五坐標三主軸數控龍門銑床電氣系統的改造

楊文健

（中國工業成都飛機工業集團有限責任公司數控加工廠，四川成都 610092）

五坐標三主軸數控龍門銑床是公司20世紀90年代從美國辛辛那提·米拉克龍公司引進的，機床控制系統為ACRAMATIC 950，20世紀80年代推出的，坐標伺服驅動系統為美國哥爾摩根公司生產的BSD3模擬驅動裝置，主軸多達3個SP1、SP2、SP3，坐標有X1、X2、Y、Z、A、B五個軸，X坐標采用雙軸驅動，行程長達19 m，機床從1994年投入生產以來一直是公司工件加工的主力機床之一，由于機床使用年限長，電氣系統老化，機械傳動部分磨損，漏油嚴重，機床故障率高，電氣系統備件目前廠家供應基本停止，機床出現電氣系統、坐標伺服驅動等方面故障時，要花高額費用和很長時間才能買到備件，停工周期長，維修難度大，嚴重阻礙了生產任務完成。機床的價格昂貴，報廢顯然行不通，但目前使用又不能滿足生產要求，對機床電氣系統、機械傳動部分修理的改造勢在必行。

機床改造的主要目標是:利用新技術、新產品完成機床設備電氣系統改造更新，對機械部分進行修理，提高設備可靠性，減少故障和停機時間，提高生產效率。下面僅針對電氣系統的改造與設計。

1 改造前的機床電氣系統

1．1 機床控制系統

五坐標三主軸數控龍門銑床控制系統是美國辛辛那提．米拉克龍公司20世紀80年代推出的ACRAMATIC 950（簡稱A950），A950系統由處理器控制部件（PCA）、操作站部件（OSA）、機床接口部件（MIA）和機床操作站部件（MSA）共4大部分組成。

（1）處理器控制部件（PCA）

處理器控制部件（PCA）包含了與操作站裝置、機床、坐標軸伺服控制、主軸控制及各端口進行通信所必須的所有硬件。由A950母板（M950）和安裝在母板上的19塊印刷線路板:總上層板（BOH）、中規模CPU、小規模CPU、通用存儲器（GRAM）、硬盤/軟盤控制器（WFI）、彩色T圖形文本處理器（CVC）、機床控制接口（APCI）、四通道控制器（FCC）、伺服上層板（SOH）、二通道伺服控制器（SV2）、系統配置硬盤、系統電源組成。

（2）操作站部件（OSA）

由1個14英寸彩色觸屏式CRT、鍵盤接口板（RSKI）和電源組成。

（3）機床接口部件（MIA）

是由1個單一的16槽I/O框架構成，可容納128 I/O點，工作電源（+5 V和+12 V）由處理器控制單元提供。

（4）機床操作站部件（MSA）

由控制機床的各種功能鍵和LED面板組成，通過RSKI板連接至操作站部件（OSA）。

1．2 伺服驅動系統

五坐標三主軸數控龍門銑床坐標伺服驅動是使用美國哥爾摩根公司生產的BSD3驅動裝置，伺服控制系統由A950控制器3個板支持:1塊小規模伺服管理處理器SCPU板、1塊伺服上層板SOH板、二軸伺服SV2模擬反饋SV2板。坐標檢測單元采用電動機內裝的旋轉變壓器，檢測方式為增量式，控制方式為半閉環。

1．3 主軸驅動系統

機床主軸數達3個，分別由3臺45 kW三相電動機和3臺GE公司AC－300變頻器組成。

1．4 機床控制電路

機床控制電路包括控制液壓站、冷卻液、導軌潤滑、主軸齒輪潤滑和主軸油氣潤滑等控制。

2 機床目前狀況

2．1 控制系統

五坐標三主軸數控龍門銑床控制系統A950是20世紀80年代推出的，系統軟件存儲在8張3.5英寸1.44 M軟盤里，軟盤受潮易生霉難于保管，每年就要重新復制，否則數據丟失，那就要花昂貴費用到廠家復制，近年來軟盤很難在市場買到，但每次更換新硬盤必須要用8張系統軟盤依次加載系統軟件才能使用，硬盤只有40 M，損壞后，需從廠家購買裝有引導程序的硬盤，機床硬盤安裝位置由于隨機床運動很容易損壞，基本兩年更換一個。

2．2 操作站

操作站顯示器采用觸屏，現場使用環境使觸摸屏很容易損壞，現在沒有備件供應，造成觸摸屏損壞需更換整個顯示器，顯示器從廠家已很難買到，就是買到費用達5萬美元，目前采用外修方法艱難維持機床工作，由于顯像管老化，開機要很長一段時間才能正常顯示。

