基于西門子828D的數控車床系統裝調維修實訓裝置的開發

吳云艷，黃東榮

（廣西機電技師學院，廣西 柳州545005）

0 引言

我國經濟發展已由高速增長階段轉向高質量發展階段，推進中國制造2025，實現新舊動力轉換，都必須以全面提高勞動者素質為根本。高素質復合型人才是創新驅動發展、建設制造強國的有生力量，高水平產業要依托高質量技術工人打造。在中國制造業隨著數控技術在社會生產中的普及，數控機床維修人才成為目前市場迫切需求的一類專業人才，數控維修技術是一門綜合性較強的工科技術，經過大量的社會調研，企業使用德國的西門子系統數控設備占大部分。數控維修教學對實訓設備的要求較高，設備功能更新換代較快。我院目前沒有西門子系統數控維修設備，單獨整套購買較為昂貴，且不一定完全適用于教學。所以，開發具有一定代表性和較高實用性并且適合我院教學的西門子828D系統數維實訓裝置勢在必行。

1 方案設計

該實訓裝置是以國際知名的西門子數控系統為技術平臺開發研制而成，具有一定的代表性和較高的實用性，其硬件電路故障檢測與維修教學功能，填補了國內數控機床維修專業實訓教學設備的空白，對培養實用型高級工、技師、高級技師等高技能人才，滿足專業實訓教學要求將發揮重要作用。

主要購買的西門子設備詳見表1。

表1 西門子系統數維實訓工作臺主要設備參數表

設計實訓教學裝置能達到的功能有：數字控制器、主軸變頻器、交流伺服驅動器硬件電路故障檢測與維修；機床控制電路、電動刀架控制電路故障檢測與維修；數控機床電路連接練習；數字控制器、變頻器、交流伺服驅動器參數調試，計算機網絡與數字控制器連接功能調試；加工程序編制、程序傳輸、參數傳輸練習。如圖1所示為實訓教學裝置的總體結構圖。

圖1 828D的數控車床系統裝調維修實訓裝置總體結構圖

開發西門子828D系統數控車床裝調維修實訓裝置，主要包括三個部分內容：其一，西門子828D系統數控車床裝調維修實訓臺架的制作；其二，西門子828D系統數控車床裝調維修實訓臺的整體布局（如圖2所示）；其三，完成西門子828D系統數控車床裝調維修實訓裝置的安裝調試。

圖2 實訓臺整體布局

設備電氣原理圖如圖3。

圖3 設備電氣原理圖

選用西門子828D數控系統作為數字控制器，主軸電動機采用三相交流電動機，配以與之配套使用的變頻器，可實現無級調速。伺服驅動系統采用與西門子828D配套的S120伺服驅動單元及交流伺服電動機，由于伺服電動機內配有編碼器，X軸、Z軸可構成半閉環控制，從而提高了控制精度，編寫PLC程序。

該實訓設備的整體設計主要解決了維修實操教學、編程設計、模擬仿真以及安裝調試。它將構建成集維修操作、編程設計、模擬仿真以及安裝調試四位一體的流程式實訓環境。

2 系統設計

西門子系統實裝訓置主要是由車床數字控制器、變頻主軸控制模塊、進給軸交流伺服控制模塊、電動刀架控制模塊、冷卻控制模塊等五個模塊組成。

2.1 車床數字控制器

車床數字控制器是基于面板的西門子828D是一款緊湊型數控系統，集CNC，PLC，操作界面以及軸控制功能于一體，通過Drive-CLiQ總線與全數字驅動SINAMICSS120實現高速可靠通訊，PLC I/O模塊通過PROFINET連接，可自動識別，無需額外配置。大量高檔的數控功能和豐富、靈活的工件編程方法使它可以自如地應用于世界各地的各種加工場合。如圖4所示為數字控制器接口圖。

