SIEMENS 840D系统在GS30型数控机床改造中的应用.pdf

第 2期 2 0 1 1年 2月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l＆ Aut o mat i c M a nu f a c t ur i ng Te c hn i qu e No． 2 Fe b．2 01 1 文章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 1 0 20 0 5 60 3 S I E ME N S 8 4 0 D系统在 G S 3 0型数控机床改造中的应用 张德 红 ， 门延会 ， 毛 羽 宜宾职 业技术 学院 现代 制造 系， 四川 宜宾 6 4 4 0 3 摘要 以 G S 3 0型数控 车床 作 为研 究对 象 ， 对其进 行升级 改造。在 论述 了 G S 3 0型数 控 车床存 在 的 问 题 后 ， 确 定 了改造 的总体技 术方案 ， 选择 西 门子 8 4 0 D数控 系统作 为控制 装置 ， 并 配备 了与 8 4 0 D相 匹 配的各模块 型号 ， 编 制 了 P L C软件程序 进行调 试 ， 在对 机床 的各 参数进 行 了设 定后 ， 对该机床 进行 了 验 收。结果 表明该机床 的性 能和精度 达到或超过 原机床 ， 完全 能够 满足 元件 高精 度 、 高效 率、 高可靠 性 的要 求 ， 而且设计 风险 小， 节省 了投 资资金 。 关键 词 机械 制造 数控 改造 G S 3 0数控机 床 ； 8 4 0 D 系统 中图分类号 T P 2 0 5 文献标识 码 A The App l i c a t i o ns o f SI EM ENS 8 4 0D Sy s t e m i n GS3 0 CNC La t he Tr a ns f o r m ZHANG De ho n g，MEN Ya n h u i ，MAO Yu D e p a r t me n t o f Mo d e r n Ma n u f a c t u r i n g ， Yi b i n Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， Yi b i n S i c h u a n 6 4 4 0 0 3， C h i n a Ab s t r a c t Aft e r d i s c u s s i n g t h e p r o b l e m o f GS 3 0 CNC l a t h e ， t h e u p g r a d ing o b j e c t ， We d e t e r mine d t h e O ve r a l l t e c h ni c a l pr o p os a l ，s e l e c t e d t h e S i e me ns 8 4 0D CNC s y s t e m a s a c o n t r o l d e vi c e ，c h os e n e a c h mo d - u l e ’ S mo d e l n u mbe r ma t c h i ng wi t h 8 4 0D a nd d e v e l o pe d P LC s o ftwa r e pr o gra m t o d e b u g ． I n t h e e n d ，t he v a r i o u s pa r a me t e r s o f t h e ma c h i ne wa s s e t u p，t h e l a t h e wa s c h e c k e d a n d a c c e pt e d． Th e r e s u l t s s ho w t h a t t h e p e r f o r ma n c e an d a c c u r a c y me e t o r e x c e e d t h e o r i g i n a l ma c hi n e ， f ul l y me e t t h e r e q u i r e me n t o f hi g h p r e - c i s i o n ， h ilgh e ffic i e n c y a n d h i gh r e l i a b i l i t y t o c o mp o n e n t s ， h a v ing l o w r i s k a n d s a v i n g in v e s t me n t ． Ke y wo r ds ma c hi n o f a c t u r e ； NC t r a ns f o r m；GS 30 CNC l a t h e ； 8 4 0D s ys t e m 0 引 言 G S 3 0型数控 车床 是德 国 I N D E X机床 厂 8 0年代 的产品它采 用西门子 S 3 1 v r 数控系统 ， 是一种双 N C、 双 通道控制型机床 ， 具有双刀盘 、 一主轴 、 一副主轴 、 四个 控制轴 ， 性能 良好 ， 具有极强的加工能力 。