基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的臥式加工中心電氣系統(tǒng)改造

鄭景欣

摘 要：文章是對CWK-800臥式加工中心的電氣控制系統(tǒng)升級改造的介紹，主要介紹電氣系統(tǒng)的硬件組成與軟件程序設(shè)計(jì)，為相關(guān)技術(shù)人員提供一些參考。

關(guān)鍵詞：840D；數(shù)控臥式加工中心；PLC

前言

20世紀(jì)80年代我國大量引進(jìn)了當(dāng)時(shí)較先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床使用至今，大部分的電氣系統(tǒng)已經(jīng)老化嚴(yán)重，日常使用的故障率較高，故障現(xiàn)象繁多，又因原廠部件均為進(jìn)口且大部分已停產(chǎn)，一旦器件損壞將面臨著備件缺失的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致故障處理周期長、難度大，維修成本高，甚至出現(xiàn)無法修復(fù)的狀況，往往對生產(chǎn)進(jìn)度造成較大影響。

通常進(jìn)口設(shè)備即使電氣系統(tǒng)老化嚴(yán)重，但機(jī)械部分往往能保持良好的性能狀態(tài)，為了讓它們的剩余價(jià)值得到最大的利用，對電氣系統(tǒng)的升級改造實(shí)為不錯(cuò)的選擇，相對于購置全新的機(jī)床，其有著成本低、周期短、風(fēng)險(xiǎn)小的優(yōu)勢，經(jīng)改造的設(shè)備不僅能保留原來的功能，還能改善和提高設(shè)備的性能，為用戶創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備現(xiàn)狀與改造需求

CWK-800是本公司在90年代初從德國引進(jìn)的臥式加工中心，擁有1個(gè)主軸、3個(gè)進(jìn)給軸（X軸橫向進(jìn)給、Y軸升降、Z軸縱向進(jìn)給）和1個(gè)工作臺360°旋轉(zhuǎn)軸B，5軸均為西門子直流調(diào)速系統(tǒng)，主軸和B軸反饋元件采用編碼器，進(jìn)給軸為光柵尺；該機(jī)擁有60個(gè)刀位的鏈?zhǔn)降稁?，刀庫的旋轉(zhuǎn)動力由油馬達(dá)提供。由于該機(jī)床使用的840C數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重老化，且早已停產(chǎn)，西門子公司已經(jīng)不再提供備件和技術(shù)支持，早先準(zhǔn)備的備件因?yàn)槔匣腿笔?yán)重，并不能提供足夠的支持，機(jī)床面臨著較大的停臺風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)研究，公司決定對該機(jī)床的電氣部分進(jìn)行全面的升級改造。

2 改造方案

該機(jī)床經(jīng)過檢測，機(jī)械精度保持良好的性能狀態(tài)，氣動和液壓系統(tǒng)均運(yùn)行良好，電機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)均能正常工作，但電氣控制系統(tǒng)老化嚴(yán)重，所以改造方案確定為：保留控制系統(tǒng)以外的部分，將老化的數(shù)控系統(tǒng)全面升級改造。

控制系統(tǒng)核心部分采用西門子高端系列的SINUMERIC 840D數(shù)控系統(tǒng)（由NCU、PCU、OP、MMC、MCP組成），西門子品牌的市場普及度較高，該系統(tǒng)的高性能和高可靠性也已得到業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可，為該機(jī)床良好的機(jī)械精度和響應(yīng)速度提供有力的保障；驅(qū)動系統(tǒng)更換為西門子 SIMODRIVE 611D全數(shù)字控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，采用1PH7系列主軸電機(jī)，進(jìn)給軸驅(qū)動電機(jī)為1FT6系列交流伺服電機(jī)，軸檢測元件方面，X、Y、Z三個(gè)進(jìn)給軸均選用德國海德漢HEIDENHAIN 的LB382C直線光柵尺，B軸使用RON285圓光柵，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，以確保進(jìn)給軸和工作臺的旋轉(zhuǎn)精度，主軸使用西門子伺服電機(jī)配套的編碼器作為位置反饋元件，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制。邏輯控制部分，采用840D NCU內(nèi)置SIMATIC S7-300 可編程控的314-2DP CPU，并根據(jù)機(jī)床I/O點(diǎn)數(shù)，選配兩組機(jī)架，每組機(jī)架分別由電源模塊（PS，+24V）、接口模塊（IM361）、數(shù)字量輸入模塊（SM321）、數(shù)字量輸出模塊（SM322）組成。

3 改造過程部分介紹

改造過程主要包括：硬件安裝、接線、軟件設(shè)計(jì)（軟件組態(tài)、PLC程序設(shè)計(jì)）、NC參數(shù)設(shè)置、伺服驅(qū)動參數(shù)設(shè)置、電氣運(yùn)行調(diào)試等，在此主要介紹軟件設(shè)計(jì)。

3.1 軟件組態(tài)與PLC程序的設(shè)計(jì)

安裝840D TOOLBOX工具箱和STEP7編程軟件，在STEP7中插入840D的庫文件GP840D.EXE，在HWconfig中對選定的系統(tǒng)組件進(jìn)行軟件組態(tài)，通過MPI通訊協(xié)議將NCU、OP、MMC、MCP和PLC機(jī)架聯(lián)接起來組成完整的多點(diǎn)通訊網(wǎng)絡(luò)并編譯保存，下載到NCU上。

