基于西門子828D的數(shù)控車床系統(tǒng)裝調(diào)維修實訓裝置的開發(fā)

吳云艷，黃東榮

（廣西機電技師學院，廣西 柳州545005）

0 引言

我國經(jīng)濟發(fā)展已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，推進中國制造2025，實現(xiàn)新舊動力轉(zhuǎn)換，都必須以全面提高勞動者素質(zhì)為根本。高素質(zhì)復合型人才是創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、建設(shè)制造強國的有生力量，高水平產(chǎn)業(yè)要依托高質(zhì)量技術(shù)工人打造。在中國制造業(yè)隨著數(shù)控技術(shù)在社會生產(chǎn)中的普及，數(shù)控機床維修人才成為目前市場迫切需求的一類專業(yè)人才，數(shù)控維修技術(shù)是一門綜合性較強的工科技術(shù)，經(jīng)過大量的社會調(diào)研，企業(yè)使用德國的西門子系統(tǒng)數(shù)控設(shè)備占大部分。數(shù)控維修教學對實訓設(shè)備的要求較高，設(shè)備功能更新?lián)Q代較快。我院目前沒有西門子系統(tǒng)數(shù)控維修設(shè)備，單獨整套購買較為昂貴，且不一定完全適用于教學。所以，開發(fā)具有一定代表性和較高實用性并且適合我院教學的西門子828D系統(tǒng)數(shù)維實訓裝置勢在必行。

1 方案設(shè)計

該實訓裝置是以國際知名的西門子數(shù)控系統(tǒng)為技術(shù)平臺開發(fā)研制而成，具有一定的代表性和較高的實用性，其硬件電路故障檢測與維修教學功能，填補了國內(nèi)數(shù)控機床維修專業(yè)實訓教學設(shè)備的空白，對培養(yǎng)實用型高級工、技師、高級技師等高技能人才，滿足專業(yè)實訓教學要求將發(fā)揮重要作用。

主要購買的西門子設(shè)備詳見表1。

表1 西門子系統(tǒng)數(shù)維實訓工作臺主要設(shè)備參數(shù)表

設(shè)計實訓教學裝置能達到的功能有：數(shù)字控制器、主軸變頻器、交流伺服驅(qū)動器硬件電路故障檢測與維修；機床控制電路、電動刀架控制電路故障檢測與維修；數(shù)控機床電路連接練習；數(shù)字控制器、變頻器、交流伺服驅(qū)動器參數(shù)調(diào)試，計算機網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字控制器連接功能調(diào)試；加工程序編制、程序傳輸、參數(shù)傳輸練習。如圖1所示為實訓教學裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 828D的數(shù)控車床系統(tǒng)裝調(diào)維修實訓裝置總體結(jié)構(gòu)圖

開發(fā)西門子828D系統(tǒng)數(shù)控車床裝調(diào)維修實訓裝置，主要包括三個部分內(nèi)容：其一，西門子828D系統(tǒng)數(shù)控車床裝調(diào)維修實訓臺架的制作；其二，西門子828D系統(tǒng)數(shù)控車床裝調(diào)維修實訓臺的整體布局（如圖2所示）；其三，完成西門子828D系統(tǒng)數(shù)控車床裝調(diào)維修實訓裝置的安裝調(diào)試。

圖2 實訓臺整體布局

設(shè)備電氣原理圖如圖3。

圖3 設(shè)備電氣原理圖

選用西門子828D數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)字控制器，主軸電動機采用三相交流電動機，配以與之配套使用的變頻器，可實現(xiàn)無級調(diào)速。伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用與西門子828D配套的S120伺服驅(qū)動單元及交流伺服電動機，由于伺服電動機內(nèi)配有編碼器，X軸、Z軸可構(gòu)成半閉環(huán)控制，從而提高了控制精度，編寫PLC程序。

該實訓設(shè)備的整體設(shè)計主要解決了維修實操教學、編程設(shè)計、模擬仿真以及安裝調(diào)試。它將構(gòu)建成集維修操作、編程設(shè)計、模擬仿真以及安裝調(diào)試四位一體的流程式實訓環(huán)境。

2 系統(tǒng)設(shè)計

西門子系統(tǒng)實裝訓置主要是由車床數(shù)字控制器、變頻主軸控制模塊、進給軸交流伺服控制模塊、電動刀架控制模塊、冷卻控制模塊等五個模塊組成。

2.1 車床數(shù)字控制器

車床數(shù)字控制器是基于面板的西門子828D是一款緊湊型數(shù)控系統(tǒng)，集CNC，PLC，操作界面以及軸控制功能于一體，通過Drive-CLiQ總線與全數(shù)字驅(qū)動SINAMICSS120實現(xiàn)高速可靠通訊，PLC I/O模塊通過PROFINET連接，可自動識別，無需額外配置。大量高檔的數(shù)控功能和豐富、靈活的工件編程方法使它可以自如地應(yīng)用于世界各地的各種加工場合。如圖4所示為數(shù)字控制器接口圖。

