臥式加工中心改造

（湖北三江集團萬山特種車輛有限公司，湖北 孝感 432100）

臥式加工中心改造

劉宏偉

（湖北三江集團萬山特種車輛有限公司，湖北 孝感 432100）

采用西門子840Di和2套觸摸屏對臥式加工中心進行電氣改造，并對機械部分進行修理，恢復刀庫、換刀機構和交換工作臺運行，提高了設備的可靠性。

PROFIBUS總線；雙通道；信號轉換器；刀庫集中管理

一、項目簡介

1.項目主要用途：主要用于加工各類重型車橋橋殼。

2.項目當中使用的西門子自動化產品：1臺840Di（雙通道），用于6個機床進給軸和1個主軸控制；2塊ADI4，用于連接7路位置反饋信號；1塊TP170，用于換刀機構和輔助功能的手動控制；1塊TP270，用于刀庫集中管理；3塊PP72/48 PLC模塊，用于機床的PLC控制；1套HHU手持單元，用于機床操作。

3.設備照片如圖1所示。

二、控制系統構成

1.主要硬件配置方案。原設備硬件配置和用戶要求：原控制系統采用2套西門子8M系統，1套用于機床加工控制，1套用于刀庫控制和管理，2套8M系統故障頻繁，已不能正常工作。進給系統為西門子6SC驅動器和1FT5電機，工作正常，受改造經費限制用戶希望保留。PLC采用西門子S5。X、Y、Z、B軸采用光柵尺和編碼器反饋構成全閉環控制，其他軸為半閉環，用戶要求保留原設備光柵尺。

圖1

要求改造完成后，恢復原有機床功能、性能，滿足加工工藝要求，提高設備可靠性。根據原機床現狀和技術要求，選擇以下硬件配置：系統主機為840Di，集成在PCU50內，1.2GHz/256M，40G ；集成MCI2-BOARD，PROFIBUS接口；配MCI板，連接手輪；雙通道結構（一個通道用于4個加工進給軸、1個交換工作臺軸和1個主軸的控制；另一個通道用于刀庫軸的控制，在加工時預選和回裝刀具）配 OP010 10.4″TFT顯示器、19″MCP機床操作面板，帶主軸和進給倍率開關；配2塊ADI4模塊，PROFIBUS接口。每個ADI4模塊可連接4個帶模擬量給定的驅動裝置, 其模擬量輸出為±10V，4路位置反饋輸入；位置反饋為4個 TTL 信號輸入，可以連接4個光柵尺或編碼器，從而構成閉環位置控制系統。采用了ADI4模塊后，原驅動裝置和電機、電纜都可以保留，節約了改造成本。

保留原機床X、Y、Z反饋光柵尺和B、U（Q1）、W（Q9）編碼器，增加3臺HEIDENHAIN信號轉換器EXE101，將原光柵尺的11uA信號轉換成TTL信號，以適應ADI4模塊反饋信號要求。

保留原機床X、Y、Z、B、U（Q1）、W（Q9）6個進給軸的1FT5電機和西門子6SC6101驅動器。840Di CNC系統與驅動器采用模擬接口連接控制。

840Di內置CPU317-2DP PLC，配置3塊PP72/48 PLC模塊，分別安裝在主操作臺上和電氣控制柜內，PP72/48模塊采用PROFIBUS總線與840Di連接，并配有PHONENIX端子連接器。輸出控制繼電器采用OMRON。

增加一臺西門子TP270 10.4″觸摸屏，代替原CNC 8M系統實現刀庫的控制和管理，TP270與840Di通過MPI總線連接。

增加一臺西門子TP170 5.7″觸摸屏，實現換刀機械手和刀庫搬運機械手的手動分步控制， TP170與840Di 通過MPI總線連接。

HHU采用西門子B-MPI標準手持單元，通過分配盒，采用PROFIBUS總線與系統連接，HHU帶有手輪，兩行數碼顯示，可以顯示軸位置，HHU還帶有急停，倍率開關和功能開關，采用HHU極大方便機床的操作。

