HC212 落地鏜銑床的數(shù)控化改造方案

孫洪普 劉 甦 韓 強

(濟鋼集團重工機械有限公司，山東 濟南250200)

我公司HC212 數(shù)顯落地鏜銑床是上世紀80 年代初期由蘇聯(lián)引進的重型機床，鏜軸直徑220 mm，X軸行程14000 mm，Y軸行程4200 mm，Z軸(鏜軸)行程1800 mm，W軸(滑枕)行程1200 mm。該機床適用于鏜孔、銑削平面、鉆孔等、并配有多種附件銑頭和平旋盤，配固定工作臺和一額載80 t 旋轉(zhuǎn)工作臺(旋轉(zhuǎn)B軸，直線V軸)，可以實現(xiàn)一次裝夾，五面加工，擔負著我公司大型、重型工件的加工任務(wù)。

原鏜銑床主傳動和各進給軸電動機均為直流電動機，采用分立元件的模擬線路控制器控制，外部線路采用繼電器邏輯控制，使用幾十年后，由于元件老化，故障頻繁，(有些已無備件)，查找故障耗時費力，影響設(shè)備的正常生產(chǎn)，電氣改造勢所必行。

1 可行性分析

首先對機床進行了全面的檢查和評估:各機械傳動部件工作狀態(tài)良好，基本不需大的維護;機床導軌各工作面無明顯磨損，待調(diào)整后對精度影響應(yīng)該不大;預(yù)計機械部分仍可使用十五年以上。電氣方面:主傳動和驅(qū)動控制部分的控制系統(tǒng)十分老舊，性能落伍，已經(jīng)達壽命極限，故障頻繁;主軸電動機換向片和碳刷有磨損、預(yù)計大修之后可達到使用要求，X、Y、Z、W進給軸電動機使用30 多年，整流子及碳刷磨損嚴重，維修價值不大，V、B軸電動機由于使用較少，磨損不大可繼續(xù)使用;電器元件性能都有不同程度的下降，且很多器件已無備件;大部分線路都已經(jīng)老化，需要重新鋪設(shè)控制線路;測量顯示部分為海德漢光柵尺和數(shù)顯表，經(jīng)激光干涉儀校驗，誤差在允許范圍內(nèi)可繼續(xù)使用。

考慮到機械部分較好的狀況、雖不能滿足高精度數(shù)控機床要求，但是達到經(jīng)濟性數(shù)控的機械要求是沒有問題的，如果只恢復數(shù)顯機床的功能，雖然可靠性得到保證，但是在操作性和工作效率方面沒有提高。如今數(shù)控系統(tǒng)的價格也都不太高，工作效率高，而且利用數(shù)控系統(tǒng)的自檢功能，可以在顯示屏上有比較明確的故障提示，減少查找故障的時間，提高的效用與增加的費用比很高，在經(jīng)濟上很劃算，技術(shù)上也是可行的。

2 電氣改造方案

考慮到操作者的熟悉程度和車間其他機床的通用性以及經(jīng)濟效果，最終確定采用西門子SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)，配合4 個數(shù)控進給軸、1 個模擬控制主軸和2 個回轉(zhuǎn)工作臺的PLC 軸。數(shù)控改造控制框圖如圖1 所示。4 個進給軸采用西門子1FT6 電動機、611D 伺服驅(qū)動;主傳動部分仍然使用原直流電動機，采用歐陸的590 +直流調(diào)速器;考慮到本公司產(chǎn)品對旋轉(zhuǎn)工作臺的實際需求，最終確定回轉(zhuǎn)工作臺仍使用舊的直流電動機，采用590 +直流調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動，只作為PLC 控制軸，不參與數(shù)控插補;控制柜全部重新設(shè)計制作，機床電纜根據(jù)實際情況更換，床身各限位開關(guān)、按鈕更換為國標件。840D 主要控制部件如表1 所示。611D及590+直流調(diào)速主要驅(qū)動部件如表2 所示。

表1840D 主要數(shù)控部件列表

SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司上世紀90 年代中期推出的一款純數(shù)字的中高檔數(shù)控系統(tǒng)，與之匹配的611D 驅(qū)動也是全數(shù)字的，從發(fā)展趨勢看，該系統(tǒng)已進入成熟期，現(xiàn)已成為西門子公司中高檔系統(tǒng)中的主流機型。840D 系統(tǒng)具有如下特點:全數(shù)字化驅(qū)動，是一個PC 化的數(shù)控系統(tǒng)，但可以根據(jù)需要選用模擬量控制軸模塊(本例中主軸控制用到此功能);操作系統(tǒng)視窗化，操作簡便靈活;軟件內(nèi)容豐富、功能強大，診斷、維修方便，而且具有遠程診斷功能;硬件高度集成化，采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)之間連接更加簡單;內(nèi)部集成大容量的PLC 系統(tǒng)，而且采用了Profibus 現(xiàn)場總線和MPI 多點接口通信協(xié)議，大大減少了現(xiàn)場布線。