但 由于该数 控车床使用年 限已久 ， 电气 、 机械等方 面都存 在一定 的 老化 和磨损 ， 导致 设备 的故障率 、 停 机率不断 升高 ， 严 重威胁到元件生 产 的质 量和进 度 。对待 这种情 况 ， 修 理通常不能从根本上 解决 问题 ， 且原 始参数 技术 资料 不全 ， 维修配件的采购还存 在价格 昂贵、 采购周期 长的 困难 ， 给维修人员 带来 了很大 的困难 。 考 虑到该 机 床 的功 能 较 齐 全 ， 主 要 功 能部 件 完 好 ， 该 机 床 的润 滑 系统 良好 ， 液 压 系统 工作 正 常 ， 机 械传动 系统 完 好 ， 只 是精 度 有 所 下 降 。如果 对 其 采 用技术改造 的方式 ， 不仅设计风险小， 节省大量投资 且更 能充分 地 体 现 企业 的 使用 意愿 ， 有 利 于 使用 与 维 护 。本课 题 以此 为研 究 背景 ， 在 对 原 机 床 的技 术 状态 进行仔 细分析 后 ， 采用 S I E M E N S 8 4 0 D数控 系统 对其进 行改造 ， 使这 台已使 用 了将 近 2 0多年 的老 设 备重 新焕发 了青春 ⋯ 。 1 改造 的技术方案 机 床是 由机 械 和 电 气 两部 分 组 成 ， 在 设 计 总 体 方 案时应 从机 电两方 面来 考 虑机 床各 种 功能 的实 施 方 案 ， 根据 我们对 G S 3 0型数 控车 床现 状 的分析 了 解 ， 提 出总 体技术 方案设计 图 1 所 示 。 1 ． 1 电气 部分 1 采用 西 门子 门子公 司的 8 4 0 D数 控系统 代替 原 S 3 T T控制 系统 。 收 稿 日期 2 0 1 0 0 71 6 作者简介 张德红 1 9 7 4 一 ， 男， 四川宜宾人 ， 宜宾职业技术学 院现代制造工程系讲师， 硕士， 主要 从事数控技术方面的教学和研究等， E m a i l 1 1 0 6 1 5 8 4 0 q q c o rn。 2 0 1 1年 2月 张德 红 ， 等 S I E ME N S 8 4 0 D系统在 G S 3 0型数 控机床 改造 中的应用 5 7 图 1 改 造 的 总 体 技 术 方 案 设 计 图 2 l 0 ． 4寸 液 晶显 示器 ， 薄 型 MC P操 作面 板 。 3 选择 带硬盘 功 能的 P C U， 提供 友好 的 中文 显 示人机 界 面。 4 6 1 1 D驱 动 1 F T 6伺 服 电 机 1 P H7主 轴 电 机代替原 驱 动系统 。 5 更换 轴 、 u轴 光 栅 尺及 z轴 、 轴 编 码 器 以满足数 控 系统要 求 。 6 将 副 主轴 由开环 控制 改 为半 闭环 控 制 ， 以实 现 同步轴 功 能 。 1 ． 2机械 部分 1 更 换 、 z、 、 轴 丝杠 螺 母 副 ， 以提 高 机 械 精度 。 2 制 作 新 的 操 作 站 ， 配 C N C面 板 ， C N C键 盘 ， 控制 面板 。 2 系统 的 硬 件 设 计 2 ． 1 数 控 系统的 选型 根 据这 台 数 控 机 床 的 电 气 控 制 和 机 械 加 工 特 点 ， 考虑 性价 比、 技 术 方 面 、 经济 性 方 面 、 操 作 者 方 面 等 的 因 素 我 们 最 终 选 择 了 西 门 子 8 4 0 D 数 控 系 统 ， 具 体选 型原 因归 纳如表 1 所 示 。 表 1数控 系统 具 体 内容 选 择 序号 选择内容 型号 选择原 因 N C U 5 7 1 ． 4可 提 供 双 通 道 和 6轴 控 1 N C U模块 N C U 5 7 1 ． 4 制 ， 满足 G S 3 0机 床双 主轴 和 四进 给 轴 的要 求 。 O P 0 1 0 C带 有 l O ． 4寸 T F T 与 原 有 0P和 MP I 机 床 的 C R T显 示 屏 面 积 相 当 ， 适 2 0 P O l O C 合 改 造之 用 ， 并 且 它 带 有 一 个 全 功 单 元 能 N C键盘 ， 不用再扩展键盘 ， 降低 成本 和面 板 面积 。 最 常 用 的 有 两 种 MMC 1 0 0 ． 2 及 MMC1 0 3， 其 中 MMC 1 0 0 ． 2的 C P U 3 MMC模 块 MMC l O 3 为 4 8 6 ， 不 能带硬盘 ， 而 MMC 1 0 3的 C P U为奔腾 ， 可 以带硬盘。 