西門子840D數控系統在立式磨床改造中的應用

尹 敏，王君輝

（西北軸承股份有限公司，銀川 750021）

我公司大型立式磨床ROPC 200為20世紀80年代設備，原電氣系統為SINUMERIK 3G系統，近幾年由于電氣元件老化，加工產品磨削振紋嚴重，加工精度降低，設備故障率增高，已影響到正常的使用。為穩定產品質量，提高工作效率，用西門子840D數控系統對該機床的電氣系統進行了改造。

1 機床結構及控制要求

1.1 機床結構

此設備用于軸承套圈回轉面的磨加工，機械結構如圖1所示。待加工套圈置于可旋轉的圓盤中間，圓盤利用電磁力將工件固定，圓盤由M7電動機驅動旋轉。在水平導軌上有兩個砂輪架，伺服電動機M3，M4通過絲杠對砂輪架進行水平方向的精確定位及進給；砂輪在垂直方向的精確定位及進給由伺服電動機M1，M2通過絲杠來完成；砂輪的旋轉由電動機M5，M6驅動。光柵尺的作用是提供精確的位置反饋信息，在電氣控制上構成閉環控制。M8為圓弧修整器伺服電動機。

圖1 機床結構簡圖

1.2 控制要求

根據磨床的加工需要，控制系統要有較強的功能，能滿足機床磨削加工精度的要求（位置控制精度達到0.001 mm），能實現雙砂輪單獨或同時磨削的控制，自動、手動磨削加工及砂輪手動、自動修整和自動補償等功能。

2 控制系統配置

控制系統配置如圖2所示。

圖2 控制系統配置

2.1 硬件配置

2.1.1 NC硬件配置

控制模塊選用NCU571.2，其集成了CNC數控系統的CPU和SIMATICS7-300 PLC的CPU芯片314-2DP、相應的數控軟件和PLC控制軟件，以及MPI接口、Profibus接口、RS232接口、手輪及測量接口、PCMCIA卡插槽等。

驅動系統采用SIMODRIVE 611D，包括電源模塊和功率模塊兩部分。電源模塊主要為NC和驅動裝置提供控制和動力電源，產生母線電壓，同時檢測電源和模塊的狀態。電源模塊根據容量不同可分為帶饋入裝置（記為I／RF電源模塊）和不帶饋入裝置（記為U／E電源模塊）兩種。本系統選用的是功率為21 kW的不帶饋入裝置。功率模塊分為雙軸模塊和單軸模塊兩種。本次改造使用了兩個雙軸模塊和一個單軸模塊，雙軸模塊用于兩個砂輪架的驅動，單軸模塊用于圓弧修整器的驅動。

2.1.2 人機交互界面（MMC）的配置

PCU 20，SPC 266MHz，32MB，6FC5210-0DF00-0AA2；OP 010，10.4′TFT（640×480），6FC5203-0AF00-0AA1；MCP 483c，6FC5203-0AF22-0AA2。

2.1.3 電動機配置

主軸電動機（工件旋轉驅動電動機，SP軸）：使用原系統的直流調速電動機，配合ZKS-Ⅱ型可控硅直流調速器。轉速由PLC模擬量輸出模塊提供的1～10 V模擬量信號控制。

砂輪架水平方向驅動電動機（左砂輪架X軸，右砂輪架U軸）為：1FT6086-8SF71-1EG1，參數為：9.7 kW／35（N·m）／3 000（r·min-1），內置相對值編碼器。

砂輪架垂直方向驅動電動機（左砂輪Z軸，右砂輪W軸）為：1FT6086-8SF71-1EH1，參數為：9.7 kW／35（N·m）／3 000（r·min-1），內置相對值編碼器以及1∶4的減速箱。

圓弧修整器伺服電動機（B軸）為：1FT6044-1AF71-3EH1-Z-J35，參數為：1.4 kW／5（N·m）／3 000（r·min-1），內置絕對值編碼器。

砂輪電動機使用原系統的交流異步電動機，由VACON變頻器驅動控制。

2.1.4 PLC硬件配置

PLC使用西門子SIMATIC S7-300軟件及模塊。電源模塊選用PS 307（10 A）。接口模塊IM 361用于和數控單元之間的通信，通過PROFIBUS現場總線與NCU連接。IM 361右側為信號模塊，由3個數字信號輸入模塊SM 321、兩個數字輸出模塊SM 322和1個模擬量輸出模塊SM 332組成。數字量I／O模塊用于外圍電氣設備的控制。模擬量輸出模塊用于主軸電動機的調速。PLC的CPU與NC的CPU一起集成在NCU中。

2.1.5 位置反饋測量系統

該立式磨床主要完成套圈內圓和外圓的精磨加工，對水平方向和垂直方向的定位精度都要求極高，因此，在X，Z，U，W四根進給軸均配備獨立的HEIDENHAIN線性光柵尺進行位置反饋測量，實現全閉環控制。

2.2 系統的軟件配置

SINUMERIK 840D數控系統主要包括4大類軟件：MMC軟件系統、NC軟件系統、PLC軟件系統和通信及驅動接口軟件。

2.2.1 MMC軟件

在MMC103系統內裝有基本輸入、輸出系統（BIOS），DR-DOS內核操作系統，Windows95操作系統，以及串口、并口、鼠標和鍵盤接口等驅動程序，支撐SINUMERIK與外界MMC-CPU，PLCCPU和NC-CPU之間的相互通信及任務協調。

