基于CAT—180數控熱旋壓機床的改造

沈立秋　沈湘寧

摘 要：文章以CAT-180熱旋壓數控機床為研究目的，采用西門子840D數控系統，同時，對機床的外圍部件進行改造。機床通過改造后，不僅可以提高穩定性，而且還能降低設備的故障率，這樣提高了企業的生產效益。

關鍵詞：CAT-180數控熱旋壓機床；西門子840D數控系統；改造

1 概述

該機床是19世紀末期從西班牙DENN公司引進的數控熱旋壓機床，主要用于金屬筒形部件（Φ140mm-Φ180mm）的熱旋壓，由于該機床使用時間過長，部分配件老化，使其加工精確度降低，而且存在設備部件復雜、維修成本高等問題。因此為了保證生產，降低維修成本，我們通過對進出料系統、溫度補償等裝置，以及部分電氣系統和機械系統的改造，機床的進出料系統采用氣動式裝置，機床的驅動軸采用SIMODRIVE 611D伺服驅動，從而使設備恢復原貌。

2 機床結構的構成

機床主要包括主軸驅動、液壓系統、進給軸驅動、上下料裝置、潤滑裝置、刀具管理等，由直流電機作為主軸（SP軸），其作為旋轉軸，可分為高速和低速旋轉，并帶電動換擋結構，主軸電機采用原來機床的直流電機，由ABB公司生產的M3AA 250 SMA-4型電機；橫向軸為X軸、縱向軸為Z軸（對著主軸），其中Y軸為虛擬軸，需要適配第三幾何軸。X軸和Z軸的位移檢測元件采用的是絕對值編碼器，通過液壓驅動控制X軸和Z軸的位移量。這樣通過三軸聯動，可以對金屬圓筒部件進行熱旋壓。

3 西門子840D數控系統簡介

西門子840D、SIMODRIVE611D數字驅動和S7-300PLC，用MTS位移傳感器作為位置和速度檢測元件，通過伺服閥控制油缸活塞的位移量，經各信號的相互傳遞，構成全數字閉環控制系統。該系統適于機床各式各樣復雜部件的加工任務，并有其精度高的特點。它由NCU（數控單元）、MMC、PLC等部件構成該數控系統，并用總線相連各部件來完成信號的傳輸任務。

3.1 NCU控制模塊

NCU單元是西門子840D數控系統中的中央控制單元，它為系統的核心，負責處理CNC的一切功能及機床的控制，它與611D伺服驅動的總線連接，用來接收數控指令并向系統提供信號反饋；NC和S7-300PLC內的CPU都一起集成在NCU模塊中，與MMC、主軸驅動、伺服驅動等連接。

3.2 人機界面

它是MMC和OP建立的西門子840D與操作者互相交互的界面，是執行NC數據的輸入以及數據的顯示，其中OP單元，帶有10.4寸的TFT顯示屏、NC鍵盤；MMC是一臺小型計算機，并帶獨立的CPU、硬盤和軟驅，其中PCU是為操作面板匹配而設計的MMC模塊，該機床為PCU50，并配有高級HMI，同時帶有WINDOWS NT4.0，用于人機可視化交互，如編程、診斷等功能；其中MCP是數控操作臺上有用戶自定義功能按鍵的操作面板，通過MP總線連接各模塊，主要控制機床的相關動作、主軸以及進給軸。

3.3 PLC控制模塊

PLC模塊是NCU的子模塊，由電源模塊（PS）和接口模塊（IM）以及信號模塊（SM）等組成，用于機床的控制與監控。其中電源模塊（PS）是PLC和NC的供應電源；接口模塊（IM）是用在不同等級的互連；信號模塊（SM）有DI型（SM321）、DI/DO型（SM323）、DO型（SM322）等。其中西門子公司提供的840dtoolbox包含有機床的部分程序，安裝下載后可實現主軸的旋轉以及X軸和Z軸的控制，還可以增加用戶自定義的程序來實現液壓、氣動、潤滑、冷卻等輔助控制，這些功能需要在SIMATIC Manager軟件上編程才能實現。