圖4 數(shù)字控制器接口圖

2.2 變頻主軸控制模塊

變頻主軸控制模塊主要是由變頻器組成，變頻器的接線圖如圖5所示，變頻器是一個交流電機的控制電源，輸出一定比例的電壓和頻率值，達到控制電機轉(zhuǎn)速和扭力的目的，品牌不同，預置的功能參數(shù)會有差異，不同場合應(yīng)用，調(diào)制的參數(shù)也會有不同，從原理而言，它是圍繞著“操控電機，輸出合適電壓和頻率，保證一定電流和轉(zhuǎn)速上限，邏輯關(guān)聯(lián)等幾大目的來設(shè)計功能參數(shù)。

圖5 變頻器的接線圖

2.3 進給軸交流伺服控制模塊

進給軸交流伺服控制模塊由西門子S120伺服驅(qū)動單元（西門子S120功率模塊與電源構(gòu)成）組成（如圖6所示），為了抑制附加在電源及輸入端、輸出端的干擾，接地點與動力設(shè)備（如電動機）的接地點分開。

圖6 西門子S120伺服驅(qū)動單元

2.4 電動刀架控制模塊

電動刀架控制模塊主要由正反轉(zhuǎn)的主電路和PLC控制電路及霍傳感裝置組成（如圖7所示）。

2.5 冷卻控制模塊

冷卻控制模塊主要由主電路和控制電路組成如圖 7（a）（b）所示。

圖7 電動刀架電路

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置見圖8。

圖8 冷卻電路圖

3.1 總線配置

SINUMERIK 828D是通過現(xiàn)場總線profibus對外設(shè)模塊（如驅(qū)動器和輸入輸出模塊等），profibus的配置是通過通用參數(shù)MD11240來確定的。

3.2 驅(qū)動器模塊定位

數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動器之間通過總線連接，系統(tǒng)根據(jù)下列參數(shù)與驅(qū)動器建立物理聯(lián)系。對于配置非調(diào)節(jié)電源模塊SLM的系統(tǒng)，由828D驅(qū)動接口X100連接到的第一臺電動機模塊的軸號為1，且以此類推。

3.3 位置控制

使能系統(tǒng)出廠設(shè)定各軸均為仿真軸，系統(tǒng)既不產(chǎn)生指令輸出給驅(qū)動器，也不讀電動機的位置信號。按設(shè)定參數(shù)可激活該軸的位置控制器，使坐標軸進入正常工作狀態(tài)。

4 應(yīng)用效果

本教學設(shè)備可用于課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和實訓，有利于提高學生設(shè)計數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)、診斷數(shù)控設(shè)備故障的能力，使受訓對象最大限度地適應(yīng)和滿足市場需求。該裝置也可以幫助科研技術(shù)人員進一步了解數(shù)控車床結(jié)構(gòu)，同時也為技術(shù)人員進行數(shù)控車床系統(tǒng)的二次開發(fā)提供了必要條件。適合職業(yè)培訓學校的數(shù)控機床維修中、高級工、維修電工高級工、維修電工技師、維修電工高級技師的培訓和鑒定。

該實訓裝置參加2017年第十四屆中國—東盟博覽會，在中國—東盟職業(yè)教育聯(lián)展上獲得專家好評，多所大中專院校的數(shù)控維修專業(yè)教師表達了設(shè)備購買與合作意向。我們一共制作10臺實訓裝置，從2018年初投入使用，共計有8個專業(yè)班級300多名學生進行教學實訓，學生通過學習，掌握了西門子828D的數(shù)控車床系統(tǒng)安裝、調(diào)試、設(shè)置故障、排除故障。這批學生在畢業(yè)時參加高級工技能考核通過率100%，其中30%為優(yōu)秀。教學效果顯著，學生專業(yè)能力大幅提升，畢業(yè)生大受企業(yè)青睞。

通過開發(fā)該實訓裝置，我們培養(yǎng)了一支技術(shù)精湛、專兼結(jié)合的數(shù)控機床裝調(diào)與維修專業(yè)教學團隊。其中參與裝置開發(fā)成員盧輝生、遲鑫還在2018年第八屆全國數(shù)控技能大賽獲數(shù)控機床裝調(diào)維修工團體賽教師組一等獎，全國第三名，是廣西歷屆最好成績。

我們開發(fā)的10套設(shè)備成本為100萬元，市場相似性的設(shè)置設(shè)備價值為20萬元以上，為學院節(jié)約經(jīng)費100萬元以上。

5 結(jié)束語

該實訓裝置是集教學、培訓、職業(yè)技能鑒定為一體的多功能高技能人才實訓設(shè)備。一套可滿足4人同時進行維修操作或數(shù)控編程模擬練習訓練。設(shè)置有數(shù)控系統(tǒng)的維修與調(diào)試、伺服驅(qū)動器的維修與調(diào)試、變頻器維修與調(diào)試、數(shù)控車床強電及控制電路等綜合性的教學。學生可在設(shè)備上進行技能實訓操作練習，也能夠模擬工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，根據(jù)各自情況對系統(tǒng)的控制要求，進行自行設(shè)計、組合安裝、調(diào)試，從而更好地培養(yǎng)學生的動手能力和分析能力。優(yōu)化實訓資源配置，構(gòu)建流程式實訓環(huán)境，營造工程氛圍，改革培訓方式，創(chuàng)新評價方式。