2．3 坐標伺服驅動

機床大部分出現故障都是在伺服驅動方面。該機床位置檢測單元采用電動機內裝的旋轉變壓器，該檢測元件安裝不好，很容易損壞。這種型號的電動機和驅動伺服裝置廠家已停產，目前采用外修方法，但多次維修已經沒有修的價值。機床采用增量式檢測，X行程19 000 mm，回原點每次都要開到機床固定位置，很耗費時間。

2．4 主軸變頻器

機床主軸變頻器體積大，每個主軸變頻器約1 000 mm×400 mm，發熱量大，電氣柜每個柜子只用14 W軸流風機散熱，使得電氣柜溫度過高，主軸變頻器工作不良，主軸出現異常波動，影響工件加工表面質量。

2．5 機床控制電路

機床使用年限長，電纜護套破裂，造成電纜線露出磨破，對地短路，電氣元件老化，出現工作不良，使故障率大增，機床可靠性降低，造成加工質量問題。

2．6 五軸聯動精度

機床為五軸聯動機床，由于系統原因，無法方便用球頭檢查機床五軸精度，由于機床使用年限長，機械傳動部分磨損，精度下降嚴重。

2．7 系統通信內存

機床系統內存很小只有120 000字節，稍微復雜工件無法滿足加工，使用DNC在線加工，由于通信采用RS232，可靠性不高，造成程序少段，工件報廢。

3 機床電氣系統的改造設計

鑒于機床電氣系統現狀，對機床進行改造，具體方案如下:

對機床重新設計電氣工作原理圖，機床操作方式采用集中式操作，都統一到按鈕站上（西門子顯示器OP015及機床19英寸操作面板MCP483C），極大方便操作，更換機床操作面板和與之配套的全功能CNC鍵盤。

3．1 機床數控系統

（1）控制系統:選用德國 SIEMENS公司 SINUMERIK 840D Powerline數控系統。

（2）HMI（人機界面）:OP015，15．1英寸 TFT彩色液晶顯示器，分辨率為1 024×768像素（XGA），帶防塵薄膜按鍵及鼠標;薄膜輕觸防水工業級鍵盤;直接連接Profibus－DP;智能化操作面板，堅固耐用，結構扁平緊湊;開放式的人機對話;UBS接口“即插即用”可方便連接標準鍵盤和鼠標。

依據GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細骨料》，再生細骨料按性能要求可分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。該規范對再生細骨料的分類方法作了嚴格界定，對再生細骨料的微粉和泥塊含量、有害物質含量、堿集料反應等有明確的限制，引入了秦原等[12]提倡的再生細骨料的需水量比指標，并對壓碎指標、表觀密度、堆積密度和孔隙率作了規定(見表1)。

（3）PCU50．3－ P:Intel技術 PM670 MHz，2 G/1 024 M SDRAM;40 G可替換硬盤;最新HMI軟件，Windows XP嵌入式操作系統，中/英顯示界面;支持Ghost數據備份和恢復;以太網10/100Mbit/S（RJ45），TCP/IP 協 議;4*UBS2．0;1*PROFIBUS/MPI;COM1、COM2串口、LPT1并口、VGA顯示口、PS/2鼠標/鍵盤口;MPI/Profibus－DP總線接口;2*PCI（1*265 mm（10．4 英寸），1*175 mm（6．89 英寸））;1*CF 卡。

（4）NCU:集CNC、PLC控制和通訊任務于NCU單元;NCU573．5:CPU 933 MHz，最多可控制 31 軸，實現10個方式組，10個加工通道;840D Powerline的系統軟件儲存于一個PC卡上，可帶31個軸;集成PLC，PLC內存容量128K，CPU為933 MHz;12軸控制軟件，包括五軸聯動功能，3D刀具補償、RTCP加工功能;龍門同步軸功能;DNC通訊軟件;SINUCOM軟件包;PLC梯形圖實時編輯及顯示軟件;圖形模擬功能;預讀功能;前饋控制。

（5）Handheld unit type B－MPI手持單元:二通道的急停和使能按鈕;3．5 M長的螺旋伸縮電纜。

（6）PLC I/O輸入/輸出模塊:使用的是SIMATIC S7－700一樣的模塊，并完全兼容，具有優良的通用性和可互換性。I/O點按256/192配置。兩塊IM361接口模塊，總線連接，減少柜與柜之間連接線。