840D 系統(tǒng)保持了三CPU 結(jié)構(gòu):人機通信CPU(MMC-CPU)、數(shù)字控制CPU(NC-CPU)和可編程邏輯控制器CPU(PLC -CPU)。其中NC -CPU 和PLC-CPU 合為一體，集成在NCU(Numerical Control Unit)中，但在邏輯功能上相互獨立。NCU 是SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)的控制中心和信息處理中心，數(shù)控系統(tǒng)的直線插補、圓弧插補等軌跡運算和控制、PLC 系統(tǒng)的算術(shù)運算和邏輯運算都是由NCU 完成的。MMC-CPU 的主要作用是完成機床與外界及與PLC-CPU、NC -CPU 之間的通信，內(nèi)帶硬盤，用以存儲系統(tǒng)程序、參數(shù)等，包括操作員面板OP 和機床操作面板MCP。操作員面板OP 的作用是顯示數(shù)據(jù)及圖形，提供人機顯示界面;編輯、修改程序及參數(shù)，實現(xiàn)軟功能操作;機床操作面板MCP 的主要作用是完成數(shù)控機床的各類硬功能鍵的操作。

611D 伺服系統(tǒng)包括I/RF 主電源模塊、各軸控制板和驅(qū)動模塊及伺服電動機。主電源模塊主要功能是實現(xiàn)整流和電壓提升功能，為驅(qū)動模塊提供直流母線電源并為NCU 和各軸控制模塊提供控制電源。

SINUMERIK840D 系統(tǒng)集成的PLC 是S7 - 300 CPU 315 -2DP，通過擴展機架連接I/O 模塊，I/O 模塊、編程軟件和編程方法和普通S7 -300 PLC 的是通用的。

歐陸的590 +系列直流調(diào)速器是一個具有速度環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)四象限調(diào)速器;文字化設(shè)置、監(jiān)控界面;可以提供電樞電壓控制和勵磁控制，達到電樞額定電壓后還可以進行弱磁調(diào)速，進一步提高電動機轉(zhuǎn)速;可以選配模擬測速機或者編碼器作為速度反饋(本例主軸、V軸、B軸電動機選用的都是模擬測速機反饋)。調(diào)速器的雙閉環(huán)控制回路，既對沖擊負載具有優(yōu)越的性能和響應(yīng)，也有良好的穩(wěn)態(tài)跟隨特性。機內(nèi)提供的一套自整定(Auto-tune)算法，擁有自動調(diào)諧功能，可以自動計算出電動機勵磁參數(shù)、電樞參數(shù)和驅(qū)動系統(tǒng)的運動特性參數(shù)，這一功能只須在操作鍵上作一個簡單的操作，大大縮短調(diào)試時間。

3 方案實施步驟

(1)根據(jù)方案，設(shè)計符合機床要求的全套電氣圖紙(包括電氣原理圖、電柜配線圖、機床電氣安裝圖、接線圖及電氣設(shè)備明細表等)，根據(jù)設(shè)備明細表采購所需數(shù)控系統(tǒng)部件和驅(qū)動部件及S7 -300 的I/O 模塊、590 +直流調(diào)速器以及各電氣元件、電線電纜，并根據(jù)設(shè)計圖組裝成控制柜和新的操作站。進行PLC 程序的初步編制，做好機床改造的前期準備工作。

(2)根據(jù)伺服電動機尺寸和原安裝底座進行機床連接部件的零件設(shè)計和制作，并根據(jù)機床現(xiàn)有狀況制定機械改造和維修計劃。

(3)準備工作就緒后停機。機械檢修，更換舊的電氣元件，更換電線電纜同時進行。用時約18 天，伺服電動機安裝完畢，元件、電纜更換完成，新操作站安裝固定，敷設(shè)線路工作完成。

表2611D 及590 +直流調(diào)速主要驅(qū)動部件

(4)初步調(diào)試、配置840D 數(shù)控系統(tǒng)和611D 伺服驅(qū)動系統(tǒng)，下載PLC 程序、打點校驗線路。確認線路無誤后，調(diào)試機床動作和各項聯(lián)鎖互鎖邏輯控制，并根據(jù)實際情況修改NC 的各項軸參數(shù)和PLC 程序，以達到最佳狀態(tài)。用時5 天。

(5)機床動作無誤后，進行機械幾何精度調(diào)整和校驗，調(diào)整完畢后用激光干涉儀進行測量系統(tǒng)重復定位的校驗，確認測量系統(tǒng)重復定位達到要求后根據(jù)誤差表修改NC 補償表，然后重新用激光干涉儀校驗機床各軸的重復定位精度，直到滿足驗收條件。用時4 天。

(6)驗收、操作者試加工用時2 天，工作狀態(tài)良好。改造工作基本完工。

4 結(jié)語

停機總時間29 天，提前一天完成改造任務(wù)。合計費用約70 萬元，而一臺新的機床需要上千萬元，經(jīng)濟上是很合理的。

結(jié)合機床本身條件的使用狀況，根據(jù)使用要求和成本考慮，不同的軸分別采用了數(shù)控進給軸、模擬量控制主軸、PLC 控制軸，既滿足了生產(chǎn)需要，提高了效率，又把成本控制在較低的水平。通過近兩個月的使用效果來看，改造是很成功的。

［1］840D 選型手冊［Z］.

［2］840D 制造商手冊［Z］.

［3］840D 調(diào)試手冊［Z］.

［4］611D 選型手冊［Z］.

［5］611D 調(diào)試指南［Z］.

［6］S7 -300 編程手冊［Z］.

［7］590 +用戶手冊［Z］.