基于西門子840D系統(tǒng)的數(shù)控軋輥車床的設(shè)計

沈麗　張?zhí)K新

摘 要：軋輥作為生產(chǎn)工藝過程中的一個重要環(huán)節(jié)，決定了軋機的效率和軋材的質(zhì)量，軋輥車床是用于生產(chǎn)軋輥的設(shè)備，由于普通軋輥車床采用繼電器控制，需要大量人力和物力，效率較低，數(shù)控軋輥車床能夠解決這一問題。文章首先對數(shù)控軋輥車床的基本原理進(jìn)行了闡述，在此基礎(chǔ)上對數(shù)控軋輥車床進(jìn)行了硬件設(shè)計，數(shù)控系統(tǒng)采用西門子公司的840D系統(tǒng)，選用S7-300 PLC實現(xiàn)外部數(shù)字量控制，主軸驅(qū)動系統(tǒng)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADI4和直流伺服驅(qū)動器6RA70組合，刀架和托板系統(tǒng)采用611D數(shù)字驅(qū)動模塊和IFT6交流伺服電機。軟件上通過對于MMC軟件系統(tǒng)、NC軟件系統(tǒng)、PLC軟件系統(tǒng)和通信及驅(qū)動接口軟件進(jìn)行設(shè)置，運用STEP 7-Micro/WIN軟件對PLC進(jìn)行梯形圖的編程，通過PC/PPI通信電纜將程序下載到PLC中，最終完成了系統(tǒng)的控制要求。

關(guān)鍵詞：數(shù)控軋輥；840D系統(tǒng)；S7-300

中圖分類號：TG596 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）18-0007-02

1 軋輥的分類及用途

軋輥在生產(chǎn)工藝過程中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，通過軋輥可以使金屬產(chǎn)生塑性變形，它是決定軋機的效率和軋材質(zhì)量的重要消耗部件。

1.1 軋輥的分類

當(dāng)鋼材通過一對軋輥機器的壓力后，能夠使鋼材特性變得均勻，能夠承受軋制時的動載荷、摩擦和溫度的影響。

軋輥有很多種分類方法，按照輥身形狀可以分為非圓柱形和圓柱形兩種，非圓柱形用于管材生產(chǎn)，而圓柱形多用于板材、帶材和線材生產(chǎn)；按照是否與工件接觸可以分為支撐軋輥和工作軋輥，支撐軋輥主要置于工件側(cè)面，起支撐作用，并能夠增加工作軋輥的剛度和強度，工作軋輥是與軋件直接接觸的。

按照軋材品種的不同，可以分為板帶軋輥、線性軋輥和軌梁軋輥；按照軋件狀態(tài)可以分為熱軋輥和冷軋輥。

1.2 軋輥的用途

軋輥車床用于加工軋輥，屬于重型機械加工裝備，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、橡膠、造紙、冶金等行業(yè)。根據(jù)驅(qū)動方式的不同，可以分為普通驅(qū)動軋輥車床和數(shù)字化驅(qū)動軋輥車床。普通軋輥車床采用傳統(tǒng)的繼電器控制，且加工困難，需要大量的人力和物力，降低了效率。數(shù)控軋輥車床以數(shù)字控制為基礎(chǔ)，實現(xiàn)高度自動化，提高了效率，降低了成本，它涉及機械加工、電氣自動化控制、液壓控制一體化、機械傳動等領(lǐng)域，工作柔性大、操作方便，但故障判斷和排出相對比較困難。現(xiàn)在數(shù)控軋輥車床已經(jīng)被廣泛使用。為了適應(yīng)軋輥產(chǎn)量的高速增長，對軋輥制造工藝提出了更高的要求。本文針對軋輥制造的穩(wěn)定性和高效性的特點，設(shè)計一套基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)為控制核心，配以S7-300PLC電氣控制模塊，6RA70和AD4I組成的直流主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)，611D和IFT6組成的用于刀架和托板系統(tǒng)的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，再通過軟件編程調(diào)試，最終完成本系統(tǒng)的設(shè)計。

2 數(shù)控軋輥車床的基本概述

在機械制造中，加工軋輥對設(shè)備的要求非常高，加工也相當(dāng)困難，隨著機械行業(yè)自動化程度的不斷提高以及數(shù)字化和智能化的發(fā)展，大大推動了數(shù)控軋輥車床的發(fā)展，在加工軋輥設(shè)備中占的比例也越來越大，提高了軋輥加工的工作效率，因此數(shù)控軋輥車床對于軋輥的制造具有巨大的推進(jìn)作用。

數(shù)控軋輥車床主要由四部分組成：控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床本體。

控制介質(zhì)反映了數(shù)控加工的全部信息，起到了人與數(shù)控軋輥車床之間橋梁的作用；數(shù)控系統(tǒng)是控制核心部分，主要由四部分組成：監(jiān)視器、主控系統(tǒng)、可編程控制器和輸入輸出接口，能夠通過數(shù)字指令實現(xiàn)機械設(shè)備的動作控制。

伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和機床本體的橋梁，主要包括三部分組成：驅(qū)動控制系統(tǒng)、伺服電動機和位置、速度反饋系統(tǒng)。

驅(qū)動控制系統(tǒng)主要控制伺服電動機的運行，伺服電動機是執(zhí)行部件，其反饋裝置能夠?qū)崟r檢測工作臺的位置，最終實現(xiàn)位置、角度和速度量的控制；機械本體主要包括機械傳動機構(gòu)、工作臺、床身及立柱等部分組成。

3 數(shù)控軋輥車床的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)控軋輥車床控制系統(tǒng)主要由機械和電氣兩部分組成。由托板移動軸（Z軸）、刀架移動軸（X軸）、工件旋轉(zhuǎn)軸（C軸）組成的運動軸部分構(gòu)成了數(shù)控軋輥車床的機械運動部分，還包括主傳動鏈、滾珠絲杠、自動換刀裝置和液壓系統(tǒng)等部分。電氣部分主要由數(shù)控系統(tǒng)、PLC、直流驅(qū)動控制器、直流電機、刀架及托板驅(qū)動器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)控伺服系統(tǒng)采用西門子公司的840D型號，該系統(tǒng)采用32位微處理器，用于復(fù)雜零件的加工，其主要由電源模塊、數(shù)字控制單元模塊、主軸驅(qū)動模塊（MSD）以及進(jìn)給驅(qū)動模塊（FDD）。四個模塊通過設(shè)備總線及圓電纜連接。

數(shù)控軋輥車床的電氣控制部分主要采用PLC控制，來取代傳統(tǒng)的繼電器控制，實現(xiàn)本系統(tǒng)中位置X軸和Z軸的控制。

本系統(tǒng)選用西門子公司的S7-300型PLC，該PLC主要采用模塊式結(jié)構(gòu)，電磁兼容性強、抗震沖擊性能好，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

工件旋轉(zhuǎn)軸采用直流伺服驅(qū)動器配以直流電動機的控制方式，直流驅(qū)動控制器選用6RA70，其功率為6～2 500 kW，能夠滿足控制要求，同時與ADI4模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)信號的調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)中的刀架電動機和車床托板電動機由611D數(shù)字驅(qū)動模塊實現(xiàn)控制，該設(shè)備采用控制總線驅(qū)動模式，伺服電動機采用IFT6系列，實現(xiàn)全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4 數(shù)控軋輥車床的軟件設(shè)計

該控制系統(tǒng)中的840D軟件配置主要由四部分組成：MMC軟件系統(tǒng)、NC軟件系統(tǒng)、PLC軟件系統(tǒng)和通信及驅(qū)動接口軟件，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本系統(tǒng)采用MMC100.2控制軟件，通過串口、并口和鍵盤等驅(qū)動程序，實現(xiàn)MMC-CPU、PLC-CPU、NC-CPU之間的相互通信及任務(wù)協(xié)調(diào)；NC軟件系統(tǒng)包括NCK數(shù)控和初始引導(dǎo)軟件、NCK數(shù)控和數(shù)字控制軟件系統(tǒng)、SINUMERIK 611D驅(qū)動數(shù)據(jù)和PCMCIA卡軟件系統(tǒng)；PLC程序主要包括基本PLC程序和軋輥車床PLC程序。

MMC軟件系統(tǒng)的設(shè)置包括MMC的安裝、通過OP顯示MMC的啟動和MMC的數(shù)據(jù)備份。NC軟件系統(tǒng)設(shè)置包括變量的設(shè)置、基于840D的軋輥車床NC程序及數(shù)據(jù)設(shè)置、車床專用和通用數(shù)據(jù)和報警編碼的設(shè)置。運用STEP 7-Micro/WIN軟件對PLC進(jìn)行梯形圖的編程，接口參數(shù)設(shè)置采用PC/PPI連接。通過PPI電纜線和本地連接的進(jìn)行連接，實現(xiàn)PLC和上位機的程序下載。

5 結(jié) 語

本文首先簡要概述了軋輥的用途及其分類，軋輥車床是專門用于制造軋輥的設(shè)備，由于制造軋輥的難度較大，普通軋輥車床已經(jīng)不能滿足工業(yè)自動化的要求，而數(shù)控軋輥車床提高了加工效率，減小了人力和物理，大大提高了自動化程度。

然后分析了數(shù)控軋輥車床的基本概念、組成及工作原理，在此基礎(chǔ)上對其控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。

硬件上采用以840D數(shù)控伺服系統(tǒng)為核心，配以AD41模數(shù)轉(zhuǎn)換接口和6RA70直流伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)主軸直流電機的控制，同時通過611D數(shù)字驅(qū)動模塊實現(xiàn)刀架和托板電動機的控制。

軟件上通過對于MMC軟件系統(tǒng)、NC軟件系統(tǒng)的設(shè)置，同時運用STEP 7-Micro/WIN軟件對PLC進(jìn)行梯形圖的編程，通過PC/PPI將程序下載到PLC中，通信及驅(qū)動接口軟件的設(shè)置，完成了系統(tǒng)的控制要求。

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