西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)在立式磨床改造中的應(yīng)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(jì)80年代設(shè)備，原電氣系統(tǒng)為SINUMERIK 3G系統(tǒng)，近幾年由于電氣元件老化，加工產(chǎn)品磨削振紋嚴(yán)重，加工精度降低，設(shè)備故障率增高，已影響到正常的使用。為穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，用西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)對(duì)該機(jī)床的電氣系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

此設(shè)備用于軸承套圈回轉(zhuǎn)面的磨加工，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。待加工套圈置于可旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)中間，圓盤(pán)利用電磁力將工件固定，圓盤(pán)由M7電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。在水平導(dǎo)軌上有兩個(gè)砂輪架，伺服電動(dòng)機(jī)M3，M4通過(guò)絲杠對(duì)砂輪架進(jìn)行水平方向的精確定位及進(jìn)給；砂輪在垂直方向的精確定位及進(jìn)給由伺服電動(dòng)機(jī)M1，M2通過(guò)絲杠來(lái)完成；砂輪的旋轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)M5，M6驅(qū)動(dòng)。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(gòu)成閉環(huán)控制。M8為圓弧修整器伺服電動(dòng)機(jī)。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 控制要求

根據(jù)磨床的加工需要，控制系統(tǒng)要有較強(qiáng)的功能，能滿(mǎn)足機(jī)床磨削加工精度的要求（位置控制精度達(dá)到0.001 mm），能實(shí)現(xiàn)雙砂輪單獨(dú)或同時(shí)磨削的控制，自動(dòng)、手動(dòng)磨削加工及砂輪手動(dòng)、自動(dòng)修整和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

2 控制系統(tǒng)配置

控制系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)的CPU和SIMATICS7-300 PLC的CPU芯片314-2DP、相應(yīng)的數(shù)控軟件和PLC控制軟件，以及MPI接口、Profibus接口、RS232接口、手輪及測(cè)量接口、PCMCIA卡插槽等。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)裝置提供控制和動(dòng)力電源，產(chǎn)生母線電壓，同時(shí)檢測(cè)電源和模塊的狀態(tài)。電源模塊根據(jù)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(tǒng)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(gè)雙軸模塊和一個(gè)單軸模塊，雙軸模塊用于兩個(gè)砂輪架的驅(qū)動(dòng)，單軸模塊用于圓弧修整器的驅(qū)動(dòng)。

2.1.2 人機(jī)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(dòng)機(jī)配置

主軸電動(dòng)機(jī)（工件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，SP軸）：使用原系統(tǒng)的直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，配合ZKS-Ⅱ型可控硅直流調(diào)速器。轉(zhuǎn)速由PLC模擬量輸出模塊提供的1～10 V模擬量信號(hào)控制。

砂輪架水平方向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)（左砂輪架X軸，右砂輪架U軸）為：1FT6086-8SF71-1EG1，參數(shù)為：9.7 kW／35（N·m）／3 000（r·min-1），內(nèi)置相對(duì)值編碼器。

砂輪架垂直方向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)（左砂輪Z軸，右砂輪W軸）為：1FT6086-8SF71-1EH1，參數(shù)為：9.7 kW／35（N·m）／3 000（r·min-1），內(nèi)置相對(duì)值編碼器以及1∶4的減速箱。

圓弧修整器伺服電動(dòng)機(jī)（B軸）為：1FT6044-1AF71-3EH1-Z-J35，參數(shù)為：1.4 kW／5（N·m）／3 000（r·min-1），內(nèi)置絕對(duì)值編碼器。

砂輪電動(dòng)機(jī)使用原系統(tǒng)的交流異步電動(dòng)機(jī)，由VACON變頻器驅(qū)動(dòng)控制。

2.1.4 PLC硬件配置

PLC使用西門(mén)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(shù)控單元之間的通信，通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與NCU連接。IM 361右側(cè)為信號(hào)模塊，由3個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入模塊SM 321、兩個(gè)數(shù)字輸出模塊SM 322和1個(gè)模擬量輸出模塊SM 332組成。數(shù)字量I／O模塊用于外圍電氣設(shè)備的控制。模擬量輸出模塊用于主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。PLC的CPU與NC的CPU一起集成在NCU中。

