數控機床改造方案的選擇 數控改造必讀
北京凱普精益機電技術有限公司 沈軍
近年來，隨著國內各種類型機床改造需求的擴大，機床改造已經逐漸形成了一個產業，其中絕大部分是數控機床的改造，也有一部分業務來自非數控機床的升級改造。作為一個穩步發展的專業公司，我們在運用西門子系統，進行數控機床改造以及為機床廠提供設計服務兩個方面，取得了比較大的成果，已經躋身國內前列，去年，我們公司獲得了中機維協頒布的國家A級維修改造資質企業認證證書。
在改造實踐中，我們始終認為一個好的改造方案是改造成功的重要基礎，並在這個環節嚴格把關，保證了改造的成功實施；而且這個環節看似簡單，實際包涵了很重要的內容，對於自己對系統的了解熟悉、以往維修改造的基礎都有很高的要求。本文將就改造方案的選擇進行闡述，分析每一個步驟的具體內容，供大家參考。
作為西門子數控產品的核心代理和系統集成商，我們這些年來主要採用西門子產品為廣大用戶提供服務。西門子產品的更新也在最近幾年出現了新氣象，改變了過去德國電氣產品貴而嬌氣的形象，形成了與日本數控產品雙雄整天下的局面。
下面逐一加以剖析
802S和802C系統標準配置包具備了所有的必要組成單元: NC, PLC, 操作面板, 機床控制面板, 輸入/輸出單元及系統軟體. 操作編程極其簡便、免維護、性能價格比高，是專門為低端CNC機床市場而開發的經濟型CNC控制系統。在中國的銷售非常成功。
802S/C兩個系統具有同樣的顯示器，操作面板，數控功能，PLC編程方法等，所不同的只是SINUMERIK 802S帶有步進驅動系統，控制步進電機，可帶3個步進驅動軸及一個+/- 10V模擬伺服主軸； SINUMERIK 802C帶有伺服驅動系統,它採用傳統的模擬伺服+/- 10V介面,最多可帶3個伺服驅動軸及一個伺服主軸。最新推出的802Se/Ce , 更是將CPU、輸入輸出點、控制介面等所有部件集成在面板背後，一體化的設計使得使用維護更為方便。因此802S和802C系統非常適合於普通機床、數顯機床的數控化改造以及低檔數控機床的數控配套和改造。我們曾經應用的場合有數控車床、數控鏜銑床、數控磨床、槍鑽機床、專機等。
其中SINUMERIK 802C在車/銑加工應用技術上具有優勢，配的是新型的西門子SIMODRIVE 611U，這種系統甚至可以連接3個坐標軸的光柵尺，形成閉環控制，所以我們也曾把它應用在座標鏜床、坐標磨床，性能價格比很高。
西門子公司在新世紀推出了802D數控系統。該系統屬於中低檔系統，其特點是：全數字驅動，中文系統，結構簡單 (通過Profibus連接系統面板， I/O模塊和 伺服驅動系統。) 調試簡單 (通過PCMCIA卡批量調試)。具有免維護性能的SINUMERIK 802D 核心部件-控制面板單元（PCU）具有CNC、PLC、人機界面和通訊等功能，集成的PC硬體可使用戶非常容易地將控制系統安裝在機床上。
SINUMERIK 802D可控制4個數字進給軸和1個主軸。主軸完全通過PCU控制，既有數字介面，也可通過模擬介面控制。使用Profibus匯流排可非常簡潔地將伺服和I/O模塊等系統各部件直接相連。模塊化的驅動裝置SIMODRIVE 611 UE可以根據數控車床或數控銑床的需要配置各種驅動和電機，強大的Windows工具可非常輕鬆地設置驅動參數，位置測量可用電機端編碼器，也可以選用光柵尺，SINUMERIK 802D具有功能強大的PLC-SIMATIC S7-200，其編程工具可運行在任何PC機上，其診斷功能也非常完善。梯形圖編程和經典的PLC程序舉例可非常方便地應用於機床控制。
SINUMERIK 802D系統雖屬於低檔系統但是基本上已經是標準的數控系統，最適合於數控車床、銑床、磨床和帶小型刀庫的數控加工中心的配套及改造。
