西門子840Di 系統在數控鏜銑床改造中的應用

BFT130卧式鏜銑床是八十年代末從東德購入的一台普通數控機床。有四個進給軸和一個主軸，另加一個機械切換旋轉軸，四個進給軸由兩套可控硅驅動裝置切換驅動，單獨一套主軸驅動系統，採用繼電器控制，由一個具有定位功能的數控裝置及PLC組成控制系統，由於原系統電氣控制元件老化，整體可靠性差，故障頻繁，已經無法正常使用，為解決上述問題，針對BFT130卧式鏜銑床的結構特點，對其進行數控化改造。該機床機械傳動採用了定比齒輪箱和滾珠絲杠，機械精度好，傳動精度較高，能夠滿足數控改造的基本要求。

2機床改造可行性分析、選型設計

根據該機床的結構、性能、運行狀態、現有加工精度、特殊功能等要求，結合電纜長度、電機扭矩及額定轉速、主軸功率、系統安裝空間等細節提出性能價格比較優的選型與配置方案。該項目採用西門子SINUMERIK 840Di數控系統和S7-300可編程控制器，伺服驅動系統採用三套611A交流驅動及1FT5交流伺服電機，並與位置檢測元件一起構成全閉環控制系統。主軸採用英國歐陸590全數字直流調速系統。工作台B軸增加圓光柵編碼器改為數控軸。取代原有電器控制元件，重新配製電氣控制櫃。改造后BFT130卧式鏜銑床有一個主軸和五個進給軸，編製了新的PLC邏輯控制程序，實現機床三軸聯動，進行三維的立體加工。SINUMERIK 840Di數控系統具有3D插補、螺旋線插補、樣條插補、鑽削和銑削循環加工、圖形與極坐標編程、圖形模擬、螺紋轉速進給功能，還有刀具半徑和長度補償，絲杠螺距和齒輪間隙補償等功能。

2.1關於西門子840Di數控系統的簡介

SINUMERIK 840Di數控系統是西門子公司於2001年研製的適用於各種控制領域滿足不同要求的數控系統，它除了具有高度的軟硬體開放性，還有以下顯著特點：CNC控制功能與HMI功能一起都在PCU50處理器上運行，840Di帶有大量標準化工業PC機介面，配有可用於伺服驅動和I/O的PROFIBUS-DP現場匯流排，WINDOWS NT操作系統，OPC（用於過程式控制制的OLE）應用介面和CNC控制軟體，具有中英文轉換界面，有豐富的自診斷功能，同時由於840Di具有高級語言編程特色的用戶友好編程界面，用戶可以使用Visual Basic 和Visual C++等開發工具自行開發菜單和基本操作界面，添加功能鍵，設定具有用戶特色的輸入方式，滿足特定工藝的加工要求。840Di適用於多種機床的數控系統技術改造，具有廣泛的應用前景。其基本結構圖如下：

SINUMERIK 840Di數控系統有三種基本工作方式：AUTO（自動）、JOG（手動）和MDA（手動數據輸入/自動加工）方式。此外還有四種機床功能：增量點動功能（步進）、重定位功能（斷點返回）、返回參考點功能和設定實際值功能，配有手持單元方便手動與對刀。此外SINUMERIK 840Di數控系統的PCU50還帶有一個10G硬碟，可以把SINUMERIK 840Di數控系統的數據（包括NC數據、PLC數據和補償數據等）備份到硬碟上，也可以通過RS232埠或軟碟機備份到外部PC，極大的方便了機床的操作與維護。

2.2 BFT130卧式鏜銑床PLC控制程序的開發與編製

本機床採用西門子S7-300PLC邏輯控制器原來的機床邏輯控制用西門子S7-300可編程邏輯控制器取代。西門子S7-300PLC有一條MPI現場匯流排與MCP機床操作面板連接，MCP通過MPI匯流排與主機進行信息交換。有一條PROFIBUS現場匯流排與PCU連接，通過PROFIBUS匯流排PLC擴展單元ET200和ADI4與主機PCU50進行信息交換，通過PROFIBUS+DP實現I/O與驅動參數的調整和優化。首先在PCU50中對S7-300的ET200和ADI4的硬體配置進行軟體組態的設置，ADI4可給出10V的模擬指令電壓，可接收編碼器或光柵尺經過整型放大后的TTL信號。然後進行PLC的編程，對PLC的編程可分以下幾個步驟進行：1）分析機床的電氣控制原理和結構特點；2）理解原機床液壓控制功能；3）建立新的PLC程序框圖；4）編製新的軟體和硬體介面控制程序；5）編製新的功能塊程序。

3 零件程序的編製

BFT130卧式鏜銑床數控系統的零件加工程序是國際標準化的ISO代碼編製的，它可以利用自動編程工具軟體的圖形編程功能，形成ISO代碼的零件加工程序或用手工編程。除了840Di數控系統編程手冊所描述的功能代碼外，還針對該機床的結構特點，通過PLC編程式控制制機床，使其具有如下輔助的M代碼功能：

