采用新型SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)對(duì)使用10多年的SKIQ16 CNC B數(shù)控立式車(chē)削中心進(jìn)行數(shù)控化改造，機(jī)床強(qiáng)大的數(shù)控功能極大地拓寬了機(jī)床加工零件的范圍，更好地保證了零件加工的一致性和產(chǎn)品質(zhì)量。本文獲第二屆SINUMERIK 數(shù)控應(yīng)用與改造有獎(jiǎng)?wù)魑幕顒?dòng)二等獎(jiǎng)。

SKIQ16 CNC B數(shù)控立式車(chē)削中心是捷克HULIN公司于上世紀(jì)90年代制造，采用FANUC-BASK 6T數(shù)控系統(tǒng)。由于該機(jī)床已經(jīng)使用10余年，加之?dāng)?shù)控系統(tǒng)更新?lián)Q代，F(xiàn)ANUC-BASK 6T數(shù)控系統(tǒng)早已停產(chǎn)，系統(tǒng)板件老化，備件昂貴。采用新型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)該機(jī)床進(jìn)行改造勢(shì)在必行，這樣可使該機(jī)床重新煥發(fā)活力，更好地發(fā)揮機(jī)床的潛力。

改造方案的制定

該機(jī)床原有功能齊全，包括主軸(工作臺(tái))和銑磨軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、X、Z軸坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)、15個(gè)刀位的刀庫(kù)系統(tǒng)，還有諸如冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)等機(jī)床功能。主軸和銑磨軸采用直流電動(dòng)機(jī)及直流調(diào)速器。X、Z軸坐標(biāo)也采用直流伺服電機(jī)及直流伺服調(diào)速器。刀庫(kù)采用普通三相異步交流電動(dòng)機(jī)，由5位二進(jìn)制凸輪定位。該機(jī)床的機(jī)械部分各方面機(jī)械性能良好穩(wěn)定、精度尚可、液壓系統(tǒng)工作正常，因此上述部分基本保持不變。

數(shù)控改造更換數(shù)控系統(tǒng)和電氣控制部分，采用SIEMENS SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)。X、Z軸和刀庫(kù)坐標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用SIIMODRIVE 611UE變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和1FK7伺服電機(jī)，選用脈沖編碼器作為位置檢測(cè)元件，達(dá)到數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)控制。主軸和銑磨軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用英國(guó)Eurotherm公司的590+系列直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置。改造機(jī)床其他電氣控制線路，更換電氣控制元件，保證機(jī)床各種控制功能和操作的實(shí)現(xiàn)，保證機(jī)床電氣控制部分長(zhǎng)期可靠工作。

除增加MCP機(jī)床控制面板外，還要重新設(shè)計(jì)機(jī)床操作面板，具有各種機(jī)床功能按鈕和指示燈。

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數(shù)控系統(tǒng)硬件連線圖

數(shù)控系統(tǒng)和坐標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

SIEMENS SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)是將所有CNC、PLC、HMI和通訊任務(wù)集成，是基于PROFIBUS總線的數(shù)控系統(tǒng)。免維護(hù)硬件集成PROFIBUS接口用于驅(qū)動(dòng)和I/O模塊并具有速裝結(jié)構(gòu)的操作面板。SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)控制X、Z軸和刀庫(kù)三個(gè)數(shù)字進(jìn)給軸和一個(gè)主軸。該機(jī)床采用二塊I/O模塊PP72/48和機(jī)床操作面板MCP。利用TOOLBOX 802D中PROGRAMMING TOOL PLC 802軟件編寫(xiě)PLC控制程序，調(diào)用PLC子程序庫(kù)中的SBR32 PLC-INI PLC初始化、SBR33 EMG-STOP 急停處理、SBR34 MCP-802D 傳送機(jī)床控制面板對(duì)應(yīng)I/O狀態(tài)、SBR38 MCP-NCK 機(jī)床控制面板MCP信號(hào)、操作面板HMI信號(hào)送至NCK接口、SBR39 HANDWHL 由操作面板HMI在機(jī)床坐標(biāo)系或工件坐標(biāo)系選擇手輪、SBR40 AXIS-CTL 進(jìn)給軸和主軸使能控制。由于子程序是標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)床控制程序，這樣與該機(jī)床實(shí)際情況不同，刀庫(kù)采用數(shù)字軸控制，增加了數(shù)字軸的數(shù)量。在機(jī)床控制面板和進(jìn)給軸和主軸使能控制等子程序中都要做一定的修改。立式車(chē)削中心有別于一般的臥式車(chē)床，所以坐標(biāo)方向也有所不同，還需要子程序做相應(yīng)的修改。

