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摘要：本文主要描述了對俄羅斯引進(jìn)數(shù)控鏜銑床的840D數(shù)控化升級改造，重點(diǎn)介紹改造的可行性分析，系統(tǒng)的選型，安裝調(diào)試等。通過PLC的編程調(diào)試和機(jī)床參數(shù)的選擇，使之與機(jī)床匹配，并通過調(diào)整與測試，使機(jī)床精度達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)，從而完成數(shù)控機(jī)床的技術(shù)改造。
一．前言
NP1250臥式鏜銑床是沈陽冶金機(jī)械廠上個(gè)世紀(jì)九十年代初在沈陽工業(yè)展覽會(huì)上購置的一臺(tái)俄羅斯產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床，由俄羅斯的依萬諾沃機(jī)床制造聯(lián)合公司生產(chǎn)（如圖一）。該機(jī)床由四個(gè)進(jìn)給軸，一個(gè)輔助軸和一個(gè)主軸構(gòu)成，使用的是俄羅斯生產(chǎn)的SLAVUTICH—HNC數(shù)控系統(tǒng)，由于原來的系統(tǒng)電氣元件老化，整體的性能與可靠性差，經(jīng)常出現(xiàn)故障，使該設(shè)備無法正常的工作，為了解決上述問題，綜合NP1250機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定對其進(jìn)行數(shù)控化改造。此設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)采用齒輪箱和滾珠絲杠，傳動(dòng)精度比較高，能夠滿足數(shù)控改造的基本要求。
NP1250數(shù)鏜床（φ40）
眾觀世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍工和民營企業(yè)在上個(gè)世紀(jì)80年代已經(jīng)大規(guī)模的使用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用數(shù)控技術(shù)對傳統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行改造。除了在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床，FMC，FMS外，還包括在產(chǎn)品的開發(fā)中使用CAD，CAE，CAM虛擬制造以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增加。而我國在數(shù)控改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家要落后20年。如我國的數(shù)控機(jī)床的擁有量在1995年時(shí)只占機(jī)床總量1.9%，而日本在1994年就已經(jīng)達(dá)到了20.8%，我們與發(fā)達(dá)國家差距甚遠(yuǎn)，所以改造勢在必行。
二．機(jī)床數(shù)控化升級改造可行性與選型設(shè)計(jì)
根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能、加工精度、電纜的長度、電機(jī)扭矩及額定轉(zhuǎn)速、主軸的功率等特點(diǎn)，并且結(jié)合用戶的要求，選擇比較合適的數(shù)控系統(tǒng)。該項(xiàng)目經(jīng)過甲乙雙方多次協(xié)商，最后決定采用西門子的SINUMERK 840D數(shù)控系統(tǒng)和S7-300可編程控制器，伺服采用五套SIMODRIVE 611數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)和1FT6交流伺服電機(jī)，并且配上有FAGOR公司生產(chǎn)的光柵尺，構(gòu)成一個(gè)全閉環(huán)的數(shù)字控制系統(tǒng)。主軸采用西門子的6RA70直流調(diào)速器控制原來的直流電機(jī)。分別為X，Y，Z，裝上光柵尺，使其能夠?qū)崿F(xiàn)全閉環(huán)控制，為B軸裝上旋轉(zhuǎn)編碼器。取消原有所有電器元件，重新配制電氣控制柜。經(jīng)過改造后的數(shù)控鏜銑床，能夠?qū)崿F(xiàn)立體加工，SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)具有3D插補(bǔ)、銑削、鉆削、鏜削、銑螺紋、極坐標(biāo)編程，圖形仿真等功能，還有刀具補(bǔ)償、絲杠、齒輪間隙補(bǔ)償、位置誤差補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/span>
系統(tǒng)連接概圖
1．西門子840D數(shù)控系統(tǒng)
SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司研制的適用于各種控制領(lǐng)域滿足不同要求的數(shù)控系統(tǒng)，它除了具有高度的軟硬件開放性，還有以下顯著特點(diǎn)：840D帶有大量標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)PC機(jī)接口，配有可用于伺服驅(qū)動(dòng)和I/O的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，WINDOWS XP操作系統(tǒng)，OPC（用于過程控制的OLE）應(yīng)用接口和CNC控制軟件，具有中英文轉(zhuǎn)換界面，有豐富的自診斷功能，同時(shí)由于840D具有高級語言編程特色的用戶友好編程界面，用戶可以使用Visual Basic 和Visual C++等開發(fā)工具自行開發(fā)菜單和基本操作界面，添加功能鍵，設(shè)定具有用戶特色的輸入方式，滿足特定工藝的加工要求。840D適用于多種機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)改造，具有廣泛的應(yīng)用前景。
SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)有三種基本工作方式：AUTO（自動(dòng)）、JOG（手動(dòng)）和MDA（手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入/自動(dòng)加工）方式。此外還有多種機(jī)床功能：增量點(diǎn)動(dòng)功能（步進(jìn)）、重定位功能（斷點(diǎn)返回）、返回參考點(diǎn)功能和設(shè)定實(shí)際值功能等，配有手持單元方便手動(dòng)與對刀。此外SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的PCU50還帶有一個(gè)硬盤，可以把SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)（包括NC數(shù)據(jù)、PLC數(shù)據(jù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)等）備份到硬盤上，也可以通過RS232端口或軟驅(qū)備份到外部PC，極大的方便了機(jī)床的操作與維護(hù)。
611D閉環(huán)控制框圖
2．NP1250數(shù)控鏜銑床的 PLC控制程序的開發(fā)和編制
此設(shè)備采用的是德國西門子的S7-300作為邏輯控制器。西門子S7-300通過現(xiàn)場總線與MCP（機(jī)床操作面板）連接，MCP通過總線與主機(jī)進(jìn)行信息的交換。將電機(jī)通過從西門子購買的原裝電纜連接到伺服模塊上，將光柵尺也連到模塊上，這樣就夠成了全閉環(huán)。然后對機(jī)床進(jìn)行PLC的編程，對PLC的編程可以分為以下步驟：1）分析機(jī)床的電氣控制原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；2）理解原機(jī)床液壓控制功能；3）建立新的PLC程序框圖；4）編制新的軟件；5）編制新的功能塊程序。
3．NP1250數(shù)控鏜銑床的伺服系統(tǒng)
該機(jī)床進(jìn)給軸采用的伺服系統(tǒng)是SIMODRIVE611數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的性能很大程度上取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及位置控制系統(tǒng)的性能，如機(jī)床的最高運(yùn)行速度、跟蹤精度、定位精度、重復(fù)定位精度等重要指標(biāo)均取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由電機(jī)和速度控制單元組成，它可以任意調(diào)節(jié)速度并提供切削過程所需要的轉(zhuǎn)矩和功率。位置閉環(huán)控制系統(tǒng)需要位置反饋檢測元件，它是基于反饋控制原理工作的，把反饋信號與輸入的指令進(jìn)行比較，以形成誤差值，并用此誤差值來控制伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。位置控制是精確的控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的坐標(biāo)位置，快速而準(zhǔn)確的跟蹤指令運(yùn)動(dòng)。611數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速精度和足夠的傳動(dòng)剛度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和無超調(diào)、低速大轉(zhuǎn)矩、以及在四象限內(nèi)可逆運(yùn)行運(yùn)動(dòng)等良好的技術(shù)特性。
三．改造中的若干問題
1．零件程序的編制
NP1250數(shù)控鏜銑床的零件加工程序是國際標(biāo)準(zhǔn)化的ISO代碼編制的，它可以利用自動(dòng)編程工具軟件（即標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，如：CYCLE95等）的圖形編程功能，形成ISO代碼的零件加工程序或用手工編程。除了840D數(shù)控系統(tǒng)編程手冊所描述的功能代碼外，還針對該機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過PLC編程控制機(jī)床，使其具有如下輔助的M代碼功能：
