基于西門子840Di系統(tǒng)的數(shù)控鏜銑床改造與應(yīng)用

摘要：本文介紹了數(shù)控鏜銑床技術(shù)改造中采用西門子840Di數(shù)控系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)閉環(huán)控制兩大系統(tǒng)后在其基本應(yīng)用的過程中，重點(diǎn)闡述了改造前后的可行性分析、系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)以及過程中進(jìn)行安裝調(diào)試的詳細(xì)程序和實(shí)現(xiàn)的途徑。該數(shù)控機(jī)床在技術(shù)改造與應(yīng)用上能夠取得成功其旨在基于PLC控制軟件的編程調(diào)試和機(jī)床參數(shù)的匹配調(diào)整技術(shù)的成熟。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng) 伺服系統(tǒng) 閉環(huán)控制

西門子數(shù)控整套系列中的高端產(chǎn)品——數(shù)控鏜銑床西門子840Di數(shù)控系統(tǒng)，建于開放式系統(tǒng)之上，具有非常強(qiáng)硬的網(wǎng)絡(luò)功效和技能。現(xiàn)代式數(shù)控系統(tǒng)的功能雖然堪稱強(qiáng)大，但其在運(yùn)行過程中由于程序較為繁瑣，偶爾也會出現(xiàn)很多不同的問題，再加上使用廠家的維護(hù)及修理能力的高低不均，通常僅一些技術(shù)上或運(yùn)行上的小問題就需要原產(chǎn)廠家花較長時間和較高費(fèi)用進(jìn)行維修；但新型式數(shù)控系列產(chǎn)品——西門子840Di即可通過其強(qiáng)大的遠(yuǎn)程診斷的網(wǎng)絡(luò)功能解決以上使用廠家通常認(rèn)為很煩惱的問題。

1 機(jī)床改造的可行性分析和選型設(shè)計(jì)

該機(jī)床在性能價(jià)格上的較優(yōu)選型與配置方案一方面基于它在結(jié)構(gòu)、性能、運(yùn)行狀態(tài)、現(xiàn)有加工精度以及特殊功能等上的要求，另一方面基于結(jié)合電纜長度、電機(jī)扭矩及額定轉(zhuǎn)速、主軸功率、系統(tǒng)安裝時占據(jù)的空間等，綜合上述整套細(xì)節(jié)提出的。此項(xiàng)目將西門子SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)、S7—300可編程控制器、3套611 A交流驅(qū)動的伺服驅(qū)動系統(tǒng)、1FT5交流伺服電機(jī)配置起來的同時結(jié)合位置檢測元件共同構(gòu)成了全閉環(huán)控制系統(tǒng)。臥式鏜銑床在技術(shù)和運(yùn)作上改進(jìn)后有1個主軸和5個進(jìn)給軸，同時生成了全新的PI C邏輯控制程序，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的三軸一體化互動，在此基礎(chǔ)上也可進(jìn)行三維的立體加工。其主軸采用了調(diào)速系統(tǒng)中非常先進(jìn)的英國歐陸590全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，工作臺B軸在附加圓光柵編碼器之后由原先單純的電器控制元件變成了數(shù)控軸，重新配制了電氣控制柜。

1.1 西門子840Di數(shù)控系統(tǒng)簡介

2001年，西門子公司研發(fā)了適合于在不同空間、不同控制領(lǐng)域里滿足各種需求的數(shù)控系統(tǒng)——SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)。84Odi適宜于大多數(shù)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)改造，發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景十分深遠(yuǎn)。84Odi不僅具備高度的軟、硬件開放性能，同時還具備以下各項(xiàng)顯著的特點(diǎn)：①PCU50處理器上同時運(yùn)行著CNC控制功能與HMI功能；②840Di在配備適用于伺服驅(qū)動及I/o的PROFIBUs—DP現(xiàn)場總線，Windows NT運(yùn)作系統(tǒng)、OPC(用于過程控制的OLE)應(yīng)用接口和CNC控制軟件的同時，還配有很多標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)PC機(jī)接口；③具有清晰的中英文相互轉(zhuǎn)換的運(yùn)行界面，有異常強(qiáng)悍的自診斷功效和能力；同時用戶可以使用840Di的高級語言編程特色的用戶友好編程界面，熟練的借以Visual Basic等開發(fā)工具通過添加運(yùn)行功能鍵任其自由的開發(fā)菜單和基本操作界面，設(shè)制富有個人愛好和特色的輸入方式，從而達(dá)到工藝的加工要求。

1.2 西門子S7—300 PIC邏輯控制器

PROFIBUS現(xiàn)場總線與PCU的連接成功的應(yīng)用于臥式鏜銑床PI C控制程序的開發(fā)本機(jī)床上，該開發(fā)本機(jī)床不僅通過PROFIBUS總線PIC擴(kuò)展單元ET2OO和ADI4與主機(jī)PCU50相互間進(jìn)行信息替換，而且通過PROFIBUS—DP以實(shí)現(xiàn)I／0與驅(qū)動參數(shù)的整合與優(yōu)化。①S7—300的ET200和ADI4的硬件配置通過Pcu50進(jìn)行軟件組織狀態(tài)的定位，ADI4一方面給出10V的模擬指令電壓，一方面接收編碼器或光柵尺通過修正放大后的TTI信息。②PIC的編程過程可按以下5個步驟進(jìn)行：a機(jī)床的電氣控制原理的理論分析和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究；b掌握和透徹原機(jī)床液壓控制功能；c對PLC程序進(jìn)行整合，建立新的構(gòu)造框架圖；d對軟件和硬件接口控制程序進(jìn)行編制，建立新的控制程序；e采用新替舊原則，對功能塊程序進(jìn)行重新編制。