2.2.2 NC軟件

NC軟件包括：（1）NCK數控核初始引導軟件，該軟件固化在EPROM中；（2）NCK數控核數字控制軟件系統，它包括機器數據和標準的循環子系統，用戶必須理解每個循環程的參數含義才能進行調用；（3）SINUMERIK 611D驅動數據，它是指數控系統所配套使用的SIMODRIVE 611D數字式驅動系統的相關參數。

2.2.3 PLC軟件

PLC軟件系統包括PLC系統支持軟件和PLC程序。PLC系統支持軟件支持SINUMERIK 840D數控系統內裝的CPU-317-2DP正常工作，該程序固化在NCU內。PLC程序包含基本PLC程序和用戶PLC程序兩部分。

2.2.4 通信及接口軟件

通信及接口軟件主要用于協調PLC-CPU，NC-CPU和MMC-CPU三者之間的通信。

3 機床程序結構及參數的設定

3.1 PLC程序

PLC程序設計采用模塊化編程，將機床啟動條件、PLC使能信號處理、操作面板控制、系統基本控制、輔助功能、報警信息等系統及機床功能編制成不同的模塊。程序結構要合理，層次清晰，方便閱讀、查找以及程序調試和故障診斷。PLC程序結構如圖3所示。

3.2 NC程序

圖3 PLC程序結構

編制NC程序時考慮到軸承套圈的磨削方式、磨削尺寸、砂輪修整方式等加工參數指標需要經常調整，對以上數據采用R參數的形式，以便于修改。主程序采用程序調用的方法，當改換加工產品時，只需修改R參數，無需再調試程序，非常方便。同時，因為主程序中運用了跳轉指令，在沒有修改加工參數時，避免了每次都要進行很多復雜的數學運算而影響系統運行速度。在數控車削手工編程中采用R參數編程方法，也為解決相似零件數控程序的通用性及特殊零件的數控編程問題提供借鑒。

3.3 機床相關參數的設定

3.3.1 主要參數類型

840D數控系統參數分為兩大類：機床數據和設定數據。機床數據是用于生產、安裝、調試用的數據，主要用于設定、匹配機床的主要數據。其分為以下幾種類型：通用機床數據、通道機床數據、用于驅動器的機床數據、用于操作面板的機床數據、軸專用機床數據。設定數據主要是機床在使用過程中需要設定的數據，是一些常用的用于調整機床使用性能的數據。其分為通用設定數據、通道專用設定數據和軸專用設定數據3種類型。

數據的標識如下：

$MM_為用于操作面板的機床數據（Machine Manipulate）；

$MN_／$SN_為通用機床數據／通用設定數據；

$MC_／$SC_為通道用機床數據／通道用設定數據（Machine Channel／Setting Channel）；

$MA_／$SA_為軸專用機床數據／軸專用設定數據（Machine Axes／Setting Axes）；

$MD為驅動器機床數據（Machine Drive）。

3.3.2 機床數據的生效模式

機床的各個參數由于對系統影響程度的不同，具有不同的生效級別：

po——重新上電模式（POWER ON），按NCU模塊面板上的“RESET”鍵生效；

cf——新配置（NEW_CONF），點擊MMC軟件上的“Activate MD”鍵生效；

re——復位模式（RESET），按控制單元上的“RESET”鍵生效；

so——立即模式（Immediately），數值輸入后立即生效。

3.3.3 調試中的數據設定

在機床的調試過程中，主要用到以下參數：

MD 30130——設定驅動器輸出類型。“1”表示伺服電動機；“2”表示步進電動機；“3”表示FM模塊。

MD 30200——編碼器數量。

MD 30240——編碼器類型。“0”表示模擬量編碼器；“1”表示相對值編碼器；“4”為絕對值編碼器。

MD 31000——直接測量系統（光柵尺）。設置位控環測量系統的類型，如果使用線性光柵尺作為測量系統，則將該軸參數設置為1。否則設置為0。

MD 31010——直接測量系統（光柵尺）的柵距（分割點）。

MD 31030——絲杠螺距。

MD 32000——最大軸速率。

MD 32010——在JOG方式下的快速移動速度。

MD 34020——回參考點速度。

MD 34090——參考點偏移／絕對位移編碼偏移。

MD 34200——參考點模式。“0”表示不回參考點，用絕對值編碼器時設定；“1”表示零脈沖，相對值編碼器時設定。

MD 34210——絕對值編碼器狀態。“0”表示編碼器沒調整；“1”表示使能編碼器調整；“2”表示編碼器已調整。MD 36200——速度監控的閾值。MD 36210——最大速度設定值。

4 結束語

立式磨床ROPC 200的控制系統改造完成后，機床操作更加簡單，故障率降低，所加工的產品各項指標均優于原來的指標，得到了公司的認可。另外，機床改造后新增圓弧修整器，不但可以完成套圈內圓、外圓擋邊等直線型面的磨削，還可以完成球型軸承套圈內溝道、外溝道等曲線型面的磨削。