西門子840D sl在XKF2312/2.5數(shù)控龍門銑床改造中的應(yīng)用（上）

■中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司 （陜西 710089） 劉紅安

西門子840D sl在XKF2312/2.5數(shù)控龍門銑床改造中的應(yīng)用（上）

■中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司 （陜西 710089） 劉紅安

摘要：目前，先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)西門子840D sl在國(guó)際數(shù)控加工領(lǐng)域應(yīng)用較廣，需要對(duì)其仔細(xì)研究。本文通過(guò)利用該數(shù)控系統(tǒng)對(duì)XKF2312/2.5數(shù)控龍門銑床進(jìn)行數(shù)字化改造這一典型案例，詳細(xì)分析了西門子840D sl的物理及軟件結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)控銑床的改造流程進(jìn)行了說(shuō)明。

西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)代表當(dāng)今世界數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的高端水平。目前，我公司逐步引進(jìn)了西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)的高端設(shè)備。隨著840D sl數(shù)控系統(tǒng)在公司生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的日益普及，對(duì)設(shè)備的數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)正不斷深入，同時(shí)設(shè)備使用的應(yīng)用與保障問題也日漸突出。因此，必須通過(guò)持續(xù)不斷地技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新提升設(shè)備加工效率——利用該先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)普通設(shè)備或控制系統(tǒng)老化的數(shù)控設(shè)備加以技術(shù)改造，使之煥發(fā)強(qiáng)大的生命力，是我們對(duì)西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)引進(jìn)消化再吸收的重要手段之一。

數(shù)控龍門銑床概況

XKF 2 3 1 2 / 2.5系桂林機(jī)床廠制造，工作臺(tái)面積為1 200mm×2 500mm，T 形槽（寬度×距離：28mm×40mm）9個(gè)，坐標(biāo)行程X向2 300mm，Y向行程為900m m，Z向行程830mm。數(shù)控系統(tǒng)采用意大利FIDIA C2系統(tǒng)，主軸及伺服電動(dòng)機(jī)采用西門子611A交流模擬伺服驅(qū)動(dòng)器及1FT5電動(dòng)機(jī)。坐標(biāo)軸X、Y定位精度0.003mm，Z定位精度0.004mm，3個(gè)坐標(biāo)軸重復(fù)定

位精度均為0.001mm，主軸功率30kW，轉(zhuǎn)速可達(dá)0～5 000r/min，采用德國(guó)Z F變速箱，兩級(jí)調(diào)速。該設(shè)備特點(diǎn)：重切削，用于30CrMnSi/Ti合金及鑄鐵等航空類黑色金屬結(jié)構(gòu)件與模胎的加工；進(jìn)給速度快，達(dá)12 000mm/min。

機(jī)床原數(shù)控系統(tǒng)采用意大利FIDIA C2，系統(tǒng)內(nèi)部通信是工控機(jī)ISA總線，數(shù)控系統(tǒng)各板件分別控制輸入輸出、NC插補(bǔ)和PLC控制，功能單一、數(shù)量多，整個(gè)系統(tǒng)集成采用多板件搭接結(jié)構(gòu)；FIDIA C2系統(tǒng)軟件安裝在開放式操作系統(tǒng)WinNT 4.0下，穩(wěn)定性差。西門子611A伺服驅(qū)動(dòng)單元為模擬量控制，F(xiàn)IDIA C2與西門子611A模擬伺服兼容性差，伺服單元上的指令控制信號(hào)、位置反饋信號(hào)接線雜亂。數(shù)控系統(tǒng)電氣布局不合理，電纜走線凌亂，電磁干擾嚴(yán)重，機(jī)床在使用過(guò)程中，頻繁報(bào)警，已造成多起零件報(bào)廢的質(zhì)量事故。設(shè)備自2003年引進(jìn)，機(jī)床機(jī)械部分如導(dǎo)軌、絲杠磨損嚴(yán)重，主軸徑向跳動(dòng)達(dá)0.1mm，設(shè)備整體精度已無(wú)法保障。因此，為了合理利用工廠資源，實(shí)現(xiàn)我廠裝備數(shù)字化、智能化發(fā)展的目標(biāo)，并達(dá)到節(jié)能減排的目的，對(duì)該設(shè)備的技術(shù)改造勢(shì)在必行。

設(shè)備改造總體方案

設(shè)備的改造從機(jī)械與電氣兩方面入手。改造中保留所有機(jī)械傳動(dòng)部件的裝配結(jié)構(gòu)，拆卸和清洗各液壓元件、冷卻系統(tǒng)和主軸箱，發(fā)現(xiàn)有破損及缺齒的齒輪應(yīng)更換新的。根據(jù)機(jī)床的出廠合格證書，檢驗(yàn)機(jī)床導(dǎo)軌在垂直面、水平面的幾何精度，更換X向機(jī)床導(dǎo)軌，確保幾何精度達(dá)到要求。為了保證和提高設(shè)備的加工精度，必須將坐標(biāo)軸滾珠絲杠全部更換。本次改造采用德國(guó)布里斯絲杠，精度等級(jí)C3級(jí)，公稱直徑63mm，螺距10mm。配備與滾珠絲杠相對(duì)應(yīng)的軸承、軸承座，并在機(jī)床相應(yīng)位置安裝調(diào)試。而電氣改造的重點(diǎn)集中在機(jī)床電氣的電路設(shè)計(jì)與數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試上（包括驅(qū)動(dòng)）。

