季照平

(南通職業(yè)大學機械工程學院，江蘇南通 226007)

CK6141車床是某校1996年從某機床廠購買的凱恩帝系統(tǒng)的臥式車床。該機床是該校學生金工實習的重要設備，運行一直比較正常。但是最近幾年，由于使用時間比較長、電氣元件及控制系統(tǒng)老化，導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，故障頻發(fā)，無法正常運行。經過對不同數(shù)控系統(tǒng)的反復比較、論證，擬采用SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)對車床進行改造。

1 改造方案

1.1 數(shù)控系統(tǒng)及驅動的選型

圖1 機床系統(tǒng)框圖

SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)具有免維護性，其關鍵部件PCU把PLC、CNC、通信和人機交互界面等功能進行系統(tǒng)集成，運行穩(wěn)定、便于安裝;SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)可以對一個數(shù)字或模擬主軸和4個進給軸進行控制，通過現(xiàn)場總線Profibus將驅動器、輸入輸出模塊連接起來。CK6141車床原先X、Z軸就配備了直流伺服電機及驅動放大器，機械傳動結構是滾珠絲桿和定比齒輪箱，這些都為機床改造創(chuàng)造了有利條件。通過對實際情況的仔細研究，伺服放大器選用 SIEMENS 611UE、伺服電機選用 SIEMENS 1FK7、變頻器選用SIEMENS MASTER440，將原有的放大器、伺服電機、變頻器全都進行更換。伺服放大器SIEMENS 611UE可以對一個模擬主軸和兩個進給軸進行控制，主軸可由CNC發(fā)出指令進行控制，并且主軸電機帶有絕對值編碼器，可實現(xiàn)轉進給G94和螺紋G33等功能。改造后的機床系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)的安裝調試

SINUMERIK 802D是運用Profibus現(xiàn)場總線控制的經濟型數(shù)控系統(tǒng)，輸入、輸出和位置調節(jié)信號均是通過Profibus總線傳輸?shù)??？偩€Profibus的主備是PCU，它的每一個從設備都有專屬于自己的IP地址，因此可以對從設備進行任意排序。PP72/48的總線(通過總線Profibus接口連接)地址由模塊上的IP地址開關S1設置。PP72/48模塊一的總線地址設為“9”，PP72/48模塊二的總線地址設為“8”，若選配更多，則依次設定。伺服放大器611UE的總線地址可以通過自身攜帶的輸入鍵設定，亦或用軟件Simocom設置。伺服放大器的總線接口模塊用于控制電流環(huán)和速度環(huán)。SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)可提供標準的機床控制面板，面板上均提供6個客戶自定義鍵，每個鍵都分配好固定的總線地址，可通過PLC對其進行編程設定，所以改造機床時可根據(jù)實際需要對這些按鍵進行定義。

1.3 PLC的調試

由于該機床使用年限較長，原先潤滑及冷卻系統(tǒng)等部件都相當陳舊，部分裝置無法正常工作。所以改造中，更換了冷卻泵、刀架換刀電機、主軸箱和導軌液壓潤滑油泵，確保改造后這些部件能穩(wěn)定運行。PLC程序對控制刀架電機、冷卻系統(tǒng)電機、潤滑系統(tǒng)電機的輔助觸點進行采集并運用于邏輯控制。設計PLC同時全面考慮了機床的機械和軟件限位、急停信號、進給軸之間的互鎖信號，并通過總線將所有這些輸入、輸出信號采集到PLC內進行邏輯控制。通過對數(shù)控機床工作原理的充分研究，設計出合理的PLC程序。由于SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)自身攜帶標準的PLC程序，所以機床改造時亦可根據(jù)實際情況，對原標準PLC程序進行修改，從而達到所需的機床邏輯控制。

具體調試PLC程序的方法如下:(1)用SINUMERIK 802D提供的RS232通信電纜將數(shù)控系統(tǒng)和計算機的COM口進行連接;(2)數(shù)控系統(tǒng)進入聯(lián)調方式:系統(tǒng)→PLC?STEP7→設置通信參數(shù)→選擇“連接開啟”軟鍵;(3)運行PLC編程軟件，找到通信界面，設置通信參數(shù);(4)在PLC軟件內編制好正確的邏輯控制程序，通過通信電纜，導入到數(shù)控系統(tǒng)。成功導入后，在數(shù)控系統(tǒng)中啟動PLC應用程序。(5)對主軸和X、Z進給軸進行調試，使得PLC程序實現(xiàn)機床所要求的具體功能，并將SINUMERIK 802D提供的6個用戶自定義分配好相應的功能，如換刀、機床照明、潤滑、冷卻等功能。

