HC212 落地鏜銑床的數(shù)控化改造方案

孫洪普 劉 甦 韓 強(qiáng)

(濟(jì)鋼集團(tuán)重工機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南250200)

我公司HC212 數(shù)顯落地鏜銑床是上世紀(jì)80 年代初期由蘇聯(lián)引進(jìn)的重型機(jī)床，鏜軸直徑220 mm，X軸行程14000 mm，Y軸行程4200 mm，Z軸(鏜軸)行程1800 mm，W軸(滑枕)行程1200 mm。該機(jī)床適用于鏜孔、銑削平面、鉆孔等、并配有多種附件銑頭和平旋盤，配固定工作臺(tái)和一額載80 t 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(旋轉(zhuǎn)B軸，直線V軸)，可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾，五面加工，擔(dān)負(fù)著我公司大型、重型工件的加工任務(wù)。

原鏜銑床主傳動(dòng)和各進(jìn)給軸電動(dòng)機(jī)均為直流電動(dòng)機(jī)，采用分立元件的模擬線路控制器控制，外部線路采用繼電器邏輯控制，使用幾十年后，由于元件老化，故障頻繁，(有些已無備件)，查找故障耗時(shí)費(fèi)力，影響設(shè)備的正常生產(chǎn)，電氣改造勢所必行。

1 可行性分析

首先對(duì)機(jī)床進(jìn)行了全面的檢查和評(píng)估:各機(jī)械傳動(dòng)部件工作狀態(tài)良好，基本不需大的維護(hù);機(jī)床導(dǎo)軌各工作面無明顯磨損，待調(diào)整后對(duì)精度影響應(yīng)該不大;預(yù)計(jì)機(jī)械部分仍可使用十五年以上。電氣方面:主傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)控制部分的控制系統(tǒng)十分老舊，性能落伍，已經(jīng)達(dá)壽命極限，故障頻繁;主軸電動(dòng)機(jī)換向片和碳刷有磨損、預(yù)計(jì)大修之后可達(dá)到使用要求，X、Y、Z、W進(jìn)給軸電動(dòng)機(jī)使用30 多年，整流子及碳刷磨損嚴(yán)重，維修價(jià)值不大，V、B軸電動(dòng)機(jī)由于使用較少，磨損不大可繼續(xù)使用;電器元件性能都有不同程度的下降，且很多器件已無備件;大部分線路都已經(jīng)老化，需要重新鋪設(shè)控制線路;測量顯示部分為海德漢光柵尺和數(shù)顯表，經(jīng)激光干涉儀校驗(yàn)，誤差在允許范圍內(nèi)可繼續(xù)使用。

考慮到機(jī)械部分較好的狀況、雖不能滿足高精度數(shù)控機(jī)床要求，但是達(dá)到經(jīng)濟(jì)性數(shù)控的機(jī)械要求是沒有問題的，如果只恢復(fù)數(shù)顯機(jī)床的功能，雖然可靠性得到保證，但是在操作性和工作效率方面沒有提高。如今數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格也都不太高，工作效率高，而且利用數(shù)控系統(tǒng)的自檢功能，可以在顯示屏上有比較明確的故障提示，減少查找故障的時(shí)間，提高的效用與增加的費(fèi)用比很高，在經(jīng)濟(jì)上很劃算，技術(shù)上也是可行的。

2 電氣改造方案

考慮到操作者的熟悉程度和車間其他機(jī)床的通用性以及經(jīng)濟(jì)效果，最終確定采用西門子SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)，配合4 個(gè)數(shù)控進(jìn)給軸、1 個(gè)模擬控制主軸和2 個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的PLC 軸。數(shù)控改造控制框圖如圖1 所示。4 個(gè)進(jìn)給軸采用西門子1FT6 電動(dòng)機(jī)、611D 伺服驅(qū)動(dòng);主傳動(dòng)部分仍然使用原直流電動(dòng)機(jī)，采用歐陸的590 +直流調(diào)速器;考慮到本公司產(chǎn)品對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的實(shí)際需求，最終確定回轉(zhuǎn)工作臺(tái)仍使用舊的直流電動(dòng)機(jī)，采用590 +直流調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，只作為PLC 控制軸，不參與數(shù)控插補(bǔ);控制柜全部重新設(shè)計(jì)制作，機(jī)床電纜根據(jù)實(shí)際情況更換，床身各限位開關(guān)、按鈕更換為國標(biāo)件。840D 主要控制部件如表1 所示。611D及590+直流調(diào)速主要驅(qū)動(dòng)部件如表2 所示。