SIIMODRIVE 611UE變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種功能可配置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成理想的組合。SIIMODRIVE 611UE變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿(mǎn)足機(jī)床在動(dòng)態(tài)響應(yīng)、速度調(diào)整范圍和旋轉(zhuǎn)精度特征等方面的要求，采用模塊化設(shè)計(jì)可獨(dú)立優(yōu)化至最佳狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)調(diào)試可在PC機(jī)上利用SimoCom U進(jìn)行或利用驅(qū)動(dòng)模塊前端的顯示器和鍵盤(pán)進(jìn)行。利用SimoCom U可設(shè)定驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)和功率模塊匹配的基本參數(shù)；可根據(jù)伺服電機(jī)實(shí)際拖動(dòng)的機(jī)械部件，對(duì)SIIMODRIVE 611UE速度控制器的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化；可監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)包括電動(dòng)機(jī)實(shí)際電流和實(shí)際扭矩。

主軸和銑磨軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

主軸和銑磨軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用英國(guó)Eurotherm公司的590+系列直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置。590+系列直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置是作為與配套控制設(shè)備安裝在標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi)的部件而設(shè)計(jì)的�？刂蒲b置使用AC 380V的三相標(biāo)準(zhǔn)電壓，提供直流輸出電壓和電流，用于電樞和勵(lì)磁，適用于直流他激電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)控制。

590+系列直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置是采用32位微處理器實(shí)現(xiàn)，具有許多先進(jìn)的性能：復(fù)雜的控制算法；標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊與可組態(tài)的軟件控制電路相結(jié)合；通過(guò)串行線路，可與其他傳動(dòng)裝置或數(shù)控系統(tǒng)通訊，能構(gòu)成先進(jìn)的過(guò)程系統(tǒng)。

主軸和銑磨軸電動(dòng)機(jī)沒(méi)有更換，采用原來(lái)的模擬量控制。主軸電動(dòng)機(jī)與主軸之間非1：1直連，主軸上安裝SIEMENS 5000線的TTL脈沖增量編碼器。將SIIMODRIVE 611UE的總線地址為12的雙軸模塊A進(jìn)給通道攜帶主軸，設(shè)定一個(gè)疊加軸。通過(guò)對(duì)SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，使用SimoCom U驅(qū)動(dòng)調(diào)試工具軟件調(diào)整SIIMODRIVE 611UE參數(shù)并配置總線模擬量輸出，模擬量輸出接口用于輸出主軸速度給定(±10V)，數(shù)字量輸出用于模擬主軸使能控制，WSG接口用于連接主軸編碼器作為速度反饋，完成主軸控制配置。

刀庫(kù)系統(tǒng)

由于刀庫(kù)系統(tǒng)原來(lái)采用普通電動(dòng)機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)比1：360。刀庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)特殊，圓盤(pán)刀庫(kù)豎直位于Z軸滑枕后，其旋轉(zhuǎn)方向與B軸方向相同。改造后采用SIIMODRIVE 611UE變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和1FK7伺服電動(dòng)機(jī)，將刀庫(kù)改為數(shù)控坐標(biāo)軸，增加脈沖編碼器作為位置檢測(cè)元件，達(dá)到數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)控制。拆除原有的5位二進(jìn)制凸輪定位機(jī)構(gòu)。由于刀庫(kù)裝滿(mǎn)刀具后的重力作用，刀庫(kù)圓盤(pán)無(wú)法達(dá)到重力平衡。雖然刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)可以精確定位，但是上述原因?qū)е缕鋵?shí)際定位出現(xiàn)偏差，所以仍然采用坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)定位后定位銷(xiāo)插入的準(zhǔn)確定位方法。