對原機床電氣控制柜重新裝配并進行二次布線，將主要控制元件全部更換為西門子低壓元器件。

2.系統的硬件連接示意圖如圖2 所示。

3.其他可選方案：可采用西門子840D進行改造，將原設備驅動器和電機更換為611D驅動器和1FT6電機，提高了設備的可靠性，但同時增加了改造成本。

三、控制系統完成的主要控制功能和指標

1.X、Y、Z、B、U、W共6個進給軸和一個S主軸控制，其中X、Y、Z、U、S軸在第1通道，X、Y、Z、B為全閉環控制，W軸在第2通道。

2.工作臺托盤交換：工作臺B軸為360°旋轉軸，由U軸來實現2個工作臺托盤的交換，U軸可以通過電磁離合器切換成兩個方向的運動，實現工作臺托盤的進出移動和轉換附件的0～90°擺動，在參數中定義LOADWORK、PALLET1、PALLET2變量，用來記錄工作臺、托盤1、托盤2的狀態。

3.刀庫控制和管理：刀庫共有106個刀具存儲位置，2個刀具交換位置和2個裝卸刀具位置，在參數中用數組TOOLPOS[XX]定義W軸每個刀具的位置坐標，用于刀具在刀庫存儲區和換刀區、裝卸區進行刀具的轉移和定位。刀庫管理由1臺TP270來完成，用戶在裝卸區利用觸摸屏選擇裝卸刀具、輸入刀具號碼、刀具參數和刀位號，系統自動完成刀具的定位和裝卸，并在觸摸屏上實時顯示每個刀位的狀態、刀具數據和W的坐標、裝卸機械手的狀態等信息，并以動畫方式顯示出動作過程。

4.換刀機構：換刀機械手由PLC控制，用于在刀庫換刀區和機床主軸之間進行刀具交換。

5.主軸控制：主軸擺動換檔，主軸定位。

6.其他輔助控制：由PLC實現機床其它輔助控制，包括：油泵、潤滑、冷卻、排削、主軸換擋、刀具夾緊放松、過濾器、控制電源、外部保護等控制。增加1臺TP170觸摸屏，可以監視每個輔助控制的狀態，并可以單獨手動控制，機械手可以通過觸摸屏手動分步控制，以方便調試和檢修。

7.安全防護：防護門安全聯鎖，工作臺安全光幕，報警文本（60個）。

8.誤差補償：螺距補償對可明顯提高機床的定位和重復定位精度,利用激光干涉儀對X、Y、Z軸進行測量和誤差補償，達到了設備精度要求。840DI SL補償步驟如下。

（1）根據各軸工作區間，確定補償間隔和補償范圍。

（2）修改機床參數，生成補償文件。

（3）編寫各軸補償測量零件程序。

（4）利用激光干涉儀檢測每個點的誤差值。

（5）根據誤差值填寫補償文件，傳入系統中。

（6）反復測量補償，直到達到機床精度要求。

X補償結果如圖3所示。

圖3

9.在通道1中運行的子程序SPF（M代碼調用）有裝載托盤1子程序；卸載托盤1子程序；裝載托盤2子程序；卸載托盤2子程序；請求預選刀具子程序；刀具交換子程序。

10.在通道2中運行的程序有刀庫控制和管理主程序、從換刀機械手取刀具子程序、向換刀機械手上放置刀具子程序、刀庫搬運機械手轉換子程序、從刀庫取刀具子程序、刀具返回刀庫子程序、裝卸門裝入刀具子程序及裝卸門取出刀具子程序。

11.恢復刀庫控制和管理功能，實現刀具的預選、找刀、搬運、換刀、回裝、裝卸等動作，利用NC Var Selector定義變量參數在NC—PLC—觸摸屏之間實現刀具信息的交換。

四、項目運行

該項目于2006年9月完成改造，至今運行情況穩定、良好，加工正常，用戶認為通過系統升級改造，機床的性能指標得到大幅度提高，提高了設備的可靠性，系統診斷、維護方便，產品加工精度穩定，花費少，達到了改造目的。

五、應用體會

西門子自動化產品具有完整、系統、開放、延續性好的特點，各種產品之間通過PROFIBUS總線進行連接，減少了連線，提高了整個系統的可靠性和兼容性。

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1671-0711（2014）10-0060-03

2014-08-08）