表1840D 主要數(shù)控部件列表

SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司上世紀(jì)90 年代中期推出的一款純數(shù)字的中高檔數(shù)控系統(tǒng)，與之匹配的611D 驅(qū)動(dòng)也是全數(shù)字的，從發(fā)展趨勢看，該系統(tǒng)已進(jìn)入成熟期，現(xiàn)已成為西門子公司中高檔系統(tǒng)中的主流機(jī)型。840D 系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):全數(shù)字化驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)PC 化的數(shù)控系統(tǒng)，但可以根據(jù)需要選用模擬量控制軸模塊(本例中主軸控制用到此功能);操作系統(tǒng)視窗化，操作簡便靈活;軟件內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大，診斷、維修方便，而且具有遠(yuǎn)程診斷功能;硬件高度集成化，采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)之間連接更加簡單;內(nèi)部集成大容量的PLC 系統(tǒng)，而且采用了Profibus 現(xiàn)場總線和MPI 多點(diǎn)接口通信協(xié)議，大大減少了現(xiàn)場布線。

840D 系統(tǒng)保持了三CPU 結(jié)構(gòu):人機(jī)通信CPU(MMC-CPU)、數(shù)字控制CPU(NC-CPU)和可編程邏輯控制器CPU(PLC -CPU)。其中NC -CPU 和PLC-CPU 合為一體，集成在NCU(Numerical Control Unit)中，但在邏輯功能上相互獨(dú)立。NCU 是SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)的控制中心和信息處理中心，數(shù)控系統(tǒng)的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等軌跡運(yùn)算和控制、PLC 系統(tǒng)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算都是由NCU 完成的。MMC-CPU 的主要作用是完成機(jī)床與外界及與PLC-CPU、NC -CPU 之間的通信，內(nèi)帶硬盤，用以存儲(chǔ)系統(tǒng)程序、參數(shù)等，包括操作員面板OP 和機(jī)床操作面板MCP。操作員面板OP 的作用是顯示數(shù)據(jù)及圖形，提供人機(jī)顯示界面;編輯、修改程序及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)軟功能操作;機(jī)床操作面板MCP 的主要作用是完成數(shù)控機(jī)床的各類硬功能鍵的操作。

611D 伺服系統(tǒng)包括I/RF 主電源模塊、各軸控制板和驅(qū)動(dòng)模塊及伺服電動(dòng)機(jī)。主電源模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)整流和電壓提升功能，為驅(qū)動(dòng)模塊提供直流母線電源并為NCU 和各軸控制模塊提供控制電源。

SINUMERIK840D 系統(tǒng)集成的PLC 是S7 - 300 CPU 315 -2DP，通過擴(kuò)展機(jī)架連接I/O 模塊，I/O 模塊、編程軟件和編程方法和普通S7 -300 PLC 的是通用的。

歐陸的590 +系列直流調(diào)速器是一個(gè)具有速度環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)四象限調(diào)速器;文字化設(shè)置、監(jiān)控界面;可以提供電樞電壓控制和勵(lì)磁控制，達(dá)到電樞額定電壓后還可以進(jìn)行弱磁調(diào)速，進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;可以選配模擬測速機(jī)或者編碼器作為速度反饋(本例主軸、V軸、B軸電動(dòng)機(jī)選用的都是模擬測速機(jī)反饋)。調(diào)速器的雙閉環(huán)控制回路，既對(duì)沖擊負(fù)載具有優(yōu)越的性能和響應(yīng)，也有良好的穩(wěn)態(tài)跟隨特性。機(jī)內(nèi)提供的一套自整定(Auto-tune)算法，擁有自動(dòng)調(diào)諧功能，可以自動(dòng)計(jì)算出電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁參數(shù)、電樞參數(shù)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)，這一功能只須在操作鍵上作一個(gè)簡單的操作，大大縮短調(diào)試時(shí)間。