該機(jī)床換刀過(guò)程特殊，不同與一般的立式車(chē)床。PLC控制程序完成以下?lián)Q刀過(guò)程：裝刀時(shí)X、Z軸運(yùn)動(dòng)安全位置，Z軸上無(wú)刀，機(jī)床處于刀具放松狀態(tài)。PLC控制機(jī)械手伸出，推動(dòng)立車(chē)刀架到Z軸上完成后刀具夾緊，即裝刀過(guò)程完畢。卸刀時(shí)X、Z軸運(yùn)動(dòng)安全位置，Z軸上有刀，機(jī)床處于刀具夾緊狀態(tài)。PLC控制機(jī)械手伸出，此時(shí)刀具放松，機(jī)械手縮回帶動(dòng)立車(chē)刀架回到刀盤(pán)上后，刀具夾緊，即卸刀過(guò)程完畢。

SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)支持利用M代碼或T代碼調(diào)用用戶(hù)循環(huán)，可用于機(jī)床刀具交換。通過(guò)設(shè)置參數(shù)激活M代碼，利用程序段中的M06調(diào)用固定循環(huán)程序執(zhí)行刀具交換。編寫(xiě)用戶(hù)循環(huán)程序，通過(guò)算法確定每個(gè)刀位刀庫(kù)軸(B軸)的旋轉(zhuǎn)角度，利用自定義M代碼啟動(dòng)PLC換刀邏輯。PLC將數(shù)控系統(tǒng)“讀入禁止”信號(hào)置位，使該固定循環(huán)停止。將換刀機(jī)械動(dòng)作用自定義M代碼分解執(zhí)行，例如：M12卸刀、M13裝刀等。換刀完成后，PLC將“讀入禁止”信號(hào)復(fù)位，使該固定循環(huán)繼續(xù)執(zhí)行。在固定循環(huán)中編寫(xiě)信息顯示在數(shù)控系統(tǒng)屏幕上提示操作者換刀所進(jìn)行的步驟。

機(jī)床調(diào)試

數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)部件安裝連接完成后，開(kāi)始調(diào)試PLC控制程序。由于該設(shè)備是立式車(chē)床，不同于PLC子程序庫(kù)中的車(chē)床應(yīng)用程序，所以必須針對(duì)該機(jī)床的具體情況修改PLC子程序。

將刀庫(kù)設(shè)為B軸，而原標(biāo)準(zhǔn)程序只有X、Z軸，需要增加B軸和在MCP上添加B軸正負(fù)方向點(diǎn)動(dòng)鍵，需要對(duì)SBR34、SBR38、SBR40等子程序。由于是立式車(chē)床，X、Z軸正負(fù)方向點(diǎn)動(dòng)鍵與MCP標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置不同也需要修改。根據(jù)機(jī)床需要設(shè)計(jì)MCP上用戶(hù)自定義鍵，如液壓?jiǎn)��?dòng)、液壓停止、橫梁放松、橫梁鎖緊及指示燈，設(shè)計(jì)MCP和機(jī)床操作面板的PLC控制程序并且調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)。全面測(cè)試所使用的子程序庫(kù)的子程序，確保子程序的功能在與PLC控制程序聯(lián)結(jié)在一起時(shí)正確無(wú)誤。編輯設(shè)計(jì)PLC用戶(hù)報(bào)警，通過(guò)設(shè)定機(jī)床參數(shù)規(guī)定每個(gè)報(bào)警的屬性。設(shè)定機(jī)床基本參數(shù)包括：PROFIBUS總線配置、伺服驅(qū)動(dòng)器模塊定位、主軸和坐標(biāo)軸位置控制使能以及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)配比。

在對(duì)機(jī)床進(jìn)行了一系列調(diào)整后，數(shù)控機(jī)床已基本可以正常運(yùn)行。但要使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入最佳運(yùn)行狀態(tài)，還應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等工作。

