臥式加工中心改造

（湖北三江集團(tuán)萬(wàn)山特種車輛有限公司，湖北 孝感 432100）

臥式加工中心改造

劉宏偉

（湖北三江集團(tuán)萬(wàn)山特種車輛有限公司，湖北 孝感 432100）

采用西門子840Di和2套觸摸屏對(duì)臥式加工中心進(jìn)行電氣改造，并對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行修理，恢復(fù)刀庫(kù)、換刀機(jī)構(gòu)和交換工作臺(tái)運(yùn)行，提高了設(shè)備的可靠性。

PROFIBUS總線；雙通道；信號(hào)轉(zhuǎn)換器；刀庫(kù)集中管理

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.項(xiàng)目主要用途：主要用于加工各類重型車橋橋殼。

2.項(xiàng)目當(dāng)中使用的西門子自動(dòng)化產(chǎn)品：1臺(tái)840Di（雙通道），用于6個(gè)機(jī)床進(jìn)給軸和1個(gè)主軸控制；2塊ADI4，用于連接7路位置反饋信號(hào)；1塊TP170，用于換刀機(jī)構(gòu)和輔助功能的手動(dòng)控制；1塊TP270，用于刀庫(kù)集中管理；3塊PP72/48 PLC模塊，用于機(jī)床的PLC控制；1套HHU手持單元，用于機(jī)床操作。

3.設(shè)備照片如圖1所示。

二、控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.主要硬件配置方案。原設(shè)備硬件配置和用戶要求：原控制系統(tǒng)采用2套西門子8M系統(tǒng)，1套用于機(jī)床加工控制，1套用于刀庫(kù)控制和管理，2套8M系統(tǒng)故障頻繁，已不能正常工作。進(jìn)給系統(tǒng)為西門子6SC驅(qū)動(dòng)器和1FT5電機(jī)，工作正常，受改造經(jīng)費(fèi)限制用戶希望保留。PLC采用西門子S5。X、Y、Z、B軸采用光柵尺和編碼器反饋構(gòu)成全閉環(huán)控制，其他軸為半閉環(huán)，用戶要求保留原設(shè)備光柵尺。

圖1

要求改造完成后，恢復(fù)原有機(jī)床功能、性能，滿足加工工藝要求，提高設(shè)備可靠性。根據(jù)原機(jī)床現(xiàn)狀和技術(shù)要求，選擇以下硬件配置：系統(tǒng)主機(jī)為840Di，集成在PCU50內(nèi)，1.2GHz/256M，40G ；集成MCI2-BOARD，PROFIBUS接口；配MCI板，連接手輪；雙通道結(jié)構(gòu)（一個(gè)通道用于4個(gè)加工進(jìn)給軸、1個(gè)交換工作臺(tái)軸和1個(gè)主軸的控制；另一個(gè)通道用于刀庫(kù)軸的控制，在加工時(shí)預(yù)選和回裝刀具）配 OP010 10.4″TFT顯示器、19″MCP機(jī)床操作面板，帶主軸和進(jìn)給倍率開關(guān)；配2塊ADI4模塊，PROFIBUS接口。每個(gè)ADI4模塊可連接4個(gè)帶模擬量給定的驅(qū)動(dòng)裝置, 其模擬量輸出為±10V，4路位置反饋輸入；位置反饋為4個(gè) TTL 信號(hào)輸入，可以連接4個(gè)光柵尺或編碼器，從而構(gòu)成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。采用了ADI4模塊后，原驅(qū)動(dòng)裝置和電機(jī)、電纜都可以保留，節(jié)約了改造成本。

保留原機(jī)床X、Y、Z反饋光柵尺和B、U（Q1）、W（Q9）編碼器，增加3臺(tái)HEIDENHAIN信號(hào)轉(zhuǎn)換器EXE101，將原光柵尺的11uA信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，以適應(yīng)ADI4模塊反饋信號(hào)要求。

保留原機(jī)床X、Y、Z、B、U（Q1）、W（Q9）6個(gè)進(jìn)給軸的1FT5電機(jī)和西門子6SC6101驅(qū)動(dòng)器。840Di CNC系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器采用模擬接口連接控制。

840Di內(nèi)置CPU317-2DP PLC，配置3塊PP72/48 PLC模塊，分別安裝在主操作臺(tái)上和電氣控制柜內(nèi)，PP72/48模塊采用PROFIBUS總線與840Di連接，并配有PHONENIX端子連接器。輸出控制繼電器采用OMRON。

增加一臺(tái)西門子TP270 10.4″觸摸屏，代替原CNC 8M系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)的控制和管理，TP270與840Di通過(guò)MPI總線連接。

增加一臺(tái)西門子TP170 5.7″觸摸屏，實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手和刀庫(kù)搬運(yùn)機(jī)械手的手動(dòng)分步控制， TP170與840Di 通過(guò)MPI總線連接。

HHU采用西門子B-MPI標(biāo)準(zhǔn)手持單元，通過(guò)分配盒，采用PROFIBUS總線與系統(tǒng)連接，HHU帶有手輪，兩行數(shù)碼顯示，可以顯示軸位置，HHU還帶有急停，倍率開關(guān)和功能開關(guān)，采用HHU極大方便機(jī)床的操作。

對(duì)原機(jī)床電氣控制柜重新裝配并進(jìn)行二次布線，將主要控制元件全部更換為西門子低壓元器件。

2.系統(tǒng)的硬件連接示意圖如圖2 所示。

3.其他可選方案：可采用西門子840D進(jìn)行改造，將原設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)更換為611D驅(qū)動(dòng)器和1FT6電機(jī)，提高了設(shè)備的可靠性，但同時(shí)增加了改造成本。

