南昌航空大學(xué)科技學(xué)院外文資料翻譯1數(shù)控立式車削中心數(shù)控化改造用新型 SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)對使用 10多年的 SKIQ16 CNC B數(shù)控立式車削中心進(jìn)行數(shù)控化改造，機(jī)床強大的數(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?wù)魑幕顒佣泉劇?KIQ16 CNC B數(shù)控立式車削中心是捷克 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)對該機(jī)床進(jìn)行改造勢在必行，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)和銑磨軸的旋轉(zhuǎn)運動、X、Z 軸坐標(biāo)運動、15 個刀位的刀庫系統(tǒng)，還有諸如冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(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。刀庫采用普通三相異步交流電動機(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 軸和刀庫坐標(biāo)伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用 SIIMODRIVE 611UE變頻驅(qū)動系統(tǒng)和 1FK7伺服電機(jī)，選用脈沖編碼器作為位置檢測元件，達(dá)到數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)閉環(huán)控制。主軸和銑磨軸驅(qū)動系統(tǒng)采用英國 Eurotherm公司的 590+系列直流電動機(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現(xiàn)，保證機(jī)床電氣控制部分長期可靠工作。 除增加 MCP機(jī)床控制面板外，還要重新設(shè)計機(jī)床操作面板，具有各種機(jī)床功能按鈕和指示燈。 數(shù)控系統(tǒng)和坐標(biāo)伺服驅(qū)動系統(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 軸和刀庫三個數(shù)字進(jìn)給軸和一個主軸。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軟件南昌航空大學(xué)科技學(xué)院外文資料翻譯2編寫 PLC控制程序，調(diào)用 PLC子程序庫中的 SBR32 PLC-INI PLC初始化、SBR33 EMG-STOP 急停處理、SBR34 MCP-802D 傳送機(jī)床控制面板對應(yīng) I/O狀態(tài)、SBR38 MCP-NCK 機(jī)床控制面板 MCP信號、操作面板 HMI信號送至 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)的車床控制程序，這樣與該機(jī)床實際情況不同，刀庫采用數(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。立式車削中心有別于一般的臥式車床，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)動系統(tǒng)是一種功能可配置的驅(qū)動系統(tǒng)，與SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成理想的組合。SIIMODRIVE 611UE變頻驅(qū)動系統(tǒng)滿足機(jī)床在動態(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)計可獨立優(yōu)化至最佳狀態(tài)。驅(qū)動調(diào)試可在 PC機(jī)上利用 SimoCom U進(jìn)行或利用驅(qū)動模塊前端的顯示器和鍵盤進(jìn)行。利用 SimoCom U可設(shè)定驅(qū)動器與電動機(jī)和功率模塊匹配的基本參數(shù)；可根據(jù)伺服電機(jī)實際拖動的機(jī)械部件，對SIIMODRIVE 611UE速度控制器的參數(shù)進(jìn)行自動優(yōu)化；可監(jiān)控驅(qū)動器的運行狀態(tài)包括電動機(jī)實際電流和實際扭矩。主軸和銑磨軸驅(qū)動系統(tǒng) 主軸和銑磨軸驅(qū)動系統(tǒng)采用英國 Eurotherm公司的 590+系列直流電動機(jī)調(diào)速裝置。590+系列直流電動機(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，用于電樞和勵磁，適用于直流他激電動機(jī)和永磁電動機(jī)控制。 590+系列直流電動機(jī)調(diào)速裝置是采用 32位微處理器實現(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；通過串行線路，可與其他傳動裝置或數(shù)控系統(tǒng)通訊，能構(gòu)成先進(jìn)的過程系統(tǒng)。主軸和銑磨軸電動機(jī)沒有更換，采用原來的模擬量控制。主軸電動機(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)定一個疊加軸。通過對 SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，使用 SimoCom U驅(qū)動調(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。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院外文資料翻譯3刀庫系統(tǒng) 由于刀庫系統(tǒng)原來采用普通電動機(jī)，機(jī)械傳動比 1：360。刀庫機(jī)械結(jié)構(gòu)特殊，圓盤刀庫豎直位于 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)動系統(tǒng)和 1FK7伺服電動機(jī)，將刀庫改為數(shù)控坐標(biāo)軸，增加脈沖編碼器作為位置檢測元件，達(dá)到數(shù)字伺服驅(qū)動系統(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)。由于刀庫裝滿刀具后的重力作用，刀庫圓盤無法達(dá)到重力平衡。雖然刀庫運動可以精確定位，但是上述原因?qū)е缕鋵嶋H定位出現(xiàn)偏差，所以仍然采用坐標(biāo)運動定位后定位銷插入的準(zhǔn)確定位方法。 