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常后，還應(yīng)對(duì)相應(yīng)的坐標(biāo)軸等參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，如：速度、增益、加速度及各項(xiàng)監(jiān)控參數(shù)等，以使系統(tǒng)進(jìn)入最佳工作狀態(tài)。在機(jī)床正常運(yùn)行后，還應(yīng)對(duì)機(jī)床機(jī)械部分，如各軸垂直度、反向間隙、傳動(dòng)系統(tǒng)精度等進(jìn)行測(cè)量調(diào)整，使機(jī)械系統(tǒng)達(dá)到最佳。當(dāng)然，機(jī)械調(diào)整后，還應(yīng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以使機(jī)床運(yùn)行在最佳狀態(tài)。當(dāng)各部分的調(diào)整結(jié)束后，通過(guò)對(duì)機(jī)床機(jī)械精度的測(cè)量，還需對(duì)數(shù)控機(jī)床的位控系統(tǒng)進(jìn)行精度補(bǔ)償。反向間隙補(bǔ)償由于位置反饋編碼器裝在傳動(dòng)絲杠的端頭，雖然消除了減速箱等機(jī)械傳動(dòng)部分的反向間隙，但絲杠本身的反向間隙仍然存在，可將該值輸入系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)，每次反向運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償。由于絲杠長(zhǎng)期使用中的磨損，絲杠各位置的螺距與標(biāo)稱(chēng)值會(huì)有一定誤差，為提高定位精度，通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

根據(jù)用戶(hù)生產(chǎn)的需求，結(jié)合機(jī)床改造過(guò)程，對(duì)由SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)及實(shí)施。目前，針對(duì)該機(jī)床的機(jī)械、電氣、系統(tǒng)各個(gè)方面的改造、安裝、調(diào)試工作已經(jīng)完成，樣件加工完全達(dá)到預(yù)期效果。改造后機(jī)床已投入正常使用，陸續(xù)完成了多項(xiàng)零件加工任務(wù)。從整個(gè)機(jī)床的使用、運(yùn)行狀態(tài)來(lái)看，改造后機(jī)床與原機(jī)床相比，功能的極大增強(qiáng)、自動(dòng)化程度很高。 強(qiáng)大的數(shù)控功能極大地拓寬了機(jī)床加工零件的范圍。更好地保證了零件加工的一致性和產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)高度的自動(dòng)化也大大降低了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但對(duì)操作工人的綜合素質(zhì)又提出了更高的要求。

從機(jī)床的可操作性來(lái)看，結(jié)構(gòu)緊湊合理，顯示器、各種開(kāi)關(guān)和指示燈布局更適合操作人員的使用。同時(shí)增加了一個(gè)小型的手持操作單元，以便于操作人員在不同的狀態(tài)下選擇更合適的操作位置。整個(gè)懸掛操作系統(tǒng)采用TFT液晶顯示器，窗口菜單式操作方式，不但減少了操作按鈕，而且操作更為簡(jiǎn)單容易。

改造后的機(jī)床增強(qiáng)了可維修性。數(shù)控系統(tǒng)可監(jiān)控各控制部件的工作狀態(tài)及故障，并及時(shí)在顯示器上顯示，同時(shí)PLC控制的應(yīng)用，使整個(gè)機(jī)床控制系統(tǒng)線路大為簡(jiǎn)化。所有這些都使機(jī)床故障檢測(cè)和維修更為方便、迅速。其次，需經(jīng)常進(jìn)行檢測(cè)、注液、加油的部件均布置于操作或維修人員容易接近的地方，利于日常的保養(yǎng)維護(hù)。

改造后的機(jī)床可靠性大為提高。數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分均是高度集成的微機(jī)控制系統(tǒng)，這使得整個(gè)機(jī)床控制系統(tǒng)本身就具有較高的可靠性。PLC的設(shè)計(jì)應(yīng)用，成功地使各個(gè)控制部分達(dá)到了協(xié)調(diào)統(tǒng)一，極大地簡(jiǎn)化了機(jī)床控制線路及所需元器件，更有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

該機(jī)床改造的完成，不但為用戶(hù)擴(kuò)大了該機(jī)床的加工范圍，也節(jié)約了大筆資金。本次改造的成功也為今后的機(jī)床改造工作積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。