2.1.5 位置反饋測(cè)量系統(tǒng)

該立式磨床主要完成套圈內(nèi)圓和外圓的精磨加工，對(duì)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(jìn)給軸均配備獨(dú)立的HEIDENHAIN線性光柵尺進(jìn)行位置反饋測(cè)量，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。

2.2 系統(tǒng)的軟件配置

SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)主要包括4大類(lèi)軟件：MMC軟件系統(tǒng)、NC軟件系統(tǒng)、PLC軟件系統(tǒng)和通信及驅(qū)動(dòng)接口軟件。

2.2.1 MMC軟件

在MMC103系統(tǒng)內(nèi)裝有基本輸入、輸出系統(tǒng)（BIOS），DR-DOS內(nèi)核操作系統(tǒng)，Windows95操作系統(tǒng)，以及串口、并口、鼠標(biāo)和鍵盤(pán)接口等驅(qū)動(dòng)程序，支撐SINUMERIK與外界MMC-CPU，PLCCPU和NC-CPU之間的相互通信及任務(wù)協(xié)調(diào)。

2.2.2 NC軟件

NC軟件包括：（1）NCK數(shù)控核初始引導(dǎo)軟件，該軟件固化在EPROM中；（2）NCK數(shù)控核數(shù)字控制軟件系統(tǒng)，它包括機(jī)器數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)子系統(tǒng)，用戶(hù)必須理解每個(gè)循環(huán)程的參數(shù)含義才能進(jìn)行調(diào)用；（3）SINUMERIK 611D驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，它是指數(shù)控系統(tǒng)所配套使用的SIMODRIVE 611D數(shù)字式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

2.2.3 PLC軟件

PLC軟件系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)支持軟件和PLC程序。PLC系統(tǒng)支持軟件支持SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝的CPU-317-2DP正常工作，該程序固化在NCU內(nèi)。PLC程序包含基本PLC程序和用戶(hù)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(xié)調(diào)PLC-CPU，NC-CPU和MMC-CPU三者之間的通信。

3 機(jī)床程序結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)定

3.1 PLC程序

PLC程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程，將機(jī)床啟動(dòng)條件、PLC使能信號(hào)處理、操作面板控制、系統(tǒng)基本控制、輔助功能、報(bào)警信息等系統(tǒng)及機(jī)床功能編制成不同的模塊。程序結(jié)構(gòu)要合理，層次清晰，方便閱讀、查找以及程序調(diào)試和故障診斷。PLC程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 NC程序

圖3 PLC程序結(jié)構(gòu)

編制NC程序時(shí)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(shù)指標(biāo)需要經(jīng)常調(diào)整，對(duì)以上數(shù)據(jù)采用R參數(shù)的形式，以便于修改。主程序采用程序調(diào)用的方法，當(dāng)改換加工產(chǎn)品時(shí)，只需修改R參數(shù)，無(wú)需再調(diào)試程序，非常方便。同時(shí)，因?yàn)橹鞒绦蛑羞\(yùn)用了跳轉(zhuǎn)指令，在沒(méi)有修改加工參數(shù)時(shí)，避免了每次都要進(jìn)行很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算而影響系統(tǒng)運(yùn)行速度。在數(shù)控車(chē)削手工編程中采用R參數(shù)編程方法，也為解決相似零件數(shù)控程序的通用性及特殊零件的數(shù)控編程問(wèn)題提供借鑒。