M00-程序無條件停止；M01-程序有條件停止；M02-程序執行結束；M03-主軸正轉；M04-主軸反轉M05-主軸停止；M08-冷卻液開；M09-冷卻液關；M10-軸X、Y、W夾緊；M11-軸X、Y、W放鬆；M19-主軸定位停；M20-上滑板X軸夾緊；M22-鏜箱Y軸夾緊；M24-下滑板Z軸夾緊；M26-鏜桿W軸夾緊；M28-轉檯B軸夾緊：M21-上滑板X軸放鬆；M23-鏜箱Y軸放鬆；M25-下滑板Z軸放鬆；M27-鏜桿W軸放鬆；M29-轉檯B軸放鬆；M30-主程序結束返回；M31-清除所有放鬆的軸；M40-主軸自動換擋；M41-選擇主軸第一擋；M42-選擇主軸第二檔；M43-選擇主軸第三擋；M44-選擇主軸第四擋。

4 BFT30臣式鏜銑床伺服系統

該機床進給軸採用的伺服系統是611A。交流驅動系統。數控機床的性能很大程度上取決於伺服驅動系統以及位置控制系統的性能，如機床的最高運行速度、跟蹤精度、定位精度、重複定位精度等重要指標均取決於伺服驅動系統以及位置控制系統的動態和靜態特性。伺服驅動系統是由電機和速度控制單元組成，它可以任意調節速度並提供切削過程所需要的轉矩和功率。位置閉環控制系統需要位置反饋檢測元件，它是基於反饋控制原理工作的，把反饋信號與輸入的指令進行比較，以形成誤差值，並用此誤差值來控制伺服機構運轉。位置控制是精確的控制機床運動部件的坐標位置，快速而準確的跟蹤指令運動。611A交流驅動系統具有寬的調速範圍、高的穩速精度和足夠的傳動剛度、快的動態響應和無超調、低速大轉矩、以及在四象限內可逆運行運動等良好的技術特性。

根據動態轉矩方程：M-Mf=J·dw/dt，式中M-電機的軸輸出轉矩，Mf-摩擦轉矩，J-折算到電機軸上總的轉動慣量，在這種情況下，軸定位驅動系統能否提供足夠大的動態轉矩Jdw/dt，將成為影響定位精度的最主要原因。為此，我們選用了29Nm交流伺服電機比原直流電機的轉矩大。改造後轉矩M2>M1, J2<J1,, Mf2=Mf1。可見改造后可以提高系統的動態加速度dw/dt，提高定位精度。在西門子交流伺服系統上採用大功率晶體管作主迴路驅動元件比原直流伺服系統可控硅的動態響應時間要快，這些對於軸定位精度都是大有益處的。

該機床的X、Z、B軸採用同一台伺服電機，機械通過電磁離合器進行切換，各軸均有機械液壓夾緊機構，Y軸電機帶有電磁抱閘，W軸電機有內置編碼器。

5 數控電氣系統的安裝

首先拆除原電氣控制系統，安裝新的電氣控制櫃及數控系統，將機床上電氣元件的信號線連接到控制櫃接線端子，通過加工的法蘭和齒輪安裝電機，連接海德漢光柵尺介面信號。

工作台增加圓光柵編碼器，把B軸改造成可任意位置分度數控軸。

6 SINUMERIK 840Di數控系統的啟動和調試

6.1 NC啟動

首先安裝PCU50的HMI系統軟體，配置PROFIBUS-DP現場匯流排參數，啟動數控系統，進入機床的參數設定界面，進入「GENERAL」窗口，設置「定義各軸名稱」的參數（各軸的名稱不可重複）；然後進入「CHANNEL SPECIFIC」窗口，這裡的參數有四類，分別為：1）把幾何軸分配到通道，2）幾何軸的名稱，3）設定哪個機床軸通道有效，4）編程時所用的軸；然後進入「DRIVE CONFIG」窗口，在這裡匹配驅動，最後進入「MACHINE DATA」，設置各個軸（包括主軸）的具體參數：轉速極限、最高速度、位置增益、定位誤差、報警極限等等。

6.2 調試

按照BFT130卧式鏜銑床的數控與電氣設計圖紙，完成硬體連接，並將安裝有SIMATIC S7-300 的編程軟體的計算機通過PROFIBUS-DP現場匯流排和SINUMERIK840Di數控系統連接，系統可以通電調試。首先將各種機床數據、PLC機床控制程序，報警文本等信息傳送到SINUMERIK 840Di數控系統，操作機床的各種基本功能，如機床控制面板的操作、急停控制、進給伺服和主軸上電順序和使能控制、行程限位保護控制、手持單元操作控制、報警處理、回參考點控制等；另外還有外圍設備的控制功能，如液壓、潤滑、冷卻、進給軸機械夾緊放鬆、刀具夾緊放鬆、主軸換擋等。

設置各個軸的具體參數時，按照不同的功能和調試的實際情況，可對數控系統的幾千個參數進行修改調整。在位置控制中匹配參數使檢測的脈衝當量為1微米，設置前饋控制功能等，差補周期選為2ms，設定加速時間常數為1s；在不振蕩的條件下，盡量增大位置環和速度環的比例增益係數，增加伺服系統的剛度，減小跟隨誤差以提高定位精度。設定各軸零點漂移自動補償功能和參數，設定粗精停範圍參數，設定跟隨誤差報警範圍等參數，使機床穩定可靠的運行。

7改造后的實用價值和經濟價值

BFT130卧式鏜銑床經過改造后通過一段時間的運行證明，SINUMERIK 840Di數控系統在BFT130卧式鏜銑床的數控改造中的應用是成功的，尤其是將普通轉檯改造成只有數控分度功能的數控轉檯，改造后BFT130卧式鏜銑床有一個主軸和五個進給軸，技術是先進的，達到了預期的目標。該卧式鏜銑床的改造成功，已經為工廠創造了很大的經濟效益。