機(jī)床的電路設(shè)計(jì)

保留機(jī)床原有的電氣功能，如液壓裝夾刀具、刀具冷卻、主軸油冷、排屑、照明燈及狀態(tài)指示燈等，控制線路與數(shù)控系統(tǒng)可靠銜接，分配輸入輸出點(diǎn)，選用一塊PP72/48 I/O模板，提供72個(gè)輸入點(diǎn)、48個(gè)輸出點(diǎn)，滿足機(jī)床使用要求。主電路結(jié)構(gòu)保持不變，更換所有二類電氣元件，主令電器與自動(dòng)電器元件全部采用施耐德產(chǎn)品，其中電器柜配電采用JDF36200塑料外殼式斷路器，脫扣器額定電流200A，板后接線式，各電動(dòng)機(jī)、控制變壓器和+24V穩(wěn)壓電源采用DZ108系列高分?jǐn)嘈⌒蛿嗦菲?，電流值按照各?fù)載的額定電流而定，如冷卻泵電動(dòng)機(jī)的主電路，冷卻泵電動(dòng)機(jī)的額定電流為2.3A，選取斷路器額定電流按照如下公式計(jì)算

選用GV2-ME08C型斷路器，3極，帶常開和常閉觸點(diǎn)各1對(duì)，脫扣器電流整定值2.5～4A；各電動(dòng)機(jī)主電路的接觸器選用LC1-D09M7C系列交流接觸器，該系列接觸器采用銀基合金觸頭，滅弧性能優(yōu)良，適用于三相交流電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)距離控制，與數(shù)控系統(tǒng)部件安裝在電器柜中，不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生電磁干擾，保證數(shù)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。額定電流值視各電動(dòng)機(jī)主電路額定電流而定，應(yīng)大于或等于電動(dòng)機(jī)的額定電流，同時(shí)在電路中加裝熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)，在冷卻泵電動(dòng)機(jī)的主電路中采用RT18型熔斷器，額定電流按照如下公式計(jì)算

本次改造采用RT186/3型，冷卻泵電動(dòng)機(jī)的主電路如圖1所示。

圖1

SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)

1. SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D s l功能強(qiáng)大，系統(tǒng)通過(guò)授權(quán)認(rèn)證最多可以控制10 個(gè)方式組、10個(gè)通道和31個(gè)進(jìn)給軸/主軸；能完成大多數(shù)航空類零部件的銑削、攻螺紋和鏜孔的加工。SINUMERIK 840D sl 將CNC、HMI、PLC、驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制和通信模塊集成于一個(gè) SINUMERIK

NC 單元（NCU）中，通過(guò)使用 SINUMERIK PCU 50.3，可進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的操作性能。SINUMERIK840D sl屬多總線結(jié)構(gòu)，即通過(guò)PROFIBUS、DRIVE CLiQ、ETHERNET 總線與外設(shè)和伺服進(jìn)行通信，系統(tǒng)內(nèi)置以太網(wǎng)功能，無(wú)需外掛通信處理器，可實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)及操作站的動(dòng)態(tài)鏈接。NCU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

NCU聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與系統(tǒng)連接，連接至NCU的端口X127口進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，計(jì)算機(jī)設(shè)置自動(dòng)獲得IP地址即可。而在SIMATIC管理器硬件配置中，CP 840D sl的IP地址設(shè)為 192.168.215.1，子網(wǎng)掩碼為 255.255.255.224，DHCP server設(shè)定為“有”。

數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D s l的主要硬件配置為：①P C U 50.3-P，預(yù)裝Win8操作系統(tǒng)1塊。②控制單元NCU710.3PN，內(nèi)置P L C 317-3P N/D P1塊。③MCP 483C PN全數(shù)控鍵盤1塊。④PP72/48 I/O模板1塊。⑤高頻電源電抗濾波器1塊。⑥SINAMICS調(diào)節(jié)型電源模塊1塊。⑦主軸伺服控制單元1塊。⑧單軸閉環(huán)控制單元3塊。⑨1PH8電動(dòng)機(jī) 1個(gè) ，1FT7電動(dòng)機(jī) 3個(gè)。⑩DRIVE CLiQ連接電纜若干。?MINI型手輪 1個(gè)。

2. 驅(qū)動(dòng)單元及坐標(biāo)、主軸電動(dòng)機(jī)的選擇

機(jī)床原電動(dòng)機(jī)特性可作為本次改造各坐標(biāo)電動(dòng)機(jī)的選用依據(jù)和技術(shù)條件。坐標(biāo)電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速和主軸電動(dòng)機(jī)的額定功率、最高轉(zhuǎn)速是電動(dòng)機(jī)選型的主要依據(jù)。

改造采用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)及適配電動(dòng)機(jī)模塊如表1所示。

3. 系統(tǒng)調(diào)試

SINUMERIK840D sl 的調(diào)試必須按照下列步驟進(jìn)行：

（1）系統(tǒng)的連接。SINUMERIK840D sl通過(guò)以太網(wǎng)與外設(shè)進(jìn)行通信，通過(guò)DRIVE CLiQ 總線與電源模塊及各坐標(biāo)進(jìn)給模塊進(jìn)行通信。

總線的正確連接非常重要，如圖3所示。

圖2

圖3

表1

收稿日期：（待續(xù)）（20150421）