3.3 機(jī)床相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

3.3.1 主要參數(shù)類(lèi)型

840D數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)分為兩大類(lèi)：機(jī)床數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)。機(jī)床數(shù)據(jù)是用于生產(chǎn)、安裝、調(diào)試用的數(shù)據(jù)，主要用于設(shè)定、匹配機(jī)床的主要數(shù)據(jù)。其分為以下幾種類(lèi)型：通用機(jī)床數(shù)據(jù)、通道機(jī)床數(shù)據(jù)、用于驅(qū)動(dòng)器的機(jī)床數(shù)據(jù)、用于操作面板的機(jī)床數(shù)據(jù)、軸專(zhuān)用機(jī)床數(shù)據(jù)。設(shè)定數(shù)據(jù)主要是機(jī)床在使用過(guò)程中需要設(shè)定的數(shù)據(jù)，是一些常用的用于調(diào)整機(jī)床使用性能的數(shù)據(jù)。其分為通用設(shè)定數(shù)據(jù)、通道專(zhuān)用設(shè)定數(shù)據(jù)和軸專(zhuān)用設(shè)定數(shù)據(jù)3種類(lèi)型。

數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)如下：

$MM_為用于操作面板的機(jī)床數(shù)據(jù)（Machine Manipulate）；

$MN_／$SN_為通用機(jī)床數(shù)據(jù)／通用設(shè)定數(shù)據(jù)；

$MC_／$SC_為通道用機(jī)床數(shù)據(jù)／通道用設(shè)定數(shù)據(jù)（Machine Channel／Setting Channel）；

$MA_／$SA_為軸專(zhuān)用機(jī)床數(shù)據(jù)／軸專(zhuān)用設(shè)定數(shù)據(jù)（Machine Axes／Setting Axes）；

$MD為驅(qū)動(dòng)器機(jī)床數(shù)據(jù)（Machine Drive）。

3.3.2 機(jī)床數(shù)據(jù)的生效模式

機(jī)床的各個(gè)參數(shù)由于對(duì)系統(tǒng)影響程度的不同，具有不同的生效級(jí)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(diǎn)擊MMC軟件上的“Activate MD”鍵生效；

re——復(fù)位模式（RESET），按控制單元上的“RESET”鍵生效；

so——立即模式（Immediately），數(shù)值輸入后立即生效。

3.3.3 調(diào)試中的數(shù)據(jù)設(shè)定

在機(jī)床的調(diào)試過(guò)程中，主要用到以下參數(shù)：

MD 30130——設(shè)定驅(qū)動(dòng)器輸出類(lèi)型。“1”表示伺服電動(dòng)機(jī)；“2”表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；“3”表示FM模塊。

MD 30200——編碼器數(shù)量。

MD 30240——編碼器類(lèi)型。“0”表示模擬量編碼器；“1”表示相對(duì)值編碼器；“4”為絕對(duì)值編碼器。

MD 31000——直接測(cè)量系統(tǒng)（光柵尺）。設(shè)置位控環(huán)測(cè)量系統(tǒng)的類(lèi)型，如果使用線性光柵尺作為測(cè)量系統(tǒng)，則將該軸參數(shù)設(shè)置為1。否則設(shè)置為0。

MD 31010——直接測(cè)量系統(tǒng)（光柵尺）的柵距（分割點(diǎn)）。

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(dòng)速度。

MD 34020——回參考點(diǎn)速度。

MD 34090——參考點(diǎn)偏移／絕對(duì)位移編碼偏移。

MD 34200——參考點(diǎn)模式。“0”表示不回參考點(diǎn)，用絕對(duì)值編碼器時(shí)設(shè)定；“1”表示零脈沖，相對(duì)值編碼器時(shí)設(shè)定。

MD 34210——絕對(duì)值編碼器狀態(tài)。“0”表示編碼器沒(méi)調(diào)整；“1”表示使能編碼器調(diào)整；“2”表示編碼器已調(diào)整。MD 36200——速度監(jiān)控的閾值。MD 36210——最大速度設(shè)定值。

4 結(jié)束語(yǔ)

立式磨床ROPC 200的控制系統(tǒng)改造完成后，機(jī)床操作更加簡(jiǎn)單，故障率降低，所加工的產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于原來(lái)的指標(biāo)，得到了公司的認(rèn)可。另外，機(jī)床改造后新增圓弧修整器，不但可以完成套圈內(nèi)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(nèi)溝道、外溝道等曲線型面的磨削。