1.4 變頻器SIEMENS MASTER440的調試

變頻器MASTER440可與各種驅動器相匹配，它采用簡潔的模塊化設計，Profibus總線模塊和操作面板均可安裝、固定在上面，并且它運用了最前沿的IGBT技術 (易操作、高穩(wěn)定的矢量控制技術)。通過磁通電流控制單元優(yōu)化動態(tài)響應，從而優(yōu)化電機控制。CNC數(shù)控系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)是通過Profibus總線進行通信，并實現(xiàn)對其控制。通過伺服放大器611UE攜帶的75A模擬接口和15端子對MASTER440變頻器進行控制，變頻器的接通和切斷是通過PLC程序來實現(xiàn)的。變頻器和放大器的連接示意圖如圖2所示。

圖2 變頻器和放大器連接示意圖

1.5 伺服放大器611UE的調試

根據(jù)機床加工的實際需要，為機床驅動進給系統(tǒng)配置了帶有絕對編碼器的伺服電機1FK7和伺服放大器611UE。數(shù)控設備的加工性能在很大程度上由位置控制系統(tǒng)和伺服放大系統(tǒng)的性能決定，如機床的最大切線進給速度、主軸角定位精度、位置定位精度、重復定位精度等皆取決于位置控制和伺服放大系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。伺服驅動裝置由速度控制單元和伺服電機構成，它可以對電機轉速進行任意調節(jié)并滿足在切削過程中所需的扭距。位置反饋檢測單元根據(jù)定位精度的要求實時反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)所需要的反饋信號。在PLC程序調試完畢后，把計算機和伺服放大器611UE的X471接口用驅動器通信電纜進行連接。把驅動進給系統(tǒng)上電后，伺服放大器的液晶屏上顯示“A1106”，則表示驅動系統(tǒng)數(shù)據(jù)未設置，同時總線接口模塊和R/F的紅燈均亮起。在計算機中啟動Simocom驅動系統(tǒng)調試軟件，然后設置好通信方式、電機參數(shù)、Profibus總線地址等參數(shù)后，伺服放大器液晶屏則顯示“A0831”，同時總線接口模塊上的紅燈依然亮起，表示當前處于總線數(shù)據(jù)通信狀態(tài)。設置參數(shù)后，注意將參數(shù)進行保存。

1.6 SINUMERIK 802D的基本參數(shù)設定

總線Profibus的參數(shù)通過參數(shù)號MD11240來設定，將該參數(shù)設置為4后，伺服放大器的液晶屏顯示“A832”(表示總線沒有同步信號)，同時放大器總線接口上的指示燈呈綠色;驅動定位模塊由參數(shù)MD30130、MD30220設定;位置控制參數(shù)MD30130、MD3024設定生效后，放大器液晶屏顯示“RUN”;傳動系統(tǒng)參數(shù)為MD31030、MD31050、MD31060，按技術方案要求進行設定;最后設置機床回零參數(shù)。

2 數(shù)控改造后CK6141所實現(xiàn)的基本功能

(1)回參考點功能

將機床及數(shù)控系統(tǒng)上電后，將工作方式旋至“回零”模式，然后分別按下機床X+和Z+的方向鍵，機床自動建立機床零點。

(2)增加手脈功能

在手脈工作模式下，可以進行進給軸選擇，可以設定手脈進給倍率1、10、100 μm等?？赏ㄟ^手脈方法實現(xiàn)軸的快速、準確的定位。

(3)MDA(手動數(shù)據(jù)輸入/自動加工)功能

在MDA模式下，機床操作人員可以輸入單句或幾句程序進行自動運行。該功能大大縮短了刀補檢驗時間，為程序調試帶來方便。

(4)建立刀補的功能

編程操作人員可將對刀時產生的數(shù)據(jù) (刀具直徑、刀號、刀具類型、刀具偏置方向和偏置值等)輸入到SINUMERIK 802D對應的刀補寄存器里面。該功能對刀具補償?shù)倪\用尤為重要，可以大大簡化編程，提高加工效率。

(5)自動加工功能

在自動加工模式下，按下“Program”鍵，查找并打開已經編輯好的程序，按下“Cyclestart”鍵，程序啟動，機床進入自動運行狀態(tài)?！癙rogram”目錄下的數(shù)控加工程序可自行在系統(tǒng)面板上編輯輸入也可通過軟件將外部程序導入。

3 結論

此次機床改造是以機床的實際使用狀況為基礎，綜合考慮機床的使用需求以及經濟效益，最終選用了當前使用廣泛的SINUMERIK 802D系統(tǒng)。改造過程中，對原有機械部件作了小部分優(yōu)化，消除了齒輪間隙較大的缺陷。機床改造后通過長時間的試切削運行，證明此次機床改造是成功的，并達到了改造的預期目的。

［1］西門子數(shù)控(南京)有限公司.SINUMERIK 802D安裝調試版本，2002.

［2］陳子銀，陳為華.數(shù)控機床結構原理與應用［M］.北京:北京理工大學出版社，2006.

［3］孫慧平.數(shù)控機床安裝調試技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［4］文懷興，夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設計［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.

［5］余雷聲，方宗達.電氣控制與PLC應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.

［6］郁漢琪.電氣控制與可編程控制器應用技術［M］.北京:東南大學出版社，2003.

［7］徐錦康.機械設計［M］.北京:高等教育出版社，2004.