三、控制系統(tǒng)完成的主要控制功能和指標(biāo)

1.X、Y、Z、B、U、W共6個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)S主軸控制，其中X、Y、Z、U、S軸在第1通道，X、Y、Z、B為全閉環(huán)控制，W軸在第2通道。

2.工作臺(tái)托盤交換：工作臺(tái)B軸為360°旋轉(zhuǎn)軸，由U軸來(lái)實(shí)現(xiàn)2個(gè)工作臺(tái)托盤的交換，U軸可以通過(guò)電磁離合器切換成兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)托盤的進(jìn)出移動(dòng)和轉(zhuǎn)換附件的0～90°擺動(dòng)，在參數(shù)中定義LOADWORK、PALLET1、PALLET2變量，用來(lái)記錄工作臺(tái)、托盤1、托盤2的狀態(tài)。

3.刀庫(kù)控制和管理：刀庫(kù)共有106個(gè)刀具存儲(chǔ)位置，2個(gè)刀具交換位置和2個(gè)裝卸刀具位置，在參數(shù)中用數(shù)組TOOLPOS[XX]定義W軸每個(gè)刀具的位置坐標(biāo)，用于刀具在刀庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)和換刀區(qū)、裝卸區(qū)進(jìn)行刀具的轉(zhuǎn)移和定位。刀庫(kù)管理由1臺(tái)TP270來(lái)完成，用戶在裝卸區(qū)利用觸摸屏選擇裝卸刀具、輸入刀具號(hào)碼、刀具參數(shù)和刀位號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)完成刀具的定位和裝卸，并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示每個(gè)刀位的狀態(tài)、刀具數(shù)據(jù)和W的坐標(biāo)、裝卸機(jī)械手的狀態(tài)等信息，并以動(dòng)畫方式顯示出動(dòng)作過(guò)程。

4.換刀機(jī)構(gòu)：換刀機(jī)械手由PLC控制，用于在刀庫(kù)換刀區(qū)和機(jī)床主軸之間進(jìn)行刀具交換。

5.主軸控制：主軸擺動(dòng)換檔，主軸定位。

6.其他輔助控制：由PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)床其它輔助控制，包括：油泵、潤(rùn)滑、冷卻、排削、主軸換擋、刀具夾緊放松、過(guò)濾器、控制電源、外部保護(hù)等控制。增加1臺(tái)TP170觸摸屏，可以監(jiān)視每個(gè)輔助控制的狀態(tài)，并可以單獨(dú)手動(dòng)控制，機(jī)械手可以通過(guò)觸摸屏手動(dòng)分步控制，以方便調(diào)試和檢修。

7.安全防護(hù)：防護(hù)門安全聯(lián)鎖，工作臺(tái)安全光幕，報(bào)警文本（60個(gè)）。

8.誤差補(bǔ)償：螺距補(bǔ)償對(duì)可明顯提高機(jī)床的定位和重復(fù)定位精度,利用激光干涉儀對(duì)X、Y、Z軸進(jìn)行測(cè)量和誤差補(bǔ)償，達(dá)到了設(shè)備精度要求。840DI SL補(bǔ)償步驟如下。

（1）根據(jù)各軸工作區(qū)間，確定補(bǔ)償間隔和補(bǔ)償范圍。

（2）修改機(jī)床參數(shù)，生成補(bǔ)償文件。

（3）編寫各軸補(bǔ)償測(cè)量零件程序。

（4）利用激光干涉儀檢測(cè)每個(gè)點(diǎn)的誤差值。

（5）根據(jù)誤差值填寫補(bǔ)償文件，傳入系統(tǒng)中。

（6）反復(fù)測(cè)量補(bǔ)償，直到達(dá)到機(jī)床精度要求。

X補(bǔ)償結(jié)果如圖3所示。

圖3

9.在通道1中運(yùn)行的子程序SPF（M代碼調(diào)用）有裝載托盤1子程序；卸載托盤1子程序；裝載托盤2子程序；卸載托盤2子程序；請(qǐng)求預(yù)選刀具子程序；刀具交換子程序。

10.在通道2中運(yùn)行的程序有刀庫(kù)控制和管理主程序、從換刀機(jī)械手取刀具子程序、向換刀機(jī)械手上放置刀具子程序、刀庫(kù)搬運(yùn)機(jī)械手轉(zhuǎn)換子程序、從刀庫(kù)取刀具子程序、刀具返回刀庫(kù)子程序、裝卸門裝入刀具子程序及裝卸門取出刀具子程序。

11.恢復(fù)刀庫(kù)控制和管理功能，實(shí)現(xiàn)刀具的預(yù)選、找刀、搬運(yùn)、換刀、回裝、裝卸等動(dòng)作，利用NC Var Selector定義變量參數(shù)在NC—PLC—觸摸屏之間實(shí)現(xiàn)刀具信息的交換。

四、項(xiàng)目運(yùn)行

該項(xiàng)目于2006年9月完成改造，至今運(yùn)行情況穩(wěn)定、良好，加工正常，用戶認(rèn)為通過(guò)系統(tǒng)升級(jí)改造，機(jī)床的性能指標(biāo)得到大幅度提高，提高了設(shè)備的可靠性，系統(tǒng)診斷、維護(hù)方便，產(chǎn)品加工精度穩(wěn)定，花費(fèi)少，達(dá)到了改造目的。

五、應(yīng)用體會(huì)

西門子自動(dòng)化產(chǎn)品具有完整、系統(tǒng)、開放、延續(xù)性好的特點(diǎn)，各種產(chǎn)品之間通過(guò)PROFIBUS總線進(jìn)行連接，減少了連線，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和兼容性。

TP273

B

1671-0711（2014）10-0060-03

2014-08-08）