840D/810D是幾乎同時推出的，具有非常高的系統一致性，
顯示/操作面板，機床操作面板
STEP7-300PLC 輸入/輸出模塊，PLC編程語言
數控系統操作，工件程序編程，參數設定，診斷等
伺服驅動的許多部件
由於以上的特點，該系列產品在許多企業應用及其廣泛，尤其在汽車，航空，機械等行業。採用810D/840D系統，S7300，Profibus，HMI等產品，客戶的利益得到了非常好的維護：操作的一致性，編程的一致性，備件的一致性，培訓，維修方便等，都可顯示中文。
A、 SINUMERIK 840D，它在複雜的系統平台上，通過系統設定而適於各種控制技術。840D與SINUMERIK 611D數字驅動系統和SIMATIC S7可編程控制器一起，構成全數字控制系統。
它適於各種複雜加工任務的控制，具有優於其它系統的動態品質和控制精度。標準控制系統的特徵是具有大量的控制功能，如鑽削、車削、銑削、磨削以及特殊控制，這些功能在使用中不會有任何相互影響。
由於開放的結構，這個完整的系統也適於其它技術如剪切、衝壓和激光加工等。
SINUMERIK 840D的突出之處在於其不斷擴展的特性。其自學習、自優化系統使系統的調整時間大為縮短。精調也可按機床用戶的要求簡單自動地進行。遠程診斷使其故障的分析解決更加方便快捷。
SINUMERIK 840D最大限度集成在與SIMODRIVE 611控制模塊相同的50mm寬框架中，將SINUMERIK 840D，SIMODRIVE 611D，加上先進的SIMATIC S7系統，即為機床的自動化提供了全方位的解決方案：全數字化的系統、革新的系統結構、更高的控制品質、更高的系統解析度以及更短的採樣時間，確保了一流的工件質量。
840D採用了當今最先進的控制概念、適用於鑽削、銑削以及車削和磨削機床加工的控制。例如，具有數控系統和SIMODRIVE間數字通訊的車床可以達到磨床的加工精度。 SINUMERIK 840D還可以實現許多特殊的NC功能，這在同類系統中是難以看到的。
B、 SINUMERIK 810D是840D的CNC和驅動控制集成型，NC CPU和驅動集成在在一塊板子上，驅動的功率部分又可提供3個坐標和2個坐標兩種。簡單來說，也就是SINUMERIK 810D系統沒有驅動介面，SINUMERIK 810D NC軟體選件的基本包含了840D的全部功能，例如：
1） 同樣的鑽、銑、車等加工循環；
2） 提前預測功能，可以在集成控制系統上實現快速控制；
3） 坐標變換功能；
4） 固定點停止可以用來卡緊工件或定義簡單參考點；
5） 模擬量控制控制模擬信號輸出；
6） 刀具管理也是另一種功能強大的管理軟體選件；
7） 樣條插補功能(A，B，C樣條)用來產生平滑過渡；
8） 壓縮功能用來壓縮NC記錄；
9） 多項式插補功能可以提高SINUMERIK 810D/810DE運行速度；
10） 溫度補償功能保證您的數控系統在這種高技術、高速度運行狀態下保持正常溫度；
由此可見SINUMERIK 810D的功能和選件非常強大，並不低於840D，只是它的應用場合有其特殊性，合理的利用它內部集成的驅動系統，可以減少成本並且獲得高性能。因而它不僅僅局限於數控機床配套，在木加工、石材處理或包裝機械等行業也有廣闊的應用前景。
在我們的改造實踐中，近2年來，運用最多的就是SINUMERIK 840D/810D，尤其是810D在強力磨床、外圓磨床、瓦楞輥磨床等機型應用上，頗有心得。
最近隨著採用PROFIBUS-DP現場匯流排結構西門子840Di系統的推出，我們又多了一種頗有競爭力的選擇：
