C5225立式車床數控化改造

張朝陽，晏曉峰，郭杰，許淵，耿玲，申明付

（1.洛陽中重設備工程工具有限責任公司，河南洛陽471000 2.中信重工機械股份有限公司，河南洛陽471000）

C5225立式車床數控化改造

張朝陽1，晏曉峰1，郭杰1，許淵2，耿玲2，申明付2

（1.洛陽中重設備工程工具有限責任公司，河南洛陽471000 2.中信重工機械股份有限公司，河南洛陽471000）

C5225立式車床在保留右刀架機械結構和手動操作功能不變的基礎上，用SINUMERIK 828D數控系統和S120驅動系統完成對左刀架進給軸的半閉環控制，使其能夠聯動，完成復雜零件的加工。

C5225；SINUMERIK828D；S120驅動系統；數控改造

1 C5225立式車床概況

C5225立式車床自1973年出廠至今，已使用近40多年。隨著市場和產品的變化，C5225立車的功能已不能滿足公司要求。主要表現：機床精度較差，機床使用期間從未進行過大修，只能完成產品的粗加工工序；機床的加工范圍小，刀架系統的進給軸只能互相切換，不能聯動，無法完成具有復雜曲面零件的加工；機床故障率高，機床一直處于超負荷運轉狀態，電控系統故障頻繁，維修困難，造成機床長時間停機維修，嚴重影響生產效率；機床的適應性差，對不同零件的加工，需要先設計工裝刀具設備，增加了生產成本。

2 C5225立式車床改造要求

為滿足公司的生產需求，加工具有復雜曲面的產品，改后造的C5225立車必須達到6項要求。

（1）更換電氣控制系統，全面提高機床性能和穩定性。

（2）實現刀架兩個進給軸的聯動，使其具備直線插補和圓弧插補的功能，滿足公司的加工需求。

（3）利用數控系統的模擬主軸功能，在NC系統中通過編程控制機床主軸。

（4）保留一個刀架用于常規加工或者備用。

（5）降低設備故障率，便于維護管理。

（6）增加Mini手持單元，使得對刀操作更加方便。

3 C5225立式車床數控化改造方案

20接口，又從MCP483的X21接口連到PP72/48 D PN模塊的Port接口，這樣828D PPU就可以和MCP、PP模塊進行通信。

根據C5225立式車床的情況和改造要求，提出改造方案。保留右刀架的機械結構和手動操作功能不變，用SINUMERIK 828D數控系統對左刀架的兩個進給軸進行半閉環控制，使其可以進行聯動，并且增加變頻器實現主軸安全可靠的控制。

3.1 左刀架控制部分

將C5225立式車床左刀架的走刀箱拆除，各軸采用電機通過行星減速器與絲杠直連的方式進行設計，并更換新的滾珠絲杠。數控系統采用SINUMERIK 828D，左刀架Z軸和X軸進給伺服驅動系統采用SINAMICS S120驅動系統和1FK7系列交流伺服電機。數控系統和驅動系統的產品見表1。

數控系統SINUMERIK 828D不僅需要和MCP模塊、PP72/ 48D PN模塊通信，還需要和S120驅動系統連接起來，連接方式見圖1。通信線從828D的Profinet接口PN1連到MCP483的X

表1 數控系統的組成部件

圖1 SINUMERIK 828D的拓撲結構圖

10 kW的電源模塊SLM是沒有DRIVE_CLIQ接口的，所以828D與S120的連接是從PPU的X100接口直接到DMM的X 200接口，Z軸和X軸電機內置的編碼器連接到DMM的X202、X203接口（圖1）。

3.2 主軸控制部分

C5225立式車床的原主電機為三相交流電機，啟動方式為星/三角啟動，制動方式為能耗制動。工作臺共有16擋，通過機械齒輪傳動進行變擋，而且主軸的操作集成在懸掛面板上。為了使主軸的控制更加方便快捷、安全可靠，增加變頻器控制主軸，并且將機械擋位變為4擋，通過變頻器實現主軸在擋位上的無極調速。主軸的操作既可以在懸掛面板上，也可以在MCP面板上。

SINUMERIK 828D數控系統還提供了模擬主軸的功能，即不僅可以手動控制主軸，還可以在NC系統中通過編程指令控制主軸。在手動模式下，可以通過懸掛面板和MCP面板來控制主軸的正轉、反轉、加速、減速、正點、反點和停止。主軸變擋按鈕是在MCP面板上。在編程模式下，可以通過變擋指令和運動指令來實現主軸的變擋控制和運動控制。828D還提供了主軸擋位顯示功能，無論是手動變擋還是編程變擋，都可以在HMI上顯示目前主軸所在的擋位。

