加工中心控制系統的改造研究

李金石 李英碩

摘 要： 企業根據生產的實際需要通過對現有機床全部或局部結構進行升級改造，來提高機床的技術性能指標，已成為一種新興的經濟增長行業，本文以介紹了數控機床控制系統改造的基本流程與方法。對數控機床改造具有借鑒意義。

關鍵詞： 數控機床改造;控制系統;技術改造

1.加工中心改造方案的設計和確定

數控系統的有效使用壽命通常在6～8年，生產商通常在3～5年回會更新一代產品，因此導致老舊機床出現問題后無法找到相對應的維修部件。隨著電力電子的發展器件成本逐步降低，因此對原有老舊機床進行改造與新購機床相比，具有成本和周期的優勢。

1.1 控制系統改造的基本內容

對數控機床電氣控制的改造由以下內容：電氣原理圖設計、電機選型、選取坐標位置反饋方式。

系統中若有部件進行更換需注意各部件之間的匹配更換，以及已于新系統和客戶加工部件的需求進行參數調整。

可編程控制器PLC的設計應使數控系統、伺服系統與機床其他部分之間協調一致工作。機床機電液整體聯調，保證達到原有功能并有所提高，以適應數控系統的控制要求。

1.2 控制系統改造的整體方案

機床是由機械和電氣兩部分組成，在設計總體方案時應從機電兩方面來考慮機床各種功能的實施方案，根據對該設備現狀的分析了解，總體技術方案如圖1.1。

1.3 改造后達到的技術功能及性能

數控刀庫控制功能通過編制數控系統與PLC接口控制軟件來實現。改造中對機床機械部分進行檢修，使機械精度達到出廠或優于出廠標準。改造后機床需具有五坐標五聯動功能。各坐標運動采用交流伺服驅動系統，保留原坐標傳動方式，X、Y、Z坐標為滾珠絲杠，A、B坐標為蝸輪蝸桿，采用光柵尺作為直線坐標位置的反饋，采用同步感應器作為旋轉坐標位置反饋。機床各坐標的控制精度為0.001mm。由PLC程序對主軸系統、潤滑系統、冷卻系統、工作臺系統進行邏輯控制。

改造后機床應具有如下功能：加工程序的圖形模擬功能;示教功能;藍圖編程;輸入方式具有手動數據輸入MDI和DNC輸入兩種;按用戶需求增大程序存儲器容量;具有手持操作單元、具有加工程序編輯、檢索、單段運行、自動運行、空運行功能，手動操作;具有快進倍率、倍率、坐標軸保持、應急停等功能;主軸可手動及編程控制啟、停及高低速轉換;冷卻液可手動及編程控制開、關。具有開機潤滑、手動潤滑、自動潤滑功能。

2.數控系統的選型

2.1 數控系統的分類

數控系統通常有以下四種類型：

（1）專用型數控系統：數控系統生產廠家自行開發的專用性系統，滿足特定目標的使用具有高可靠性。在制造領域有著較大的市場。由于采用封閉的體系因此對市場需求不敏感，且更新較慢。隨著開放式體系結構數控系統的不斷發展，專用型數控系統的市場份額已經在逐漸減小。

（2）PC嵌入NC結構的開放式數控系統：該類型數控系統與專用型數控系統相比，結構上具備一些開放性，功能十分強大，但系統軟硬件結構十分復雜，系統價格也比較昂貴，其結構如圖2.1所示。

硬件部分由開放式體系結構的運動控制卡與PC機構成。運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU具有很強的運動控制和PLC控制能力。

（3）NC嵌入PC結構的開放式數控系統

該類型數控系統的開放性能、性價比也比較好，并且對功能進行改進也比較方便，系統的控制功能主要由運動控制卡來實現。

（4）全軟件型的開放式數控系統

這是一種最新型的開放式體系結構的數控系統，所有的數控功能（包括插補、位置控制等）全部都是由計算機軟件來實現的。全軟件型開放式數控系統具有最高的性價比，近幾年得到了廣泛的應用。

2.2 數控系統的選擇

本文所述的項目選擇西門子840D數控系統主要基于以下原因

（1）西門子840D系統在多軸的同步功能比FANUC的同步功能要強，可以實現多種方式的同步。

（2）西門子系統在機床領域有著多年應用。國內操作者熟悉Siemens指令編程風格，改造后經過簡單培訓即可上機操作。

（3）西門子840D系統在機床行業有著廣泛的應用，維修維護便利。

3 SINUMERIK 840D 數控系統的特點

SINUMERIK 840D系統適用于鉆削，銑削以及車削和磨削機床加工的控制，還可以實現許多特殊的NC功能。采用單元模塊式結構，根據配置不同最多可開通10個通道，最多可控制多達31個進給軸。通常選用SINUMERIK 840D、SINUMERIK 611D數字驅動系統和SIMATIC S7可編程控制器一起，組成全數字控制系統，適于各種復雜加工任務的控制，具有優于其它系統的動態品質和控制精度。

3.1 數控及驅動單元

SINUMERIK 840D的數控單元被稱作NCU單元。NCU單元中也集成SINUMERIK 840D數控CPU和SIMATIC PLC CPU芯片以及相應的數控軟件和控制軟件，并且設置了MPI、profibus接口、RS232接口、手輪及測量接口，PCMCIA卡插槽等。840D配置的驅動一般都采用SINUMERIK 611D數字交流驅動系統，分為雙軸和單軸模塊兩種。它包括電源模塊和驅動模塊。電源模塊主要為驅動模塊提供600V直流母線電壓和為NCU及驅動模塊提供各種控制電壓。同時監控電源模塊和驅動模塊的狀態。

3.2 PLC模塊

840D的PLC使用的是西門子SIMATIC S7-300的軟件及模塊，在同一條導軌上從左到右依次為電源模塊PS，接口模塊IM，信號模塊SM，CPU與NC的CPU是集成在或中的，如圖3.1所示。NCU通過一條通訊電纜與外部I/O的模塊進行通迅。

電源模塊PS是為PLC和NC提供電源的+24V和+5V，接口模塊IM是用于級之間互連的，信號模塊SM使用與機床PLC輸入/輸出的模塊，有輸入型和輸出型兩種。

結論

本文詳細介紹了數控系統改造的設計內容流程給出了一個改造的可行性方案，并針對方案對數控系統進行了選型，對數控系統改造有積極的意義。

參考文獻

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