840D的可編程控制系統(tǒng)與S7-300PLC基本相似，S7-300PLC程序基本由塊組成，包括系統(tǒng)定義好的各個(gè)組織塊（OB，每個(gè)組織塊均有特殊作用），用戶自行編寫的功能子程序（FC）、功能塊（FB）、數(shù)據(jù)塊（DB），和系統(tǒng)預(yù)先編寫好的子程序（SFC）、功能塊（SFB）。先調(diào)用OB100，編寫好啟動程序，完成PLC的上電啟動工作，然后在OB1（主程序循環(huán)）中，通過模塊化編程，根據(jù)臥式加工中心具體的工作邏輯，添加了急停連鎖、防護(hù)門連鎖、系統(tǒng)上電、主軸控制、進(jìn)給軸控制、電源模塊上下電和使能控制、自動換刀程序、手持單元程序、機(jī)床控制面板程序、液壓系統(tǒng)控制程序、氣動系統(tǒng)控制程序、工作臺更換程序、機(jī)床潤滑程序和冷卻系統(tǒng)程序等等。在OB40中調(diào)用報(bào)警處理的相關(guān)程序。最后編譯保存，并通過MPI適配器將程序下載至NCU中。

3.2 自動換刀程序設(shè)計(jì)

在PLC控制程序的設(shè)計(jì)中，加工中心的自動換刀程序是最復(fù)雜的PLC程序部分，該加工中心刀庫有60個(gè)刀位，為鏈條式刀庫，油馬達(dá)給鏈條提供正反轉(zhuǎn)動力，因?yàn)榈毒邤?shù)量較大，為提高換刀效率，油馬達(dá)能分兩檔速度運(yùn)轉(zhuǎn)。鏈條旁安裝有的多個(gè)接近開關(guān)，分別為刀庫原點(diǎn)的判斷和刀庫轉(zhuǎn)動的位置定位向PLC提供反饋信息，而復(fù)雜的機(jī)械手負(fù)責(zé)在工作區(qū)和刀庫區(qū)進(jìn)行取刀和放刀的工作，一次自動換刀需要22個(gè)步驟，把每個(gè)動作用M代碼進(jìn)行設(shè)定，具體換刀步驟為：M38，刀庫定位銷縮回，松開刀庫——M31刀庫高速正轉(zhuǎn)，直至刀庫1號刀位遇上參考點(diǎn)接近開關(guān)，即刀庫回零，根據(jù)目標(biāo)刀號與當(dāng)前刀庫位置的距離比較，自動判斷為M31或者M(jìn)32——根據(jù)送進(jìn)PLC的接近開關(guān)的脈沖反饋，進(jìn)行刀位計(jì)數(shù)，當(dāng)相差3個(gè)刀位到達(dá)目標(biāo)刀號時(shí)，M35或M36，慢速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)目標(biāo)刀號刀位時(shí)——M37鎖緊刀庫——M42刀爪1松開——M49換刀臂橫向伸出至刀庫取刀——M43刀爪1緊刀——M47換刀臂縱向伸出取刀，從刀庫取出目標(biāo)刀具——M45旋轉(zhuǎn)180°——M48換刀臂縱向縮回——M50換刀臂橫向縮回——M33打開刀庫門——M39機(jī)械手移向主軸，刀爪2正對主軸——M44刀爪2松刀——M49換刀臂橫向伸出，讓刀爪2卡住主軸當(dāng)前刀把——M43刀爪2緊刀——M52主軸松刀——M47換刀臂縱向伸出，取走主軸上的刀具——M46換刀臂反轉(zhuǎn)180°，目標(biāo)刀具指向主軸——M48換刀臂縱向縮回，目標(biāo)刀具插到主軸上——M51主軸緊刀——M44刀爪2松刀——M50換刀臂橫向縮回——M40機(jī)械手移向刀庫區(qū)域——M34刀庫門關(guān)——M31或M32，刀庫旋轉(zhuǎn)找到換下刀具所在的刀位，并通過機(jī)械手把刀具放回刀庫，至此，完整的自動換刀流程結(jié)束。

在換刀程序中，每個(gè)動作都有相應(yīng)的刀位信號，用于判斷制定動作是否執(zhí)行刀位，作為下一步動作的連鎖條件，防止動作未到位導(dǎo)致意外碰撞事故的發(fā)生，另外工作區(qū)和手動換刀區(qū)域的安全門狀態(tài)均加入到安全連鎖中，門未關(guān)閉鎖好，機(jī)床將無法加工或換刀，以保證機(jī)床周圍人員的人身安全。

其它如急停連鎖、機(jī)床控制面板、軸使能等等PLC程序跟一般臥式加工中心相似，在此不一一介紹。

4 結(jié)束語

通過對電氣控制系統(tǒng)的全面升級改造，CWK-800臥式加工中心恢復(fù)了原有的全部功能，機(jī)床運(yùn)行情況良好。先進(jìn)的840D系統(tǒng)讓機(jī)床性能得到進(jìn)一步的提升，工件加工的效率和質(zhì)量也都更進(jìn)一步，機(jī)器操作更方便，運(yùn)行更穩(wěn)定可靠，而且故障率明顯減小，大大提高了生產(chǎn)效率，為公司創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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