基于SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)在車床CK6141改造中的成功應(yīng)用

季照平

(南通職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226007)

CK6141車床是某校1996年從某機(jī)床廠購(gòu)買的凱恩帝系統(tǒng)的臥式車床。該機(jī)床是該校學(xué)生金工實(shí)習(xí)的重要設(shè)備，運(yùn)行一直比較正常。但是最近幾年，由于使用時(shí)間比較長(zhǎng)、電氣元件及控制系統(tǒng)老化，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，故障頻發(fā)，無(wú)法正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)對(duì)不同數(shù)控系統(tǒng)的反復(fù)比較、論證，擬采用SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)對(duì)車床進(jìn)行改造。

1 改造方案

1.1 數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)的選型

圖1 機(jī)床系統(tǒng)框圖

SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)具有免維護(hù)性，其關(guān)鍵部件PCU把PLC、CNC、通信和人機(jī)交互界面等功能進(jìn)行系統(tǒng)集成，運(yùn)行穩(wěn)定、便于安裝;SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)可以對(duì)一個(gè)數(shù)字或模擬主軸和4個(gè)進(jìn)給軸進(jìn)行控制，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus將驅(qū)動(dòng)器、輸入輸出模塊連接起來(lái)。CK6141車床原先X、Z軸就配備了直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)放大器，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是滾珠絲桿和定比齒輪箱，這些都為機(jī)床改造創(chuàng)造了有利條件。通過(guò)對(duì)實(shí)際情況的仔細(xì)研究，伺服放大器選用 SIEMENS 611UE、伺服電機(jī)選用 SIEMENS 1FK7、變頻器選用SIEMENS MASTER440，將原有的放大器、伺服電機(jī)、變頻器全都進(jìn)行更換。伺服放大器SIEMENS 611UE可以對(duì)一個(gè)模擬主軸和兩個(gè)進(jìn)給軸進(jìn)行控制，主軸可由CNC發(fā)出指令進(jìn)行控制，并且主軸電機(jī)帶有絕對(duì)值編碼器，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)進(jìn)給G94和螺紋G33等功能。改造后的機(jī)床系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)的安裝調(diào)試

SINUMERIK 802D是運(yùn)用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，輸入、輸出和位置調(diào)節(jié)信號(hào)均是通過(guò)Profibus總線傳輸?shù)?。總線Profibus的主備是PCU，它的每一個(gè)從設(shè)備都有專屬于自己的IP地址，因此可以對(duì)從設(shè)備進(jìn)行任意排序。PP72/48的總線(通過(guò)總線Profibus接口連接)地址由模塊上的IP地址開(kāi)關(guān)S1設(shè)置。PP72/48模塊一的總線地址設(shè)為“9”，PP72/48模塊二的總線地址設(shè)為“8”，若選配更多，則依次設(shè)定。伺服放大器611UE的總線地址可以通過(guò)自身攜帶的輸入鍵設(shè)定，亦或用軟件Simocom設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床控制面板，面板上均提供6個(gè)客戶自定義鍵，每個(gè)鍵都分配好固定的總線地址，可通過(guò)PLC對(duì)其進(jìn)行編程設(shè)定，所以改造機(jī)床時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)這些按鍵進(jìn)行定義。

1.3 PLC的調(diào)試

由于該機(jī)床使用年限較長(zhǎng)，原先潤(rùn)滑及冷卻系統(tǒng)等部件都相當(dāng)陳舊，部分裝置無(wú)法正常工作。所以改造中，更換了冷卻泵、刀架換刀電機(jī)、主軸箱和導(dǎo)軌液壓潤(rùn)滑油泵，確保改造后這些部件能穩(wěn)定運(yùn)行。PLC程序?qū)刂频都茈姍C(jī)、冷卻系統(tǒng)電機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)電機(jī)的輔助觸點(diǎn)進(jìn)行采集并運(yùn)用于邏輯控制。設(shè)計(jì)PLC同時(shí)全面考慮了機(jī)床的機(jī)械和軟件限位、急停信號(hào)、進(jìn)給軸之間的互鎖信號(hào)，并通過(guò)總線將所有這些輸入、輸出信號(hào)采集到PLC內(nèi)進(jìn)行邏輯控制。通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床工作原理的充分研究，設(shè)計(jì)出合理的PLC程序。由于SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)自身攜帶標(biāo)準(zhǔn)的PLC程序，所以機(jī)床改造時(shí)亦可根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)PLC程序進(jìn)行修改，從而達(dá)到所需的機(jī)床邏輯控制。

具體調(diào)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(jì)算機(jī)的COM口進(jìn)行連接;(2)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入聯(lián)調(diào)方式:系統(tǒng)→PLC?STEP7→設(shè)置通信參數(shù)→選擇“連接開(kāi)啟”軟鍵;(3)運(yùn)行PLC編程軟件，找到通信界面，設(shè)置通信參數(shù);(4)在PLC軟件內(nèi)編制好正確的邏輯控制程序，通過(guò)通信電纜，導(dǎo)入到數(shù)控系統(tǒng)。成功導(dǎo)入后，在數(shù)控系統(tǒng)中啟動(dòng)PLC應(yīng)用程序。(5)對(duì)主軸和X、Z進(jìn)給軸進(jìn)行調(diào)試，使得PLC程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)床所要求的具體功能，并將SINUMERIK 802D提供的6個(gè)用戶自定義分配好相應(yīng)的功能，如換刀、機(jī)床照明、潤(rùn)滑、冷卻等功能。