圖4 數字控制器接口圖

2.2 變頻主軸控制模塊

變頻主軸控制模塊主要是由變頻器組成，變頻器的接線圖如圖5所示，變頻器是一個交流電機的控制電源，輸出一定比例的電壓和頻率值，達到控制電機轉速和扭力的目的，品牌不同，預置的功能參數會有差異，不同場合應用，調制的參數也會有不同，從原理而言，它是圍繞著“操控電機，輸出合適電壓和頻率，保證一定電流和轉速上限，邏輯關聯等幾大目的來設計功能參數。

圖5 變頻器的接線圖

2.3 進給軸交流伺服控制模塊

進給軸交流伺服控制模塊由西門子S120伺服驅動單元（西門子S120功率模塊與電源構成）組成（如圖6所示），為了抑制附加在電源及輸入端、輸出端的干擾，接地點與動力設備（如電動機）的接地點分開。

圖6 西門子S120伺服驅動單元

2.4 電動刀架控制模塊

電動刀架控制模塊主要由正反轉的主電路和PLC控制電路及霍傳感裝置組成（如圖7所示）。

2.5 冷卻控制模塊

冷卻控制模塊主要由主電路和控制電路組成如圖 7（a）（b）所示。

圖7 電動刀架電路

3 系統參數設置

系統參數設置見圖8。

圖8 冷卻電路圖

3.1 總線配置

SINUMERIK 828D是通過現場總線profibus對外設模塊（如驅動器和輸入輸出模塊等），profibus的配置是通過通用參數MD11240來確定的。

3.2 驅動器模塊定位

數控系統與驅動器之間通過總線連接，系統根據下列參數與驅動器建立物理聯系。對于配置非調節電源模塊SLM的系統，由828D驅動接口X100連接到的第一臺電動機模塊的軸號為1，且以此類推。

3.3 位置控制

使能系統出廠設定各軸均為仿真軸，系統既不產生指令輸出給驅動器，也不讀電動機的位置信號。按設定參數可激活該軸的位置控制器，使坐標軸進入正常工作狀態。

4 應用效果

本教學設備可用于課程設計、畢業設計和實訓，有利于提高學生設計數控機床電氣控制系統、診斷數控設備故障的能力，使受訓對象最大限度地適應和滿足市場需求。該裝置也可以幫助科研技術人員進一步了解數控車床結構，同時也為技術人員進行數控車床系統的二次開發提供了必要條件。適合職業培訓學校的數控機床維修中、高級工、維修電工高級工、維修電工技師、維修電工高級技師的培訓和鑒定。

該實訓裝置參加2017年第十四屆中國—東盟博覽會，在中國—東盟職業教育聯展上獲得專家好評，多所大中專院校的數控維修專業教師表達了設備購買與合作意向。我們一共制作10臺實訓裝置，從2018年初投入使用，共計有8個專業班級300多名學生進行教學實訓，學生通過學習，掌握了西門子828D的數控車床系統安裝、調試、設置故障、排除故障。這批學生在畢業時參加高級工技能考核通過率100%，其中30%為優秀。教學效果顯著，學生專業能力大幅提升，畢業生大受企業青睞。

通過開發該實訓裝置，我們培養了一支技術精湛、專兼結合的數控機床裝調與維修專業教學團隊。其中參與裝置開發成員盧輝生、遲鑫還在2018年第八屆全國數控技能大賽獲數控機床裝調維修工團體賽教師組一等獎，全國第三名，是廣西歷屆最好成績。

我們開發的10套設備成本為100萬元，市場相似性的設置設備價值為20萬元以上，為學院節約經費100萬元以上。

5 結束語

該實訓裝置是集教學、培訓、職業技能鑒定為一體的多功能高技能人才實訓設備。一套可滿足4人同時進行維修操作或數控編程模擬練習訓練。設置有數控系統的維修與調試、伺服驅動器的維修與調試、變頻器維修與調試、數控車床強電及控制電路等綜合性的教學。學生可在設備上進行技能實訓操作練習，也能夠模擬工業生產現場，根據各自情況對系統的控制要求，進行自行設計、組合安裝、調試，從而更好地培養學生的動手能力和分析能力。優化實訓資源配置，構建流程式實訓環境，營造工程氛圍，改革培訓方式，創新評價方式。