IM361:6ES7361－3CA01－0AA0

DI32:6ES7321－1BL00－0AA0

DO32:6ES7322－1BL00－0AA0

重新設計PLC控制軟件。

3．2 伺服驅動及電動機

機床坐標X1/X2、Y、Z、A、B進給驅動和電動機，采用德國西門子公司最新的SIMODRIVE 611D全數字交流驅動裝置56A驅動模塊6塊，611D單軸數字式調節控制單元6塊，1FT6高精度交流伺服電動機替代原機床的科爾摩根驅動裝置和伺服電動機，所有電動機的法蘭盤、聯軸器重新設計、制造和安裝，實現機床各軸的進給或旋轉控制。電源前端配置濾波器、電抗器、限壓模塊，減少電網對系統的干擾。

（1）611－D數字化驅動系統:是西門子新一代數字化智能型閉環伺服驅動系統，能夠滿足高動態響應、寬速度設定范圍和高旋轉精度的驅動最高要求，模塊化的設計方便機床控制軸的擴展。最高響應頻率可達到:1 400 Hz，最高編碼器的分辨率:2 048倍。具體配置如下:

（2）611電源模塊:選用再生回饋式電源模塊，配套電源進線電抗器、電源濾波器、限壓模塊等，抑制電源波動造成模塊損壞。

電源電抗器:6SL3000－0DE31－2AA1

電源濾波器:6SL3000－0BE31－2AA1

電源模塊:6SN1145－1BB00－0EA1

監控模塊:6SN1112－1AC01－0AA1

（3）位置檢測:選用電動機內裝的絕對位置檢測編碼器，使機床開機上電就記憶位置，不需回原點，更快進入加工狀態。

（4）主軸驅動和電動機:機床3個主軸驅動采用西門子公司6SE70系列矢量控制型55 kW變頻器（帶有M08）替代原機床GE公司AF－300C變頻器，增加2個HLA/ANA模塊控制主軸驅動，保留機床3臺交流主軸電動機。

主軸變頻器:6SE7031－2EF60－Z Z=M08

ANA模擬板:6SN1115－0BA11－0AA1

制動單元:6SE7023－2EA87－2DA0

制動電阻:6SE7023－2ES87－2DC0

（5）伺服驅動電動機:使用壽命長;過載能力強;溫度絕緣等級高，F級;動態響應快;高精度、內裝式編碼器;高抗側向力;符合歐洲EMC電磁干擾標準。

機床選擇西門子坐標伺服電動機如下:

3．3 系統電纜

配置數控系統 PCU50、MCP、OP015、NCU573．5 之間全采用高性能的西門子電纜，與數控系統匹配，1FT6電動機與611D之間動力電纜和編碼器電纜全部采用高性能的西門子電纜，大大提高數控系統的可靠性，更換機床相關的電線電纜，電氣控制線路設置分線盒，便于維修。

3．4 更換控制柜和電氣元件

電氣控制柜采用威圖全密封控制柜，顏色為海灰色，更換電氣柜內主要的低壓元件、電線電纜、接線端子接頭，采用品牌產品，電氣柜柜內分別安裝NCU+電源模塊+驅動、3個主軸變頻器，所有元器件及電纜、電纜接頭均有明確標識并與電氣原理圖相符。電氣動作控制安全、準確可靠，電氣柜布線符合國家安裝標準。

3．5 電氣柜空調

每節電氣柜加裝制冷空調，制冷量每組2 500 W以上，確保系統、伺服驅動、電氣元件等裝置工作在良好狀態。

3．6 電氣柜布局

電氣柜、電氣柜空調、操作臺都使用德國威圖（Rittal）公司產品，坐標、系統控制電氣柜、主軸控制電氣柜為800 mm×600 mm×2 000 mm的密封柜6組。

4 結語

五坐標三主軸數控龍門銑床按上述設計方案改造后，進行了試件試切加工，在完全達到要求后交付車間使用，機床運行安全、穩定、可靠，生產效率得到提高，保證產品質量，維修周期大大縮短，僅用機床總價值約10%花費進行改造，使得機床使用壽命得以延續，還對今后數控機床改造提供了經驗。

［1］沈冰，戴明仁．數控機床數控系統維修技術與實例［M］．北京:機械工業出版社．

［2］西門子 catalog NC60．Automation system for machine tools［Z］．

［3］Cincinnati Milacron Acramatic A950．control reference manual［Z］．

［4］Cincinnati Milacron Vertical 5－axis 3－spindle gantry type CNC profiler．operating manual［Z］．