1） 全PC集成的SINUMERIK 840Di數控系統為您提供了一個基於PC的新潮的控制概念。得益於此概念的主要用是那些以某種方式使用了PC的場合或者使用分散式驅動和I/O的自控方案。應用領域包括木製品，玻璃，制陶，包裝，貼片機，衝壓機，彎曲機，以及各種機床和類似機床的機械。除了高度的軟、硬體開放性，SINUMERIK 840Di的顯著特點是，CNC控制控制功能與HMI功能一起都在PC處理器上運行。也就是說，可以省略傳統控制系統中所需的NC處理單元。這種控制系統包含大量的標準化部件：帶介面卡的工業PC機，PROFIBUS-DP，Windows NT操作系統，OPC（用於過程式控制制的OLE）用介面和NC控制軟體。
2） SINUMERIK 840Di可提供給您的還很多。特別有利的是其在SINUMERIK家庭中的地位。例如，SINUMERIK 840D與SINUMERIK ８４０Di的NC和PLC功能，操作者功能和機床數據是兼容的。相應的NC程序和PLC程序在這兩個系統上都可運行。而且由於系統高度開放，軟體應用可同樣適用於兩個系統。SINUMERIK 840Di是SIMATIC和SIMODRIVE自動化控制環境的一部分。
3） 利用PROFIBUS-DP實現分散式配置。如今系統朝著分散式方向發展的趨勢是十分明顯的。而SINUMERIK 840Di的另一個重要特點就是帶有位置控制的PROFIBUS-DP。?是一種用於驅動和I/O的統一的現場匯流排。它允許數個系統實現分散式配置。
4） SIMATIC ProTool/Pro配置工具加上附屬的「SINUMERIK ProTool/Pro選件」為您提供了特殊便利。即，用戶可利用其來生成自己專用的用戶界面而不必掌握額外的軟體技能。
5） 全部功能集於同一模塊，實現最佳通訊。MCI板是一塊PCI式的插板。該模塊包含了集成的SIMATIC S7 315-2 DP PLC-CPU及用於MPI(多介面)和PROFIBUS DP介面接和I/O。可連接SIMODRIVE611通用型驅動裝置。SIMATIC DP ET200模塊則可作為I/O。
SINUMERIK 840C系統一直雄居世界數控系統水平之首，內裝功能強大的PLC 135WB2，可以控制SIMODRIVE 611A/D模擬式或數字式交流驅動系統，適合於高複雜度的數控機床。雖然已經推出很多年，但依然表現良好，深受用戶歡迎。
我們的應用主要是在複雜的數控鏜銑床、加工中心、龍門加工中心、五面體加工中心、高檔磨床。
表2 SINUMERIK 840C功能表
顯示機床主軸配量
通道和運行方式組的機床配置
適應於運動過程的機床配置
SIMODRIVE交流驅動系統採用了統一的伺服控制技術，進給伺服電機扭矩從0.33Nm至185Nm,交流主軸電機從3.7KW-100KW。適應不同的驅動系統解決方案。
SIMODRIVE611A:模擬式伺服，配合1FT5系列進給驅動電機(600V)和1PH7主軸電機, 可控制主軸，進給軸，及普通非同步電機。
SIMODRIVE 611D:數字式伺服，配合1FT6/1FK6系列進給驅動電機和1PH7主軸電機，可控制主軸，進給軸等。只能配合810D、840D、840C數控系統。
SIMODRIVE 611U:可接收模擬信號或數字信號(Profibus),可以進行位置控制，速度控制及轉矩控制。配合1FT6，1FK6和1PH7電機。是理想的驅動系統解決方案之一。
1、 機床的來源及改造需求
1） 進口數控機床：80年代以來我國政府為滿足軍工生產需要，進口了大量的數控機床，尤其在航空、兵器等行業，這些機床基本都是精密高檔設備，絕大部分是當時的所謂部管設備。這些機床已經到了電氣升級換代的時候，前幾年由於機械行業的不景氣，改造工作欠債很多，大部分此類機床面臨電氣備件的匱乏，甚至已經處於停機狀態，不改造是沒有出路的。