該機(jī)床換刀過程特殊，不同與一般的立式車床。PLC 控制程序完成以下?lián)Q刀過程：裝刀時 X、Z 軸運動安全位置，Z 軸上無刀，機(jī)床處于刀具放松狀態(tài)。PLC控制機(jī)械手伸出，推動立車刀架到 Z軸上完成后刀具夾緊，即裝刀過程完畢。卸刀時 X、Z 軸運動安全位置，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，此時刀具放松，機(jī)械手縮回帶動立車刀架回到刀盤上后，刀具夾緊，即卸刀過程完畢。 SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)支持利用 M代碼或 T代碼調(diào)用用戶循環(huán)，可用于機(jī)床刀具交換。通過設(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。編寫用戶循環(huán)程序，通過算法確定每個刀位刀庫軸（B 軸）的旋轉(zhuǎn)角度，利用自定義 M代碼啟動 PLC換刀邏輯。PLC 將數(shù)控系統(tǒng)“讀入禁止”信號置位，使該固定循環(huán)停止。將換刀機(jī)械動作用自定義 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)的各個部件安裝連接完成后，開始調(diào)試 PLC控制程序。由于該設(shè)備是立式車床，不同于 PLC子程序庫中的車床應(yīng)用程序，所以必須針對該機(jī)床的具體情況修改 PLC子程序。 將刀庫設(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)方向點動鍵，需要對 SBR34、SBR38、SBR40 等子程序。由于是立式車床，X、Z 軸正負(fù)方向點動鍵與 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 MCP上用戶自定義鍵，如液壓啟動、液壓停止、橫梁放松、橫梁鎖緊及指示燈，設(shè)計 MCP和機(jī)床操作面板的 PLC控制程序并且調(diào)試功能實現(xiàn)。全面測試南昌航空大學(xué)科技學(xué)院外文資料翻譯4所使用的子程序庫的子程序，確保子程序的功能在與 PLC控制程序聯(lián)結(jié)在一起時正確無誤。編輯設(shè)計 PLC用戶報警，通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)規(guī)定每個報警的屬性。設(shè)定機(jī)床基本參數(shù)包括：PROFIBUS 總線配置、伺服驅(qū)動器模塊定位、主軸和坐標(biāo)軸位置控制使能以及傳動系統(tǒng)參數(shù)配比。 在對機(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行。但要使整個系統(tǒng)進(jìn)入最佳運行狀態(tài)，還應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等工作。 當(dāng)整個系統(tǒng)運行正常后，還應(yīng)對相應(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)床正常運行后，還應(yīng)對機(jī)床機(jī)械部分，如各軸垂直度、反向間隙、傳動系統(tǒng)精度等進(jìn)行測量調(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)對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以使機(jī)床運行在最佳狀態(tài)。當(dāng)各部分的調(diào)整結(jié)束后，通過對機(jī)床機(jī)械精度的測量，還需對數(shù)控機(jī)床的位控系統(tǒng)進(jìn)行精度補償。反向間隙補償由于位置反饋編碼器裝在傳動絲杠的端頭，雖然消除了減速箱等機(jī)械傳動部分的反向間隙，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)，每次反向運行時，系統(tǒng)自動補償。由于絲杠長期使用中的磨損，絲杠各位置的螺距與標(biāo)稱值會有一定誤差，為提高定位精度，通過系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行補償。 根據(jù)用戶生產(chǎn)的需求，結(jié)合機(jī)床改造過程，對由 SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了分析、設(shè)計及實施。目前，針對該機(jī)床的機(jī)械、電氣、系統(tǒng)各個方面的改造、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)完成了多項零件加工任務(wù)。從整個機(jī)床的使用、運行狀態(tài)來看，改造后機(jī)床與原機(jī)床相比，功能的極大增強、自動化程度很高。 強大的數(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。同時高度的自動化也大大降低了操作工人的勞動強度，但對操作工人的綜合素質(zhì)又提出了更高的要求。 從機(jī)床的可操作性來看，結(jié)構(gòu)緊湊合理，顯示器、各種開關(guān)和指示燈布局更適合操作人員的使用。同時增加了一個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，而且操作更為簡單容易。 改造后的機(jī)床增強了可維修性。數(shù)控系統(tǒng)可監(jiān)控各控制部件的工作狀態(tài)及故障，并及時在顯示器上顯示，同時 PLC控制的應(yīng)用，使整個機(jī)床控制系統(tǒng)線路大為簡化。所有這些都使機(jī)床故障檢測和維修更為方便、迅速。其次，需經(jīng)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院外文資料翻譯5常進(jìn)行檢測、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)的各個組成部分均是高度集成的微機(jī)控制系統(tǒng)，這使得整個機(jī)床控制系統(tǒng)本身就具有較高的可靠性。PLC 的設(shè)計應(yīng)用，成功地使各個控制部分達(dá)到了協(xié)調(diào)統(tǒng)一，極大地簡化了機(jī)床控制線路及所需元器件，更有利于提高整個系統(tǒng)的可靠性。 該機(jī)床改造的完成，不但為用戶擴(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。