伺服驅動立車的數控升級改造實踐

杜德民

齊二機床集團大連瓦機數控機床有限公司設計部，遼寧大連 116300

0 引言

在目前機械加工行業不景氣和國家節能減排號召的前提下，對機械加工過程中最普遍應用的設備——立式車床，進行升級改造，既節約了成本又能提高加工精度與加工效率。而目前行業中有一種基于伺服驅動的建議數控機床，比如齊重數控的DVT系列立車、瓦機數控的E系列等，這類機床在當初設計時機械部分完全是參照數控機床來做，電氣部分為節約成本而采用“PLC-伺服系統”或者是添加了人機交互界面的“HMI-PLC-伺服系統”，這類機床的機械剛性、加工精度都比較好，只需少量投入就可以完成數控升級改造，而且改造后的使用效果相當理想。

1 工程實例介紹

本次作為實例進行改造的是齊重數控生產的DVT500系列立車，該立車加工直徑達5m，雙刀架伺服驅動，采用的是“PLC-伺服系統”模式，控制簡單，只能進行水平和垂直方向的進給運動，該設備購于2007年，因廠家加工風電配件需要，對該設備進行數控改造。

2 工程分析與計劃

DVT500系列立車擁有較好的機械剛性，水平、垂直軸均為伺服電機——滾珠絲杠拖動，伺服系統為德國力士樂早期的ECODRIVE03控制器，該控制器功能強大，適應性較好，支持模擬量方式控制；與之配套電機為國產電機，考慮到實際使用時間比較短，各項精度基本達標；廠家要求改造后可進行圓弧槽加工和實現加工中自動恒線速切削，根據經驗，廠家的要求均可以滿足。本著在達成改造精度和功能要求前提下盡量節約成本的設計思路，決定保留左刀架原有功能不變，留作粗加工使用，將右刀架進行改造，保留原有的伺服系統不變，添加西門子的802C數控系統一套；對原控制按鈕站進行拆除，改為新的綜合控制站。

3 右刀架電氣設計

圖1

根據力士樂設計資料, ECODRIVE03控制器的X3-12/13（如圖1）接口可通過伺服器內部設置可將該端口設定為+/-10VDC的模擬量速度控制接口，并將其與西門子802C的模擬量控制接口X7-1/34(2/36)連接。為盡量保持機床原有性能不變，本次設計不變更原伺服電機反饋方式，僅將原來反饋信號中省略的“零點”信號引入伺服控制器，通過設置，將伺服控制器X9接口的編碼器仿真信號接入802C的X3端口，形成數控機到伺服電機的閉環控制系統（如圖2）。由于802c屬于集約型系統自帶的I/O點只有輸入48個、輸出16個，所以我們在改造過程中保留了原系統中的力士樂PLC，這樣雖然增加了程序設計難度，但卻為用戶節約了增加I/O模塊的資金，也達到了使原設備潛在價值發揮極致的升級改造宗旨。

圖2

4 主軸電氣設計

圖3

該設備工作臺由歐陸直流控制系統驅動的直流電機拖動，歐陸系統兼容性較好，應用比較廣泛。原設備通過調節按鈕站上的電位器開控制主軸電機轉速，進而調節工作臺每分鐘轉數。反饋系統為一臺測速發電機，通過按鈕站上的電壓表讀數判斷實際轉數。這樣的工作臺轉數控制很不穩定，更談不上要實現工件加工中的自動恒線速切削。究其原因是控制鏈問題，而其中最根本的癥結所在是反饋信號不精準。通常解決辦法是保留原直流拖動裝置不變，加裝編碼器改善反饋信號。而加裝編碼器的位置一般在I軸下或者通過II軸傳出，前者較精確但安裝費勁；后者好安裝，但是存在一定的機械誤差。本著用戶實際加工質量為第一的設計思路，決定采取第一種安裝方式，即編碼器通過特制的連接支架直接安裝于工作臺軸心。本次選用的是德國海德漢公司生產的一種高精度圓光柵，這種光柵編碼器與西門子系統兼容性很好，擁有較高精度同時又很耐用，使用穩定性高。根據產品資料將模擬量控制接口連接802C的X7-4/37接口，通過數控系統發出模擬量信號控制電機轉速連接方式如圖3，同時將裝于I軸的海德漢編碼器的反饋電纜連接到數控系統X6端口，以實現主軸的閉環控制。

5 整機調試

各部分連接妥當后啟動系統電源，進行調試。先開機檢查引導情況，若沒有故障繼續進行PLC調試，而后設置各類數據，調試正常后進行數據保護。進行機床實際動作測試，根據用戶要求更改力士樂驅動器和歐陸直流調速裝置的設置，直到用戶滿意為止。編寫試車程序，試驗實際動作關系是否到位，最后請廠家進行包含實際工件加工在內的全面驗收。

6 改造總結及后續問題處理

本次改造本著嚴格完成客戶技術要求，同時應使原設備潛在價值發揮極致的宗旨進行設計施工，改造后客戶非常滿意。值得注意的是改造過程需要關注各部分之間的配合，尤其是伺服器、調速器與數控系統之間的參數設置是否兼容，連接電纜是否正確。本次改造施工中就曾出現過數控刀架回參考點失靈的故障；后經檢查發現，其實就是反饋電纜沒有焊對，所以面對這類升級改造問題一定要仔細核對技術資料與實際產品是否匹配。實際使用中發生過刀架運動信號不穩定的情況，經反復檢修發現是模擬量給定電纜的問題，應該是電纜經過線槽傳遞+/-10V模擬量信號時受到了周圍電磁場的干擾，模擬信號發生漂移的緣故，將模擬量控制電纜全部更換為專用屏蔽電纜并正確接地后，問題再沒有發生過。至今改造后設備已經正常使用兩年多，廠家反饋未出現任何故障、相當滿意。

[1]EcoDrive03驅動控制器項目設計手冊. Bosch Rexroth ，2003，5.

[2]EcoDrive03驅動控制器功能描述手冊.Bosch Rexroth，2003，5.

[3]SINUMERIK 802C 安裝調試手冊.SIEMEN，2003，8.

[4]EcoDrive03驅動控制器故障排除手冊.Bosch Rexroth，2003，5.

[5]512C Series Product Manual.EUROTHERM DRIVES，2001.