C5225立式車床主軸的變頻器連接見圖2。L1為輸入交流電抗器。可以防止電網高壓輸入而損壞整流部分元器件。S1-S8是開關量輸入端子，通過功能碼設置S1-S8的功能來控制主軸的運動。AI1與GND為模擬量輸入接口，與828D PPU的X252. 1和X252.2腳連接起來，可以實現模擬主軸功能。RO1和RO2為繼電器輸出點，連接兩個中間繼電器，通過功能碼設置中間繼電器指示為變頻器準備好與變頻器過載報警。

圖2 C5225立式車床主軸變頻器的連接示意

4 C5225立式車床的調試

機床通電調試之前，要檢查DC 24 V回路有無短路，驅動器進線電源模塊與電機模塊的直流母線連接是否可靠，DRIVE CLiQ電纜和PROFINET電纜連接是否正確。一切正常之后，機床方可通電。

4.1 驅動系統的調試

828D數控系統上電之后，首先要進行系統的初始設定。在確保PLC控制程序所有的安全功能全部準確無誤后，開始調試驅動。驅動的調試包括配置驅動和分配軸：在HMI上通過MENU→調試→驅動系統→驅動設備進入驅動配置界面，按“確認”鍵開始配置驅動；必須用Startup-tool軟件來進行軸分配，打開Startup-tool軟件，點擊“Drive system”→“Drives”，按照提示就可以完成軸的分配。分配軸的過程中一定要注意各個軸的配置選擇，正確選擇各個軸的電機是否帶抱閘。

4.2 系統的軸控制使能鏈

系統的軸控制使能鏈就是指系統各部分上電順序的先后。SINUMERIK 828D和S120驅動系統上電的第一步是給電源模塊加EP使能，即電源模塊SLM上的X21.3給入24 V。間隔100 ms后，可以加OFF1使能，即PPU的X122.1給入24 V。OFF1使能加上后，可以加OFF3使能，即PPU的X122.2給入24 V；加OFF3的同時可以給各軸加脈沖使能和控制使能，即PLC接口地址DB380x.DBX4001.7和DB380x.DBx2.1=1。

按下急停開關時，首先應該斷掉OFF3，待所有軸出現靜止信號（PLC：DB390x.DBX1.4）時，可以同時斷開OFF1、脈沖使能和控制使能，OFF1斷開后延時100ms斷開EP使能。可以通過828D PPU上的按鍵“MENU”→“診斷”→“〉”→“軸診斷”來查看系統各部分的使能是否已加上。

4.3 機床參數的設置

驅動配置之后，還有一些與機械相關的機床數據需要自行設定。只有設定這些參數之后，才可以在NC系統中控制左刀架的進給軸和主軸。需自行設定的參數見表2。

表2 自行設定的機床參數

4.4 PLC程序的調試

C5225立式車床的輸入輸出模塊是采用西門子的PP72/ 48D PN模塊，該模塊提供72個輸入點和48個輸出點。C5225立式車床左刀架的運動是由數控系統控制的，無需PLC編程控制。而MCP面板、急停、手持單元的程序都是從828D子程序庫中調用。油泵電機、橫梁電機、右刀架快速電機、進給電機、主電機的控制程序以及報警文本程序需自己編制。

5 改造效果

C5225立式車床改造之后，電氣控制系統運轉正常，左刀架的Z軸和X軸可以聯動，可以加工球面瓦等類似的工件，而且電控系統穩定，無故障發生，可以實現9項功能，達到了數控化改造的預期目標。

（1）左刀架的進給軸X軸和Z軸可以實現聯動，具備直線插補和圓弧插補的功能，可以加工具有復雜曲面的零件。

（2）可以用Mini手持單元控制左刀架的進給軸，使得操作者手動操作更加靈活，對刀變得更加容易。

（3）保留了右刀架的功能，可以作為常規加工使用或備用。

（4）增加變頻器控制主軸，使得主軸的控制更加安全可靠，而且可以實現主軸在擋位上的無極調速。

（5）主軸的操作更加方便，既可以在懸掛面板操作，也可以在MCP面板上操作。

（6）可以在HMI上看到主軸的擋位顯示。

（7）增加了模擬主軸的功能，可以通過編程指令實現主軸的自動換擋和運動控制。

（8）在HMI上創建了報警文本，可以方便快速的發現機床故障，縮短了故障排除時間。

（9）在機床左刀架安裝精密行程開關，使機床運行更加安全可靠。

〔編輯 利文〕

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10.16621/j.cnki.issn.1001-0599.2017.02.34