2 611 A交流驅(qū)動系統(tǒng)

611A交流驅(qū)動系統(tǒng)成熟的應(yīng)用于臥式鏜銑床伺服系統(tǒng)的機(jī)床進(jìn)給軸上，伺服驅(qū)動系統(tǒng)以及位置控制系統(tǒng)的性能在很大程度上都影響著臥式鏜銑床伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的性能，例如機(jī)床的定位精度、跟蹤精度、重復(fù)定位精度以及最高運(yùn)行速度等各項(xiàng)決定性指標(biāo)都賴于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)的動態(tài)及靜態(tài)特征。位置反饋檢測元件用于位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，它旨在反饋控制原理工作，方便反饋信號與輸人的指令作比較，使其相互間產(chǎn)生誤差值，進(jìn)一步憑借此誤差值對伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。機(jī)床運(yùn)動部件的坐標(biāo)位置能夠快捷而準(zhǔn)確地追隨指令運(yùn)動是基于位置控制可準(zhǔn)確無誤地對其進(jìn)行控制。動態(tài)轉(zhuǎn)矩可由以下方程得出：大功率晶體管作主回路驅(qū)動元件在西門子交流伺服系統(tǒng)上的應(yīng)用要比原直流伺服系統(tǒng)可控硅的動態(tài)響應(yīng)時間要快一節(jié)，我們可以看出，這些對軸定位精度都有不可估量的益處。

3 西門子840Di數(shù)控系統(tǒng)的啟動和調(diào)試

3.1 PCU50的HMI系統(tǒng)

軟件的啟動→PR0FIBUS—DP現(xiàn)場總線參數(shù)的配置→數(shù)控系統(tǒng)的啟動→機(jī)床的參數(shù)設(shè)定界面的進(jìn)入→“GENERAL”窗口的進(jìn)入→“定義各軸名稱”的參數(shù)(各軸的名稱不可重復(fù))的設(shè)置→“CHANNEI SPECIFIC”窗口的進(jìn)入（此處參數(shù)有4種：①把幾何軸進(jìn)行分配使其到達(dá)指定通道；②命名幾何軸；③設(shè)定某個機(jī)床軸通有效；④編制程序時所啟用的軸。）→“DRIVE CONFIG”窗口的進(jìn)入（在這里匹配驅(qū)動）→進(jìn)入“MACHINE DATA”，接著設(shè)置每一個軸(同樣也包括主軸)的詳細(xì)參數(shù)，例如最高速度、轉(zhuǎn)速極限、定位誤差等。上述過程即為數(shù)控系統(tǒng)啟動時的詳細(xì)程序。

3.2 數(shù)控系統(tǒng)

按照臥式鏜銑床的數(shù)控與電氣設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行調(diào)節(jié)和試驗(yàn)，同時完成數(shù)控系統(tǒng)的硬件連接，并通過PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線和SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)將安裝有SIMATIC S7—300編程軟件的計(jì)算機(jī)連接起來，接著對系統(tǒng)采用通電的方式進(jìn)行調(diào)試。數(shù)控系統(tǒng)將收集各種機(jī)床數(shù)據(jù)、PI c機(jī)床支配程序、報(bào)警文本等的信息，機(jī)床控制面板的運(yùn)作、急停控制、進(jìn)給伺服和主軸上電的前后以及使能控制等都為操作機(jī)床的最基本的功能。根據(jù)不同的功能及調(diào)試的具體情況設(shè)置每一個軸的詳細(xì)參數(shù)時，可對幾千個數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行修正。脈沖當(dāng)量在位置控制中匹配參數(shù)檢測為1 m，設(shè)置前饋控制功能等，差補(bǔ)循環(huán)期定為2 ms。在不振蕩的前提下，減小跟隨誤差以提高定位精度的方法是盡可能的增大位置環(huán)和速度環(huán)的比例增益系數(shù)，以及增加伺服系統(tǒng)的剛度。

4 總結(jié)

實(shí)踐證明，改造后的臥式鏜銑床在一段時間內(nèi)的運(yùn)行過程中，臥式鏜銑床數(shù)控所采用的SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)在實(shí)際工作中所產(chǎn)生的效益是顯而易見的，特別是用數(shù)控分度功能的數(shù)控轉(zhuǎn)臺替代普通轉(zhuǎn)臺的改轉(zhuǎn)型，改造后的臥式鏜銑床由1個主軸和5個進(jìn)給軸聯(lián)合組成，思想新穎，技術(shù)脫俗，順利的達(dá)到了改造之前的預(yù)期目標(biāo)。工廠在臥式鏜銑床技術(shù)改造成功的基礎(chǔ)上，贏得了前所未有的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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