3 方案實(shí)施步驟

(1)根據(jù)方案，設(shè)計(jì)符合機(jī)床要求的全套電氣圖紙(包括電氣原理圖、電柜配線圖、機(jī)床電氣安裝圖、接線圖及電氣設(shè)備明細(xì)表等)，根據(jù)設(shè)備明細(xì)表采購所需數(shù)控系統(tǒng)部件和驅(qū)動(dòng)部件及S7 -300 的I/O 模塊、590 +直流調(diào)速器以及各電氣元件、電線電纜，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖組裝成控制柜和新的操作站。進(jìn)行PLC 程序的初步編制，做好機(jī)床改造的前期準(zhǔn)備工作。

(2)根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)尺寸和原安裝底座進(jìn)行機(jī)床連接部件的零件設(shè)計(jì)和制作，并根據(jù)機(jī)床現(xiàn)有狀況制定機(jī)械改造和維修計(jì)劃。

(3)準(zhǔn)備工作就緒后停機(jī)。機(jī)械檢修，更換舊的電氣元件，更換電線電纜同時(shí)進(jìn)行。用時(shí)約18 天，伺服電動(dòng)機(jī)安裝完畢，元件、電纜更換完成，新操作站安裝固定，敷設(shè)線路工作完成。

表2611D 及590 +直流調(diào)速主要驅(qū)動(dòng)部件

(4)初步調(diào)試、配置840D 數(shù)控系統(tǒng)和611D 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，下載PLC 程序、打點(diǎn)校驗(yàn)線路。確認(rèn)線路無誤后，調(diào)試機(jī)床動(dòng)作和各項(xiàng)聯(lián)鎖互鎖邏輯控制，并根據(jù)實(shí)際情況修改NC 的各項(xiàng)軸參數(shù)和PLC 程序，以達(dá)到最佳狀態(tài)。用時(shí)5 天。

(5)機(jī)床動(dòng)作無誤后，進(jìn)行機(jī)械幾何精度調(diào)整和校驗(yàn)，調(diào)整完畢后用激光干涉儀進(jìn)行測量系統(tǒng)重復(fù)定位的校驗(yàn)，確認(rèn)測量系統(tǒng)重復(fù)定位達(dá)到要求后根據(jù)誤差表修改NC 補(bǔ)償表，然后重新用激光干涉儀校驗(yàn)機(jī)床各軸的重復(fù)定位精度，直到滿足驗(yàn)收條件。用時(shí)4 天。

(6)驗(yàn)收、操作者試加工用時(shí)2 天，工作狀態(tài)良好。改造工作基本完工。

4 結(jié)語

停機(jī)總時(shí)間29 天，提前一天完成改造任務(wù)。合計(jì)費(fèi)用約70 萬元，而一臺(tái)新的機(jī)床需要上千萬元，經(jīng)濟(jì)上是很合理的。

結(jié)合機(jī)床本身?xiàng)l件的使用狀況，根據(jù)使用要求和成本考慮，不同的軸分別采用了數(shù)控進(jìn)給軸、模擬量控制主軸、PLC 控制軸，既滿足了生產(chǎn)需要，提高了效率，又把成本控制在較低的水平。通過近兩個(gè)月的使用效果來看，改造是很成功的。

［1］840D 選型手冊(cè)［Z］.

［2］840D 制造商手冊(cè)［Z］.

［3］840D 調(diào)試手冊(cè)［Z］.

［4］611D 選型手冊(cè)［Z］.

［5］611D 調(diào)試指南［Z］.

［6］S7 -300 編程手冊(cè)［Z］.

［7］590 +用戶手冊(cè)［Z］.