基于840D數(shù)控系統(tǒng)的旋壓機(jī)床改造

張玉萍，辛世界

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049)

此次改造的對(duì)象是一臺(tái)三旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)床，此機(jī)床是20世紀(jì)90年代從德國(guó)引進(jìn)的，由于使用時(shí)間長(zhǎng)，許多電子器件嚴(yán)重老化，數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等運(yùn)行穩(wěn)定性差，故障率高。但許多器件早已淘汰，購(gòu)買困難，機(jī)床不易維修。此旋壓機(jī)床的主體仍然保持著較高的機(jī)械精度，液壓、潤(rùn)滑、冷卻等輔助控制系統(tǒng)功能良好，仍然有很高的利用價(jià)值。加之旋壓機(jī)床價(jià)值昂貴，所以對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造勢(shì)在必行。為此，作者采用西門子高檔的SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)、SIMODRIVE 611D 全數(shù)字化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及SIMATIC S7-300 系列中檔PLC 對(duì)此旋壓機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行升級(jí)換代，使這臺(tái)使用多年的老設(shè)備重新煥發(fā)了青春［1］。

840D 數(shù)控系統(tǒng)與611D 全數(shù)字化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和SIMATIC S7-300 系列PLC 構(gòu)成的全數(shù)字控制系統(tǒng)，能適用于各種復(fù)雜加工任務(wù)的控制，具有優(yōu)于其他系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和控制精度，適合于臥式加工中心、數(shù)字化機(jī)床及其他專用機(jī)床改造的要求。

1 機(jī)床簡(jiǎn)介

該旋壓機(jī)床是用于金屬筒形件旋壓的專用機(jī)床，由直流主軸單元(S 軸)、縱向進(jìn)給軸(A 軸)、橫向進(jìn)給軸(X、Y、Z 軸)組成，通過四軸聯(lián)動(dòng)，可進(jìn)行金屬材料旋壓。1 個(gè)主軸，芯模旋轉(zhuǎn)。主軸轉(zhuǎn)速分高、低兩擋，帶電動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)。機(jī)床主傳動(dòng)采用直流主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2 個(gè)縱向進(jìn)給軸(A1軸和A2軸)，主軸箱進(jìn)給，2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)各帶1 根絲杠并聯(lián)驅(qū)動(dòng)A 軸。3 個(gè)橫向進(jìn)給軸(X、Y、Z 軸)，旋壓輪進(jìn)給，呈120°分布在一個(gè)平面上，Z 軸在頂部垂直位置。X、Y、Z 軸采用具有絕對(duì)值編碼器的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2 數(shù)控系統(tǒng)組成

840D 是西門子公司20世紀(jì)90年代推出的數(shù)字化的高性能數(shù)控系統(tǒng)，具有高度模塊化及規(guī)范化的結(jié)構(gòu)，840D 數(shù)控系統(tǒng)由NCU 模塊、MMC 模塊、PLC 模塊三部分組成。三部分在功能上既相互分工，又互為支持。它在復(fù)雜的系統(tǒng)平臺(tái)上，通過系統(tǒng)設(shè)定而適于各種控制技術(shù)［2－3］。

2.1 NCU 數(shù)字模塊

840D 的數(shù)控單元稱作NCU，NCU 單元集成了840D 的NC-CPU 和PLC-CPU，包括相應(yīng)的數(shù)控軟件和PLC 控制軟件，它還帶有MPI 或Profibus 總線接口、RS232 接口、手輪及測(cè)量接口等。根據(jù)系統(tǒng)功能配置的要求，作者選擇了NCU571.5。NCU 571.5 最多可提供6 根進(jìn)給軸、2 個(gè)加工通道，可滿足旋壓機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的需求。

2.2 MMC 模塊

MMC 人機(jī)通訊模塊是數(shù)控系統(tǒng)和人進(jìn)行交流的通道，包括三部分:OP 操作面板，MMC 計(jì)算機(jī)和MCP 機(jī)床控制面板。

