數控機床改造與分析

王曉璐++山曉媛

摘 要：通過對普通機床進行數字化改造，實現了以低成本來實現提高生產效率的目的。本文在對普通機床改造的過程中控制系統采用西門子SINUMERIK 810D數控系統，伺服驅動系統采用了SIMODRIVE 611D模塊和1FK7系列伺服電機，在伺服電機與主軸之間安裝減速器和機械傳動裝置從而達到大減速比的要求，實現了系統C軸的精確分度功能。對其他機床的改造具有一定的意義。

關鍵詞：SINUMERIK 810D；C軸；精確分度

1.供電部分改造

1.1.系統供電

在改造中，對機床采用交流三相380V電源供電，原電磁離合器則由單獨的開關電源供電（DC24V），PLC電源由單獨的開關電源供電（DC24V），液壓電磁閥電源由單獨的變壓供電（AC220v），電器控制回路電源由單獨的變壓供電（ACllOV）照明及電源指示電源由單獨的變壓供電（AC36V及6.3V），機床的所有操作元件如液壓啟動開關、方向選擇開關、系統顯示器和所有按鈕都集中在懸掛式活動按鈕站上。按鈕站上設有電源指示燈。所有電氣控制元件除與機械運動部件相關的行程和到位開關外，全部分別安裝在主傳動柜內。主軸電機是由45kw交流三相異步電動機拖動，由三個機械手柄控制不同齒輪換檔實現變速功能。機床的分度功能由西門子SINUMERIK 810D數控系統控制，通過SIMODRIVE611D伺服驅動系統控制1KF7系列交流伺服電動機，經減速機構帶動卡盤旋轉來實現此功能。

1.2主軸C軸驅動功能

機床主軸的C軸分度功能是由810D系統控制，由1FK7系列伺服電機通過大減速比機械環節拖動，在主軸上安裝ERAl80型圓光柵進行分度值反饋，從而達到全閉環、精確的主軸C軸分度功能。

1.2.1主軸C軸的非使能狀態

（1）手柄在1：4和1：1之間空檔位置，“C軸嚙合”指示燈亮，“使能”指示燈不亮。C軸鎖緊，托板可以快速移動。若主電機轉動，可實現托板進給功能。C軸的位置精度由液壓夾緊系統保證。

（2）在原機床主電機停止時，將變速手柄C移至1：4和1：1空擋處；接近開關檢測到信號送PLC。若變速手柄C已經在1：4和1：1空擋處，可不停止主電機，直接進入下一步。

（3）“使能”指示燈不亮，按下操作面板上的“C軸嚙合”按鈕；PLC控制液壓電磁鐵2DT吸合；離合器油缸動作使離合器齒輪嚙合，齒輪脫開接近開關輸出低電平，齒輪嚙合后，齒輪嚙合接近開關輸出高電平，PLC控制液壓電磁鐵斷電；“C軸嚙合”指示燈亮（若“C軸嚙合"指示燈按下時亮松開不亮，說明離合器齒輪沒有嚙合到位，可使用點動按鈕使主軸轉動后，再反向點動一下以保證齒輪完全嚙合，此時，“C軸嚙合"指示燈應該亮）。液壓夾緊電磁鐵3DT吸合，盤式夾緊裝置使C軸夾緊。此時為C軸非使能狀態。在此狀態可以使用托板和尾座快速功能。如果主電機轉動則可以使用托板的進給功能。

1.2.2主軸C軸的使能狀態

按下“使能”按鈕，“使能"指示燈亮，液壓盤式夾緊裝置松開。若機床零點已經確定，機床進入C軸使能狀態。C軸的位置精度由伺服系統保證。此時，可通過程序（程序運行、MDI方式）、點動（點動狀態下，按下C+或C-）或使用手輪（手輪方式下，轉動手輪可以精確控制C軸的運行位置）操作C軸。“進給速度”選擇旋鈕可控制C軸的運行速度。在此狀態不可以使用托板和尾座的快速和進給功能。

1.2.3回零操作

機床斷電后的第一次使用前必須回零。在C軸使能狀態下，點按“回零”按鈕，點按“C+”按鍵，回零動作開始。首先主軸正向運動，靠近回零參考點，到達回零參考點后，慢速反向尋找圓光柵零點，大約轉動15度找到零點。若提示零點未找到，可按一下“Reset”鍵消除報警提示后，再次執行回零操作。

1.2.4安全保護

為防止C軸和原主軸系統的干擾，設置3個位置保護接近開關。分別安裝在離合器齒輪的離開、嚙合位置和主軸變速手柄C的1：4和1：l的空檔位置。在PLC內部設定主電機和伺服電機使能互鎖。如圖1.1所示。

2.系統工作原理與810D的面板設計

在保留原機床的功能之下，增加了主軸C軸的分度功能。使得機床可以在正常狀態下和C軸分度狀態下自由切換，并且保證了托扳和尾座的快速移動和進給功能。

2.1操作及工作原理

2.1.1系統上電

（1）接通主電源：首先合上電氣控制柜的總空氣開關。控制柜電源指示燈亮。

（2）啟動810D系統：按操作面板上的“系統啟動”按鈕，“機床有電"指示燈亮，（顯示屏進入主界面），810D數控系統啟動成功。

（3）啟動液壓系統：旋轉操作面板上的“液壓啟停”開關至啟動位置（如果液壓系統不工作或液壓系統工作不正常，其它功能均不能實現）。檢查液壓系統壓力，系統正常工作壓力為2Mpar。

2.1.2主電機啟動及點動

（1）主電機啟動操作：主電機有兩種運行方式，即工作運行和點動運行。工作運行有正、反常車。點車運行是為了裝工件，工件調整和對刀調整等，因此設有正點動按鈕、反點動按鈕。

（2）原普通機床功能：主電機正轉起動主軸旋轉，實現原普通機床功能。進入原普通機床功能。具體步驟如下：

將主軸C變速手柄移動至任意檔位（不能停在1：4和1：l之間位置），接近開關不發出信號，PLC控制液壓離合器松開電磁鐵，油缸推動離合器使齒輪脫開（C軸電機和主軸脫離），“C軸嚙合”指示燈亮。此時，可以使用原機床的各項進給及主軸功能

2.1.3快速及進給電氣傳動控制

（1）托扳、滑板移動方向及其選擇：機床托扳裝有左、右、前、后快速移動或進給的離合器。控制托板快速或走刀。其方向由面板上的“方向選擇開關”來選擇。其動力由快速電機和走刀電機分別拖動。

（2）托扳、滑板工作制及其選擇：托扳、滑板的工作方式分為快速和進給。工作狀態由方向選擇開關選擇。

2.2 810D面板設計

西門子SINUMERIK 810D屬于緊湊型的數控系統，它將顯示屏集成在MMC當中，MCP面板包括了手輪、鍵盤。在安裝過程中西門子公司給出了標準的安裝尺寸和模式。我們設計了機床主軸以及電機的控制面板，完成安裝后的810D控制面板圖如圖2.1所示。

結論

電氣部分的改造主要是安裝810D系統（其中包括伺服驅動系統、電氣柜和810D面板的設計）、主軸C軸功能的定義以及驅動。通過整體改造在保留機床原有機械加工功能的基礎上，實現了主軸C軸的精確分度功能，提高了機床的加工精度和效率，擴大該系統的適用范圍，實現了高可靠性和高柔性加工。

參考文獻

[1]俞眉芳.自動控制原理與系統.北京：高等教育出版社，2007，7-11.

[2]胡壽松.自動控制原理.北京：科學出版社，2005，11～192.