M27-運(yùn)屑器開；M28-運(yùn)屑器關(guān)；M97-轉(zhuǎn)臺(tái)B軸夾緊；M96-轉(zhuǎn)臺(tái)B軸松開等。
2．?dāng)?shù)控電氣系統(tǒng)的安裝
首先拆除原電氣控制系統(tǒng)，安裝新的電氣控制柜及數(shù)控系統(tǒng)，將機(jī)床上電氣元件的信號線連接到控制柜接線端子。通過加工的法蘭和齒輪安裝電機(jī)，連接海德漢光柵尺接口信號。
工作臺(tái)增加圓光柵編碼器，把B軸改造成可任意位置分度數(shù)控軸。
3．NC啟動(dòng)
首先安裝PCU50的HMI系統(tǒng)軟件，配置PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線參數(shù)，啟動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)入機(jī)床的參數(shù)設(shè)定界面，進(jìn)入“GENERAL”窗口，設(shè)置“定義各軸名稱”的參數(shù)（各軸的名稱不可重復(fù)）；然后進(jìn)入“CHANNEL SPECIFIC”窗口，這里的參數(shù)有四類，分別為：1）把幾何軸分配到通道，2）幾何軸的名稱，3）設(shè)定哪個(gè)機(jī)床軸通道有效，4）編程時(shí)所用的軸；然后進(jìn)入“DRIVE CONFIG”窗口，在這里匹配驅(qū)動(dòng)，最后進(jìn)入“MACHINE DATA”，設(shè)置各個(gè)軸（包括主軸）的具體參數(shù)：轉(zhuǎn)速極限、最高速度、位置增益、定位誤差、軟限位等等。
4．調(diào)試
按照NP1250臥式鏜銑床的數(shù)控與電氣設(shè)計(jì)圖紙，完成硬件連接，并將安裝有SIMATIC S7-300 的編程軟件的計(jì)算機(jī)通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)連接，系統(tǒng)可以通電調(diào)試。首先將各種機(jī)床數(shù)據(jù)、PLC機(jī)床控制程序、報(bào)警文本等信息傳送到SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)，操作機(jī)床的各種基本功能，如機(jī)床控制面板的操作、急?？刂啤⑦M(jìn)給伺服和主軸上電順序和使能控制、行程限位保護(hù)控制、手持單元操作控制、報(bào)警處理、回參考點(diǎn)控制等；另外還有外圍設(shè)備的控制功能，如液壓、潤滑、冷卻、進(jìn)給軸機(jī)械夾緊放松、刀具夾緊放松、主軸換擋等。
在設(shè)置各個(gè)軸的具體參數(shù)時(shí)，根據(jù)機(jī)床的不同功能和現(xiàn)場調(diào)試的實(shí)際情況，可對數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行修改。在各個(gè)伺服軸不發(fā)生振蕩的條件下，盡量增大位置環(huán)和速度環(huán)的比例增益系數(shù)，減小跟隨誤差以提高定位精度。設(shè)定各軸零點(diǎn)漂移自動(dòng)補(bǔ)償功能和參數(shù)、設(shè)定粗精停范圍參數(shù)、設(shè)定跟隨誤差報(bào)警范圍等參數(shù)，使機(jī)床能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。
5．機(jī)床精度的調(diào)整與驗(yàn)證
在本次機(jī)床改造中，針對機(jī)床的精度，我們進(jìn)行了如下調(diào)整與驗(yàn)證：
機(jī)械部件的檢修，共10項(xiàng)，如滑動(dòng)導(dǎo)軌副，每個(gè)坐標(biāo)軸的機(jī)械連接的各個(gè)環(huán)節(jié)等；
幾何精度與定位精度，共24項(xiàng)，如主軸移動(dòng)軌跡的直線度，主軸的徑向跳動(dòng)等；
試件的加工，如俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)中提到的標(biāo)準(zhǔn)件。
改造后，機(jī)床的精度達(dá)到了俄羅斯和我國相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。
四．機(jī)床改造后的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值
NP1250數(shù)控鏜銑床在改造后經(jīng)理了長時(shí)間的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，可以證明改造是成功的。機(jī)床加工了該廠很多種零件，精度、粗糙度，均達(dá)到了圖紙要求，為該廠增加了經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
1． Sinumerik 840D簡明調(diào)試指南技術(shù)手冊