2.2.1 OP 操作面板

操作面板OP 帶有10.4" TFT 彩色顯示屏，并配備鍵盤，可以顯示數(shù)據(jù)和圖形，提供人機(jī)界面，并進(jìn)行各項(xiàng)軟功能鍵操作。

2.2.2 MMC 計(jì)算機(jī)

西門子常用的MMC 有MMC100.2 和MMC103，對(duì)于西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)配MMC103。中央處理單元PCU50 集成在OP 單元內(nèi)，與MMC103 對(duì)應(yīng)，帶硬盤和軟驅(qū)，主要完成機(jī)床與外界及與PLC-CPU、NC-CPU之間的通信。PCU50 是基于Windows 的軟件系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上可以完成數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)置、組態(tài)和操作，并且可以在此基礎(chǔ)上編制加工程序，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)功能。

2.2.3 MCP 機(jī)床控制面板

MCP 是西門子專為數(shù)控機(jī)床配置的19 英寸標(biāo)準(zhǔn)操作面板，自帶用戶自定義按鍵。機(jī)床控制面板用來進(jìn)行機(jī)床的相關(guān)操作，主要應(yīng)用于系統(tǒng)的主軸控制和進(jìn)給控制功能。

2.3 PLC 模塊

PLC 模塊是實(shí)現(xiàn)PLC 與機(jī)床外設(shè)信息交換的端口。同一導(dǎo)軌上從左到右依次是電源(PS)、接口模塊(IM)及信號(hào)模塊(SM)。電源模塊為PLC 和NC單元提供+24 V 和+5 V 電源;接口模塊用于級(jí)之間互聯(lián)，最多4 級(jí);信號(hào)模塊用于機(jī)床PLC 輸入與輸出，輸入型為SM321，輸出型為SM322，最多8 個(gè)SM 模塊。

西門子公司提供的工具盒中包含有基本PLC 程序，可完成機(jī)床啟停、伺服啟用、主軸控制等一些基本操作，其輸入/輸出接口是固定的，用戶只能使用不能更改。可在其基礎(chǔ)上開發(fā)新的用戶程序，來實(shí)現(xiàn)工件夾緊松開、潤(rùn)滑、冷卻、液壓等輔助功能。PLC在STEP-7 軟件平臺(tái)上進(jìn)行編程。

3 機(jī)床改造設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)采用840D 數(shù)控系統(tǒng)。進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器采用西門子611D 交流驅(qū)動(dòng)裝置，電機(jī)采用西門子1FT6系列交流伺服電機(jī);主軸驅(qū)動(dòng)采用西門子直流驅(qū)動(dòng)裝置6RA70，電機(jī)使用西門子直流電機(jī)，主軸控制使用ANA 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換來控制主軸轉(zhuǎn)速。多功能MINI 手持單元使得設(shè)備的可控性更加靈活。輸入輸出接口使用S7-300 系列PLC 實(shí)現(xiàn)邏輯控制。改造后的系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件配置圖

3.1 進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)使用1FT6 系列進(jìn)給伺服電機(jī)，該電機(jī)轉(zhuǎn)矩大、體積小，控制靈活，精度高。其內(nèi)裝位置反饋編碼器和速度反饋編碼器，配有專業(yè)編碼器連接電纜。使用方面，西門子611D 數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)總線與NCU 相連，接收數(shù)控系統(tǒng)的指令信號(hào)并向數(shù)控系統(tǒng)提供各種反饋信號(hào)。驅(qū)動(dòng)控制模塊和驅(qū)動(dòng)功率模塊一起構(gòu)成位置、速度、電流的閉環(huán)控制，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的運(yùn)行，電可以用來實(shí)現(xiàn)高精度的位置和速度控制(定位精度可以達(dá)到1 μm)。

3.1.1 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

旋壓機(jī)的橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用全閉環(huán)的控制系統(tǒng)［4］，由伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換電路、電流調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)、位置調(diào)節(jié)單元及相應(yīng)的檢測(cè)裝置等組成。611D 驅(qū)動(dòng)橫向進(jìn)給系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，其中，位置調(diào)節(jié)器是數(shù)字比例調(diào)節(jié)器，速度和電流調(diào)節(jié)器是數(shù)字比例積分調(diào)節(jié)器;速度檢測(cè)裝置使用伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)置增量式編碼器，位置檢測(cè)使用光柵尺。

