西门子系统在SKODA250铣镗床改造中的应用

时间：2024-05-17

金英浩

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

1 改造目的及系统选型

1.1 可行性分析

数控机床是企业必须具备的，如果企业仅靠购买来增添数控机床，无疑是增加了企业在设备上的成本投入，因此对机床进行改造就是企业的新的选择。SKODA250落地铣镗床是七十年代从捷克引进的普通机床数显机床，故障繁多，可靠性差，已不能满足时代的要求，该机床机械传动采用了定比齿轮箱和滚珠丝杠，机械精度好，传动精度较高，能够满足数控改造的基本要求。根据该机床的结构、性能、运行状态、现有加工精度，特殊功能等要求，结合电机扭矩及额定转速﹑主轴功率﹑电缆长度和系统安装空间等细节提出性能价格比较优的选型与配置方案。该项目采用西门子840D数控系统(NCU573.5)和S7--300可编程控制器，伺服驱动系统采用四套611D交流驱动及1PH7交流异步伺服电机和1FT6交流伺服电机，并与位置检测元件一起构成全闭环控制系统。取代原有电器控制元件，重新配制电气控制柜。改造后该铣镗床有一个主轴和四个进给轴，编制了新的PLC逻辑控制程序，实现机床三轴联动，进行三维的立体加工。

1.2 840D简介

840D是西门子公司于1994年研制的适合于各种控制领域，是目前数控机床采用最多的数控系统，也是西门子公司的主要产品之一。840D是一种全数字化数控系统，具有高度模块化及规范化的结构，三CPU结构:人机通信CPU、数字控制CPU和可编程逻辑控制器CPU。三部分在功能上既相互分工，又互为支持。NC-CPU和PLC-CPU合成在NCU中，但在逻辑功能上相互独立。相对于前几代系统，它具有以下几个特点:数字化驱动、轴控规模大、可以实现五轴联动、操作系统视窗化、软件内容丰富功能强大、具有远程诊断功能、保护功能健全、硬件高度集成化、模块化设计、内装大容量的PLC系统、PC化、系统内装PLC最大可以配2048输入和2048输出，而且采用了Profibus现场总线和MPI多点接口通信协议，大大减少了现场布线。

2 零件程序的编制

数控系统的零件加工程序是国际标准化的ISO代码编制的，除了840D数控系统编程手册所描述的功能代码外，还针对该机床的结构特点，通过PLC编程控制机床，使其具有如下辅助的M代码功能:

M00--程序停止，但不复位。主轴，冷却液停止；M01-选择程序停止，但不复位，需操作确认才执行；M02-程序执行结束，主轴，冷却液停止；M03-主轴顺时针方向旋转，右旋螺纹进入工件方向；M04-主轴逆时针方向旋转，右旋螺纹进入工件方向；M05-主轴停止，冷却液关闭；M06-换刀，手动或自动换刀，不包括选刀；

M07-2号冷却液开；M08-1号冷却液开；M09-所有冷却液关；M10-夹紧工作台，工件，夹具，主轴等；M11-放松；M13-主轴顺时针转，冷却液开；M14-主轴逆时针转，冷却液开；M15-正向快速移动；M16-反向快速移动；M19-主轴定位停，包括M05；M30-主程序结束，并返回程序开始处，冷却液停止；M41-SPⅠ主轴一档； M42-SPⅡ主轴二档。M43-SPⅢ主轴三档；M44-SPⅣ主轴四档。

M50-3号冷却液开；M51-4号冷却液开。

3 250铣镗床伺服驱动系统

对于进给驱动系统的要求:（1）有较高的控制精度。（2）有较好的跟踪性能。（3）无爬行的现象，且具有较强的过载能力。（4）进给驱动的控制电路有很好的可靠性。（5）进给驱动系统有较强的环境适应性。

对于主轴驱动要求，在很宽的范围内速度连续可调，以满足各种零件加工工艺的要求，并在各种速度下提供恒定的切削功率，一般主轴系统具有较宽的横功率范围，较短的加速时间和减速时间，调速范围也要宽，过载能力强，电机温度低及噪声小等。根据以上进给驱动和主轴驱动系统要求，该机床选用611D驱动系统，满足改造的要求，进给电机和主轴电机直接影响到数控机床的性能，要求他们不仅具有输出恒定的转速的特性，即在额定转速范围内可输出恒定的转矩，而且还具有非常强的过载能力。该机床选四台 IFT6型进给轴电机和一台IPH7主轴电机。

测量部件选择，因伺服电机频率F=1400HZ，驱动通常带有1V峰峰值正/余弦的增量编码器，所以根据该机床的要求，SP主轴选择1024P/R位置编码器，进给轴测量元件选光栅尺，长度分别为16240mm和4640mm。

4 数控电气系统的安装

电气控制电路主要包括驱动电路、位置反馈电路、电源及保护电路、开关信号连接电路、辅助功能控制电路。该系统电气系统的安装，首先拆除原电气控制系统，安装新的电气控制柜及数控系统，将机床上电气元件的信号线连接到控制柜接线端子，通过加工的法兰和齿轮安装电机，连接HEIDENHEIN光栅尺接口信号。该系统按标准做了一定的接地保护，电机电缆独立走线。强电柜中安装了大量的接触器，继电器，还有作为负载的电动机，为了减少强电动作对系统干扰，在电控柜交流设备中加装一个阻容吸收器。

5 840D数控系统的启动、安装与调试

5.1 NC启动

首先安装 PCU50.3单元的HMI系统软件，配置PROFIBUS-DP现场总线参数,启动数控系统,进入机床的参数设定界面，根据界面提示，定义各轴名称"的参数；然后把几何轴分配到通道、几何轴的名称、设定哪个机床轴通道有效、编程时所用的轴；然后在这里匹配驱动，最后设置各个轴的具体参数:转速极限、最高速度、位置增益、定位误差、报警极限等等。

5.2 安装与调试

按照该铣镗床的数控系统与电气设计图纸，完成硬件连接，这里特别说明的是主轴模块和进给模块安装在NCU模块的右侧，电源模块安装在NCU的左侧，它们用同一个电源模块，为了提高驱动系统的可靠性，在该铣镗床系统中还配置了120KW线路电抗器（电感器+铝箔单元）。并将安装有SIMATIC S7-300的编程软件的计算机通过PROFIBUS-DP现场总线和SINUMERIK 840D数控系统连接，系统可以通电调试。首先将各种机床数据、PLC机床控制程序，报警文本等信息传送到数控系统，操作机床的各种基本功能，如机床控制面板的操作、急停控制、进给伺服和主轴上电顺序和使能控制、行程限位保护控制、手持单元操作控制、报警处理、回参考点控制等；另外还有外围设备的控制功能，如液压、润滑、冷却、进给轴机械夹紧放松、刀具夹紧放松、主轴换挡等。