2） 進口二手數控機床：近年來，這類機床由於多為企業考慮生產實際需要，自籌資金進口，相對採購成本較低，進口量比較大，其中有些機床進口時就考慮了改造的要求，有些則是進口后，運行了一段時間候就面臨著改造的需求。
3） 國產數控機床：我國自90年以後生產的數控機床，大多為中低檔數控機床，也同樣面臨電氣系統老化，需要改造，
4） 普通機床：我國大量的普通機床應用於生產第一線，這幾年，國家加大了對這類機床的改造力度，國防科工委更是推行了萬台機床數控化計劃，車床、銑床的數控化改造需求量很大。另外則是有些特殊類型或者大型普通機床，由於本身特點以及良好的機械基礎，具有生機改造的價值。
上述4大類中，1、2類的改造需求大多是中高檔系統，3、4類則是中低檔數控系統比較理想的改造對象。
2、 改造對象的現狀調查
對於數控機床的改造，我們將從以下幾個方面加以詳細調查，以制定相應的改造方案：
1） 數控系統的分析：
數控機床改造，首當其衝的是系統的改造，根據我們的調查，老系統有：
西門子：SINUMERIK 7，3，8，850/880，810（早期型號）
發那科：FANUC 7，6，3
這兩大品牌的系統佔有了目前我國目前老數控機床的絕大多數，目前多數系統的電氣備件已經停止供貨，改造時候基本上不考慮保留老系統，我們採取的方案是根據機床的現有控制等級、產品生產要求、企業資金狀況，選擇相應的低、中、高檔系統。
這些系統大部分帶有老型號的PLC邏輯控制系統，在改造方案的制定中，要考慮新老系統替換時候的差別，對PLC部分輸入輸點的數量和性質作出比較精確的估算。
2） 老主軸伺服系統的價值分析和改造方案
改造對象的主軸系統有兩大類：直流伺服主軸和交流伺服主軸
改造方案如下：
保留驅動裝置和電機：老的主軸伺服採用的基本都是+/-10V的模擬信號介面，對於狀態良好、價值很高的主軸可以採用保留的方案，適用的系統有：SINUMERK 802C、802D、810D、840D、840Di，840C。
只保留直流主軸電機：有些大型機床主軸電機功率相當大，價格比較貴、安裝比較麻煩，同時電機狀況良好，這個時候可以採用保留電機，改造驅動系統，採用西門子新的直流伺服控制裝置6RA70替代勞驅動裝置，適用的系統有：SINUMERK 802C、802D、810D、840D、840Di，840C。
不保留驅動裝置和電機：採用西門子新型1PH系列主軸電機和相應的驅動裝置替代老電機和驅動裝置。
3） 老進給伺服系統的價值分析和改造方案：
保留驅動裝置和電機：同樣，老的進給伺服採用的基本都是+/-10V的模擬信號介面，對於狀態良好、價值很高的進給裝置和電機可以採用保留的方案，適用的系統有：SINUMERK 802C、802D、810D、840D、840Di，840C。
不保留驅動裝置和電機：採用西門子新型1FK6/7 1FT6 1FE1系列進給軸電機和相應的驅動裝置替代老電機和驅動裝置。
4） 測量系統系統的價值分析和改造方案：
旋轉變壓器：基本不能保留，可以採用新型旋轉編碼器替代
感應同步器/尺：感應同步器/尺的情況略為複雜一些，我們採取的對策是能夠改掉盡量改掉，用新型海德漢光柵尺和圓光柵加以替代。但是在某些場合，如精密轉檯，會面臨新的圓光柵安裝不能實施的難題。西門子為此提供了感應同步器/尺信號到新系統的轉換裝置，但是這個裝置的價格比較昂貴，非到萬不得已不選用。
光柵尺：我們接觸的進口機床大部分採用海德漢光柵尺，對於這些老尺子，其中方波信號可適用的新系統有：SINUMERK 802C、840C、電壓信號適用的新系統有：SINUMERK 802C、802D、810D、840D、840Di，840C。但是大量的老尺子的信號是電流信號：西門子和海德漢分別提供了電流信號到電壓信號的轉換裝置，而且價格不太貴。
5） 其他電氣相關部件
