加工中心控制系統(tǒng)的改造研究

李金石 李英碩

摘 要： 企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際需要通過對(duì)現(xiàn)有機(jī)床全部或局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造，來提高機(jī)床的技術(shù)性能指標(biāo)，已成為一種新興的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，本文以介紹了數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)改造的基本流程與方法。對(duì)數(shù)控機(jī)床改造具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床改造;控制系統(tǒng);技術(shù)改造

1.加工中心改造方案的設(shè)計(jì)和確定

數(shù)控系統(tǒng)的有效使用壽命通常在6～8年，生產(chǎn)商通常在3～5年回會(huì)更新一代產(chǎn)品，因此導(dǎo)致老舊機(jī)床出現(xiàn)問題后無法找到相對(duì)應(yīng)的維修部件。隨著電力電子的發(fā)展器件成本逐步降低，因此對(duì)原有老舊機(jī)床進(jìn)行改造與新購機(jī)床相比，具有成本和周期的優(yōu)勢(shì)。

1.1 控制系統(tǒng)改造的基本內(nèi)容

對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣控制的改造由以下內(nèi)容：電氣原理圖設(shè)計(jì)、電機(jī)選型、選取坐標(biāo)位置反饋方式。

系統(tǒng)中若有部件進(jìn)行更換需注意各部件之間的匹配更換，以及已于新系統(tǒng)和客戶加工部件的需求進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

可編程控制器PLC的設(shè)計(jì)應(yīng)使數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與機(jī)床其他部分之間協(xié)調(diào)一致工作。機(jī)床機(jī)電液整體聯(lián)調(diào)，保證達(dá)到原有功能并有所提高，以適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的控制要求。

1.2 控制系統(tǒng)改造的整體方案

機(jī)床是由機(jī)械和電氣兩部分組成，在設(shè)計(jì)總體方案時(shí)應(yīng)從機(jī)電兩方面來考慮機(jī)床各種功能的實(shí)施方案，根據(jù)對(duì)該設(shè)備現(xiàn)狀的分析了解，總體技術(shù)方案如圖1.1。

1.3 改造后達(dá)到的技術(shù)功能及性能

數(shù)控刀庫控制功能通過編制數(shù)控系統(tǒng)與PLC接口控制軟件來實(shí)現(xiàn)。改造中對(duì)機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行檢修，使機(jī)械精度達(dá)到出廠或優(yōu)于出廠標(biāo)準(zhǔn)。改造后機(jī)床需具有五坐標(biāo)五聯(lián)動(dòng)功能。各坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)采用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，保留原坐標(biāo)傳動(dòng)方式，X、Y、Z坐標(biāo)為滾珠絲杠，A、B坐標(biāo)為蝸輪蝸桿，采用光柵尺作為直線坐標(biāo)位置的反饋，采用同步感應(yīng)器作為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)位置反饋。機(jī)床各坐標(biāo)的控制精度為0.001mm。由PLC程序?qū)χ鬏S系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制。

改造后機(jī)床應(yīng)具有如下功能：加工程序的圖形模擬功能;示教功能;藍(lán)圖編程;輸入方式具有手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入MDI和DNC輸入兩種;按用戶需求增大程序存儲(chǔ)器容量;具有手持操作單元、具有加工程序編輯、檢索、單段運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、空運(yùn)行功能，手動(dòng)操作;具有快進(jìn)倍率、倍率、坐標(biāo)軸保持、應(yīng)急停等功能;主軸可手動(dòng)及編程控制啟、停及高低速轉(zhuǎn)換;冷卻液可手動(dòng)及編程控制開、關(guān)。具有開機(jī)潤(rùn)滑、手動(dòng)潤(rùn)滑、自動(dòng)潤(rùn)滑功能。