圖2 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理圖

3.1.2 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)床縱向進(jìn)給傳動(dòng)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要解決兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的同步問題［5］。通過對(duì)多種常用的同步驅(qū)動(dòng)方式的分析，作者采用主從控制方法，通過速度調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的同步。控制單元同時(shí)向主從控制回路發(fā)出指令，通過檢測(cè)兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差，將偏差值作為速度補(bǔ)償信號(hào)反饋給從電機(jī)，改變從電機(jī)的輸入，從而與主電機(jī)保持速度同步;電流給定信號(hào)與電流反饋信號(hào)比較后輸入電流調(diào)節(jié)器，同時(shí)加入兩電機(jī)電流差調(diào)節(jié)信號(hào)，來調(diào)節(jié)電機(jī)電流，從而實(shí)現(xiàn)平衡兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩的作用。此方法可以有效解決電機(jī)進(jìn)給方向上的由于外界干擾、系統(tǒng)參數(shù)變化等因素造成的同步控制問題，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性同步運(yùn)轉(zhuǎn)。雙機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理如圖3所示。

圖3 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理圖

3.2 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從成本考慮，保留原主軸電機(jī)，主軸驅(qū)動(dòng)采用西門子6RA70 系列直流調(diào)速裝置。新的主軸驅(qū)動(dòng)裝置6RA70 只接受模擬控制信號(hào)，而新的數(shù)控系統(tǒng)840D只能提供數(shù)字信號(hào)，因此采用ANA 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換來控制主軸轉(zhuǎn)速，ANA 模塊將840D 輸出的數(shù)字調(diào)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成±10 V 模擬信號(hào)提供給6RA70［6］。主軸控制原理如圖4所示。

圖4 主軸控制原理框圖

主軸上安裝一個(gè)編碼器既做速度反饋又做位置反饋，位置反饋給ANA 并通過總線反饋給840D，速度反饋給6RA70。因主軸編碼器信號(hào)為1Vpp 信號(hào)，而與6RA70 相匹配的編碼器信號(hào)為TTL 信號(hào)，因此，使用主軸編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換器將正弦1Vpp 信號(hào)轉(zhuǎn)化成TTL 信號(hào)送給6RA70。

4 調(diào)試及改造結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試的主要步驟如下:

(1)按照840D 系統(tǒng)的硬件連接說明書和設(shè)計(jì)的電氣原理圖完成硬件安裝，然后對(duì)CNC 系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)機(jī)床的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、通道數(shù)據(jù)等進(jìn)行配置。

(2)伺服系統(tǒng)的調(diào)試。對(duì)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使控制性能達(dá)到最優(yōu)。

(3)上電調(diào)試。西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)輸入電壓為24 V，伺服系統(tǒng)輸入電壓為AC 220 V。確認(rèn)數(shù)控系統(tǒng)各器件的連線正確后接通電源，進(jìn)行調(diào)試。

改造后，機(jī)床所達(dá)到的參數(shù)指標(biāo)為:

主軸轉(zhuǎn)速范圍:80 ～450 ～920 r/min;

縱向進(jìn)給速度:0 ～1 500 mm/min;縱向快移速度:最大7.5 m/min;

橫向進(jìn)給速度:0 ～1 500 mm/min;橫向快移速度:最大4 m/min;

縱向進(jìn)給力:最大480 kN;

每個(gè)旋壓輪的徑向進(jìn)給力:最大320 kN。

改造后，旋壓機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，增加了機(jī)床的可靠性，減少了故障時(shí)間，系統(tǒng)易維護(hù)，生產(chǎn)效率大大提高。事實(shí)證明:舊機(jī)床改造不僅實(shí)用性能好，而且周期短，還可以節(jié)省大量資金。840D數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)床改造領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。

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