電氣櫃、操作站：很多情況下，用戶會提出電櫃改造的問題，對此我們和用戶會做充分的交流，按照電氣控制櫃以及櫃內元器件的狀態作出合理的選擇。一般來講，進口數控機床電氣櫃以及櫃內的元器件即便使用了相當年限，也要比國產的甚至是合資的元器件狀態好，所以在改造高檔進口數控機床一般電氣櫃不作大拆大改。
一些二手機床的電氣櫃狀態比較差，或者用戶認為電氣櫃元器件故障率太高都可以採取全套更換的方式，採用RITTAL或者相當的國際名牌還是國產合資品牌，取決於用戶的投入。
數控操作站可以是改造給人的第一印象，所以在用戶資金許可的前提下，盡量選用西門子配套的國際名牌，如MECANO等品牌，質量和外觀都能與進口機床匹敵。
電纜：在方案指定初期就按照電氣相應方案測定需要的電纜長度，在我們的改造項目中，凡是與數控驅動測量系統直接相關的電纜，我們只選擇原裝電纜，但是大型主軸電機的電力電纜由於價格過於高昂，而不考慮原裝電纜。
外圍元器件：除了老化和損壞的外圍元器件，一般我們不建議用戶更換外圍元器件。有個情況除外，少部分機床採用了交流110V電氣元件，而新系統又無法與之匹配。
6） 原始資料：
機床的原始資料是我們了解機床出廠狀況的最基本資料，其中電氣原理圖、電氣維修手冊、控制程序，都是我們需要仔細研究的。特別需要注意的是原始資料提供的信息不完全是正確的。國外機床廠有的提供的是系列型號的通用圖紙，有的時候機床出廠前的電氣硬體改動沒有在電氣資料上體現，這就要求我們一定要對照機床實物，把關鍵環節的每個細節一一落實，避免犯錯誤。
7） 控制要求和特殊選件
對於一台要改造的機床，控制要求、主軸數、坐標軸數、測量元件、機床現狀幾大要素基本可以確定改造可以選擇的系統和相應的驅動和測量系統方案。但是這並不是絕對的，有些特殊類型機床或者用戶需要的一個特殊功能往往就決定了系統的選擇。比如：
（1） 圖形顯示和圖形模擬；
（2） 雙/多通道功能，用於雙車、車削中心和其他具有兩個加工單元的機床
（3） 龍門軸功能：龍門式鏜銑床、加工中心，要求兩個龍門軸能夠完全實現同步，只有這個功能才能做到實時監控兩個坐標的跟隨誤差，實現同步。
（4） 配對軸功能：兩個坐標可以實現要求不是很高的同步；
（5） 激光加工的距離控制；
（6） 同步主軸功能：用於車削中心兩個主軸之間的工件交接；
（7） 砂輪恆線速控制；
（8） 砂輪的在線修整和補償；
（9） 斜軸磨床；
（10） DNC功能；
（11） 前饋控制；
（12） 進給軸齒輪插補：用於齒輪加工機床；
（13） 凸輪插補；
（14） 鏜床鏜桿低頭補償；
（15） 網路和遠程診斷功能；
用戶提出的特殊功能，系統廠家一般都有相應的選件滿足需要，從而也就決定了用戶需要的相應檔次的數控系統及選件，然而一般令用戶比較難受的問題主要是這些選件往往價格很高，同時有的時候由於某個選件只有在高一個檔次的系統上才提供，也使用戶必須選購高一擋的系統，而付出相應的代價。
這個時候，我們作為熟練應用系統從事改造的公司，站在用戶立場上，我們一般都會採取這樣的立場：系統選用盡量以夠用為限，能用低檔不用中檔，能用中檔不用高檔，能夠自己開發的特殊功能盡量自主開發，一切為用戶考慮。
近幾年來，我們在數控瓦楞輥磨床的雙輥特殊加工、數控強力磨床的修整補償和恆線速度控制、龍門式大型加工中心改造等項目上，投入開發力量，取得了很好的效果，贏得了用戶的認可。
在每一個改造課題被提出來之後，我們的工程人員會對改造的對象進行充分深入的調查研究，為此我們一方面採用標準的機床狀況調查表來做機床的信息的收集，充分利用用戶對機床熟悉的實際情況；另一方面我們挑選最有經驗的人員做好這第一個環節的工作，保證方案的合理和準確。
良好的開端是成功的一半。這幾年，我們在改造市場闖出了一片天地，我們的經驗告訴我們，只有把好這一關，改造的成功才有保障。