2.數(shù)控系統(tǒng)的選型

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的分類

數(shù)控系統(tǒng)通常有以下四種類型：

（1）專用型數(shù)控系統(tǒng)：數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行開發(fā)的專用性系統(tǒng)，滿足特定目標(biāo)的使用具有高可靠性。在制造領(lǐng)域有著較大的市場(chǎng)。由于采用封閉的體系因此對(duì)市場(chǎng)需求不敏感，且更新較慢。隨著開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，專用型數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)份額已經(jīng)在逐漸減小。

（2）PC嵌入NC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)：該類型數(shù)控系統(tǒng)與專用型數(shù)控系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)上具備一些開放性，功能十分強(qiáng)大，但系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，系統(tǒng)價(jià)格也比較昂貴，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。

硬件部分由開放式體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)控制卡通常選用高速DSP作為CPU具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制能力。

（3）NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)

該類型數(shù)控系統(tǒng)的開放性能、性價(jià)比也比較好，并且對(duì)功能進(jìn)行改進(jìn)也比較方便，系統(tǒng)的控制功能主要由運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)。

（4）全軟件型的開放式數(shù)控系統(tǒng)

這是一種最新型的開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，所有的數(shù)控功能（包括插補(bǔ)、位置控制等）全部都是由計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的。全軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性價(jià)比，近幾年得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇

本文所述的項(xiàng)目選擇西門子840D數(shù)控系統(tǒng)主要基于以下原因

（1）西門子840D系統(tǒng)在多軸的同步功能比FANUC的同步功能要強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)多種方式的同步。

（2）西門子系統(tǒng)在機(jī)床領(lǐng)域有著多年應(yīng)用。國內(nèi)操作者熟悉Siemens指令編程風(fēng)格，改造后經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上機(jī)操作。

（3）西門子840D系統(tǒng)在機(jī)床行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，維修維護(hù)便利。

3 SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

SINUMERIK 840D系統(tǒng)適用于鉆削，銑削以及車削和磨削機(jī)床加工的控制，還可以實(shí)現(xiàn)許多特殊的NC功能。采用單元模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)配置不同最多可開通10個(gè)通道，最多可控制多達(dá)31個(gè)進(jìn)給軸。通常選用SINUMERIK 840D、SINUMERIK 611D數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和SIMATIC S7可編程控制器一起，組成全數(shù)字控制系統(tǒng)，適于各種復(fù)雜加工任務(wù)的控制，具有優(yōu)于其它系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和控制精度。

3.1 數(shù)控及驅(qū)動(dòng)單元

SINUMERIK 840D的數(shù)控單元被稱作NCU單元。NCU單元中也集成SINUMERIK 840D數(shù)控CPU和SIMATIC PLC CPU芯片以及相應(yīng)的數(shù)控軟件和控制軟件，并且設(shè)置了MPI、profibus接口、RS232接口、手輪及測(cè)量接口，PCMCIA卡插槽等。840D配置的驅(qū)動(dòng)一般都采用SINUMERIK 611D數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分為雙軸和單軸模塊兩種。它包括電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。電源模塊主要為驅(qū)動(dòng)模塊提供600V直流母線電壓和為NCU及驅(qū)動(dòng)模塊提供各種控制電壓。同時(shí)監(jiān)控電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的狀態(tài)。

3.2 PLC模塊

840D的PLC使用的是西門子SIMATIC S7-300的軟件及模塊，在同一條導(dǎo)軌上從左到右依次為電源模塊PS，接口模塊IM，信號(hào)模塊SM，CPU與NC的CPU是集成在或中的，如圖3.1所示。NCU通過一條通訊電纜與外部I/O的模塊進(jìn)行通迅。

電源模塊PS是為PLC和NC提供電源的+24V和+5V，接口模塊IM是用于級(jí)之間互連的，信號(hào)模塊SM使用與機(jī)床PLC輸入/輸出的模塊，有輸入型和輸出型兩種。

結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了數(shù)控系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)內(nèi)容流程給出了一個(gè)改造的可行性方案，并針對(duì)方案對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了選型，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)改造有積極的意義。

參考文獻(xiàn)

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