1.4 變頻器SIEMENS MASTER440的調(diào)試

變頻器MASTER440可與各種驅(qū)動(dòng)器相匹配，它采用簡(jiǎn)潔的模塊化設(shè)計(jì)，Profibus總線模塊和操作面板均可安裝、固定在上面，并且它運(yùn)用了最前沿的IGBT技術(shù) (易操作、高穩(wěn)定的矢量控制技術(shù))。通過(guò)磁通電流控制單元優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而優(yōu)化電機(jī)控制。CNC數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)Profibus總線進(jìn)行通信，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。通過(guò)伺服放大器611UE攜帶的75A模擬接口和15端子對(duì)MASTER440變頻器進(jìn)行控制，變頻器的接通和切斷是通過(guò)PLC程序來(lái)實(shí)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(diào)試

根據(jù)機(jī)床加工的實(shí)際需要，為機(jī)床驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)配置了帶有絕對(duì)編碼器的伺服電機(jī)1FK7和伺服放大器611UE。數(shù)控設(shè)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(jī)床的最大切線進(jìn)給速度、主軸角定位精度、位置定位精度、重復(fù)定位精度等皆取決于位置控制和伺服放大系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性。伺服驅(qū)動(dòng)裝置由速度控制單元和伺服電機(jī)構(gòu)成，它可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行任意調(diào)節(jié)并滿足在切削過(guò)程中所需的扭距。位置反饋檢測(cè)單元根據(jù)定位精度的要求實(shí)時(shí)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)所需要的反饋信號(hào)。在PLC程序調(diào)試完畢后，把計(jì)算機(jī)和伺服放大器611UE的X471接口用驅(qū)動(dòng)器通信電纜進(jìn)行連接。把驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)上電后，伺服放大器的液晶屏上顯示“A1106”，則表示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)未設(shè)置，同時(shí)總線接口模塊和R/F的紅燈均亮起。在計(jì)算機(jī)中啟動(dòng)Simocom驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)試軟件，然后設(shè)置好通信方式、電機(jī)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(shí)總線接口模塊上的紅燈依然亮起，表示當(dāng)前處于總線數(shù)據(jù)通信狀態(tài)。設(shè)置參數(shù)后，注意將參數(shù)進(jìn)行保存。

1.6 SINUMERIK 802D的基本參數(shù)設(shè)定

總線Profibus的參數(shù)通過(guò)參數(shù)號(hào)MD11240來(lái)設(shè)定，將該參數(shù)設(shè)置為4后，伺服放大器的液晶屏顯示“A832”(表示總線沒(méi)有同步信號(hào))，同時(shí)放大器總線接口上的指示燈呈綠色;驅(qū)動(dòng)定位模塊由參數(shù)MD30130、MD30220設(shè)定;位置控制參數(shù)MD30130、MD3024設(shè)定生效后，放大器液晶屏顯示“RUN”;傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)為MD31030、MD31050、MD31060，按技術(shù)方案要求進(jìn)行設(shè)定;最后設(shè)置機(jī)床回零參數(shù)。

2 數(shù)控改造后CK6141所實(shí)現(xiàn)的基本功能

(1)回參考點(diǎn)功能

將機(jī)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(jī)床X+和Z+的方向鍵，機(jī)床自動(dòng)建立機(jī)床零點(diǎn)。

(2)增加手脈功能

在手脈工作模式下，可以進(jìn)行進(jìn)給軸選擇，可以設(shè)定手脈進(jìn)給倍率1、10、100 μm等。可通過(guò)手脈方法實(shí)現(xiàn)軸的快速、準(zhǔn)確的定位。

(3)MDA(手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入/自動(dòng)加工)功能

在MDA模式下，機(jī)床操作人員可以輸入單句或幾句程序進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行。該功能大大縮短了刀補(bǔ)檢驗(yàn)時(shí)間，為程序調(diào)試帶來(lái)方便。

(4)建立刀補(bǔ)的功能

編程操作人員可將對(duì)刀時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù) (刀具直徑、刀號(hào)、刀具類型、刀具偏置方向和偏置值等)輸入到SINUMERIK 802D對(duì)應(yīng)的刀補(bǔ)寄存器里面。該功能對(duì)刀具補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)用尤為重要，可以大大簡(jiǎn)化編程，提高加工效率。

(5)自動(dòng)加工功能

在自動(dòng)加工模式下，按下“Program”鍵，查找并打開(kāi)已經(jīng)編輯好的程序，按下“Cyclestart”鍵，程序啟動(dòng)，機(jī)床進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。“Program”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(guò)軟件將外部程序?qū)搿?/p>

3 結(jié)論

此次機(jī)床改造是以機(jī)床的實(shí)際使用狀況為基礎(chǔ)，綜合考慮機(jī)床的使用需求以及經(jīng)濟(jì)效益，最終選用了當(dāng)前使用廣泛的SINUMERIK 802D系統(tǒng)。改造過(guò)程中，對(duì)原有機(jī)械部件作了小部分優(yōu)化，消除了齒輪間隙較大的缺陷。機(jī)床改造后通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試切削運(yùn)行，證明此次機(jī)床改造是成功的，并達(dá)到了改造的預(yù)期目的。

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

［2］陳子銀，陳為華.數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

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

［4］文懷興，夏田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［5］余雷聲，方宗達(dá).電氣控制與PLC應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

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

［7］徐錦康.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2004.