4 機床設計

4.1 進給驅動控制原理

該機床系統是全閉環控制系統，采用MTS磁制伸縮式位移傳感器，為其提供位置反饋和速度反饋，其輸出為絕對數值SSI數字輸出，有著控制精度高，信號不漂移及變值的特點；在伺服油缸中裝有浮動永磁磁環，當磁環移動時上下感測到的位移即為活塞的位移。當CNC發出指令時，信號通過NCU各總線傳遞給伺服驅動系統，當位移傳感器檢測的位置不在指令發出的位置時，它通過位置控制電路輸出±10V的電壓信號，傳送到伺服編碼器使能端（D和E端），控制液壓缸活塞的位移量，同時，位移傳感器輸出0-10V的速度信號，反饋給機床，位移傳感器發出的位置和速度反饋信號傳輸到系統后，對伺服閥作出相應的位置和速度調整，從而對進給軸的位移和速度實現精確控制，并在人機界面中顯示出來；當位置傳感器檢測到CNC給出的指令一致時，位置控制電路系統停止發出±10V電壓信號，從而進給軸停止。如圖1。

4.2 主軸控制原理

主軸采用是原來的主軸驅動直流電機。CNC中發出的速度S指令，由指定的速度值決定，其速度還可以通過主軸倍率開關進行轉換。當信號經過PLC時，對S碼進行譯碼出來，再經模擬輸出轉換為十六位數的整數，然后送給數模轉換模塊，轉換為需要的數字信號，并輸出±10V的電壓信號傳遞給主軸驅動系統，控制其轉速，如圖2所示。

4.3 上下料裝置的改進

為了安全，降低成本，操作簡單，我們采用氣缸作為上下料裝置，首先把金屬圓筒經過中頻加熱到一定的溫度后，把加熱好的料進入旋壓機加工時，用小車把料推向旋輪底部，再用頂料氣缸把料推向旋壓機卡爪內，通過卡爪夾緊、加熱補償，主軸旋轉，進行熱旋壓；完成后，出料時，首先出料氣缸把小車推向出料口，卡爪松開后，頂料桿把金屬成形圓筒推出到小車上，推出來后，小車再慢慢退回到出料的初始位置，進行自動下料，從而實現上料和下料的全部過程。圖3為上下料裝置。

5 機床調試

5.1 PLC程序設計

機床的外部動作由MCP操作面板的用戶自定義區域在PLC中設定地址，其主軸和X軸、Z軸也在MCP控制面板上。通過線路檢查合理后方可試車，調試時，首先對系統的PLC程序及NCK數據總清，PLC程序才能調試。通過安裝840dtoolbox后，打開s7-300軟件就能打開gp8x0d65這個文件夾的程序，下載到CPU中，然后對FC功能塊進行調試，下載成功后，MCP上的燈不再閃爍，同時對機床的各軸參數進行修改后，各軸就可以正常工作，同時還需對機床數據以及PLC數據備份。通過PLC的編程，能夠對系統的各種信號進行處理，與對軸的定位控制以及外圍的控制。

5.2 報警文本制作

當機床發生故障時，顯示屏上會提示故障信息及故障代碼，同時，機床可能停止工作，以提醒操作者采取適當的措施去處理該機床，為機床的維護提供了便利。報警由系統報警、用戶報警組成，其中系統報警是機床在出廠前已經編輯好的報警文本，這些報警的代碼可以通過《西門子840D診斷手冊》查閱該報警的具體問題及解決措施。

用戶報警文本制作：

在制作用戶報警時，首先要在MBDDE.INI文本中進行相關設置，同時還需要具備三個條件才能實現：

（1）PLC程序處理相應報警信號

用戶自定義報警共有25組號碼，每一組有64個號碼與之對應，如DB2.DBX184.3對應的報警號為700035，如圖4。在編寫PLC程序時，要對該機床的報警編寫合適的報警號，以便出現故障時查驗。為實現報警，還需觸發相應的報警信號在NC設置的激活動作。

（2）在程序OB1中需調用FC10

該機床發出的報警幫助信息則由NC自動處理，但出廠時設置的機床報警及操作信息經接口信號傳送到DB2進行處理，這些信號再通過功能塊FC10經PLC傳遞給MMC和NC，并且在MMC上顯示報警信息和故障代碼。當機床報警信號由0變為1時，報警信息在MMC上立刻顯示，由1變到0時，只要操作者按下復位鍵，系統及時復位，報警代碼消失，如圖5所示。

（3）編好報警文本并傳入系統

當我們需要編寫英文報警文本時，需在MMC中的Microsoft的Dos環境中的ASCⅡ編輯器中編寫，但編寫中文報警文本時，必須通過個人電腦安裝的winpcin軟件編寫中文報警信息并把MYPLC-CH.COM文件傳輸到mb.dir文件中才能實現該報警。

6 結束語

該機床通過改造后運行比較穩定，功能強大，程序設計簡單，維護方便，加工精確度得到提高，降低了設備維修成本，提高了設備利用率。

參考文獻

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作者簡介：沈立秋（1987-），男，學士，助理工程師，主要從事機械設備電氣方面的安裝、調試、改造和維護工作。