴正反转控制继电器触头KAl和KA2，2和5分别接主轴模拟量输出信号（O～+10V）A04和AGND4，以控制变频器的输出电压频率。执行过程为：当PLC发出主轴正反转信号时，KAl或KA2的常开触头闭合，KMl线圈得电，KMl的常开触头闭合，变频器开始工作，当PLC发出主轴制动信号时，KA6的常闭触头断开，KMl线圈失电，KMl的常开触头断开，变频器停止工作，主电机停转。M2是刀架电机，KM2吸合时，刀架电机正转，KM3吸合时，刀架电机反转，刀架电机正反转的控制信号来自数控系统PLC输出口Q0.4和Q0.5。M3为冷却泵电机，其控制信号来自数控系统PLC输出口Q0.2。
结论
本文首先论述了SINUMERIK 802S base line数控系统特点，从安全性和可靠性出发，确立了电柜设计及电源选用原则，接下来阐述了接近开关的配置方法和步进电机驱动电流的设定方法以及主轴变频器的选用原则，并且通过计算确定了主轴变频器的型号。最后设计了车床主控电路原理图。
参考文献
[1]杨有君.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2005.8
[2]李善术.数控机床及其应用[M].北京：机械工业出版社，2001.5