P C U 5 0采用 WI N D O WS N T的操作 系统 ， 高级HMI 软件 ， 4 P C U模块 P C U 5 0 5 6 6 MH z C P U， 1 2 8 M 内 存 ， 与 MMC1 0 3对 应 可 带 1 0G硬 盘 。 能 够 满 足 使 用 要 求 。 5 M C P模 块 车 床 版 M C P G S 3 0是 数 控 车 床 s 7 3 0 0为 西 门子 系 列 中 型 P L C， 1 ／ 6 P L C S 7 3 0 0 - 2DP O可 扩 展 点 数 能 够 满 足 使 用 要求 。 续 表 序 号 选 择 内 容 型 号 选 择 原 因 6 1 1 D驱 动 模块 有 单 轴 和 双 轴 两 种 S I M0D R I VE 形 式 ， 所 有 的驱 动 模 块 共 用 一 个 电 7 驱 动 装 置 6 1 1 D 源 模 块 ， 可 以 与西 门子 多 种 信 号 的 电 机 配 套使 用 。其 维 修 较 为 方便 。 依据原 机床 电机的工作参 数， 主要 进 给伺 是电机 的扭 矩和 工作 转速 。I T F 6 8 I F T 6系列 服 电机 系列用 于数字驱动系统 ， 内置编码 器 ， 用于高性能机床。 I P H 7系列是 机床常用 的空气 冷却 主轴伺 型交流 主轴 电机 ， 速 度范 围大 ， 运 9 I P H 7系列 服 电机 转 平 稳 。内 置 增 量 式 编 码 器 ， 用 来 测 量 电机 的 转 速 和 位 置 。 2 ． 2 8 4 0 D 数控 系统 各个 功能模 块连接 框 图 8 4 0 D数 控 系 统 采 用 了 三 C P U结 构 人 机 通 信 C P U MMC C P U 、 数 字 控 制 C P U N C C P U 和 可 编 程 逻辑 控制器 C P U P L C - C P U 。 三部 分 在功 能 上既 相 互 分工 ， 又 互 为 支持 。8 4 0 D数控 系统各 个 功 能模 块 连接框 图如 图 2所 示 。 图 2 8 4 0 D 数 控 系 统 功 能 模 块 连 接 框 图 2 ． 3电气 系统改造 设计 1 根 据 选 用 的 8 4 0 D 数 控 系 统 软 硬 件 功 能 模 块 ， 结合 G S 3 0数 控 车床 的实 际控 制 需 要 ， 对 原 电气 控 制线路 进行 改造设 计 。 2 机床 辅 助 系 统 电路 设 计 ， 包 括 自动换 刀 装 置 、 冷却 液 、 照明灯 等辅助 电路 的设计 。 3 机 床液 压系 统设计 。 3 系统 的 软 件 设 计 西 门子 8 4 0 D数控 系统 内装 P L C型 号是 S I MA T ． I C S 7 3 0 0。CP U 集 成 在 NC U 中， P L C 编 程 语 言 为 S T E P 7 一 Mi c r o ／ w i n 3 2 。N C U与 P L C 的通 信 是 依 靠 访 问不 同的数 据块 D B块 来 实 现 的 ， P L C在数 控 机床 中 的作 用主要 是控 制 一 些开 关 量来 完 成一 些 辅 助动 作 ， 产 生并处 理一 些 报警 信 息 。软件 设 计 主要 包 括 P L C主程 序设计 和 换 刀位 程序 设 计 。 主程 序 的 功能 是 在 P L C与 NC U 的接 口间循 环 传 输 状 态 和数 据 信 息 ， P L C程 序设 计 的 重 点 同 时 也 是 难 点 主 要 是 机 床 换 刀程 序 的 设 计 ， 它 需 要 N C 和 P L C相 互 配 合 才 能完成换刀动作 ， 本文将 以机床换刀程序 的编制为 5 8 组合 机床与 自动化加 工技术 第 2期 例来 说明 P L C程序 的编制过程 。 由于 G S 3 0型机 床没 有 单 独 的 电机 驱 动 刀 盘 转 动 ， 而 是靠机 械 挂 档将 轴 的运 动 转换 为 刀盘 的 旋转 运动 ， 刀盘 1与 W轴挂 档 ， 刀盘 2与 z轴 挂档 。这 样 做 的好 处是可 以减 少 两个 电机 ， 减化 了伺 服 系 统并 节约成本 ， 但对换 刀位 置提 出了更 高要 求 ， 注意 换刀 位时避 免超 程 。现 在 以刀 盘 2换 刀 位 为设 计 对 象 ， 设 计 出换 刀程序 ， 刀盘 1的换刀 程序 设计 与 其类 似 ， 故在此不 进 行 分 析 。为 了使 刀 盘 能 自动换 刀位 ， 故 编写 了 L 2 2换 刀 位 子程 序 ， 使 用 者 只 要 在 程序 中写 入 T x x L 2 2即可 完成 自动换 刀位 动作 ， X X是待换 刀位 号 。L 2 2子 程序流程 图设 计 如图 3所示 。 准备换刀位， G 6 4 l ● 司 五 三 订卜 N 王一 ●Y 】刀盘2 松开， M9 8 I ● 一 z 轴每前进3 m m 刀盘正转一个刀位l l z 轴每后退3 m m 刀盘反转一个刀位l ’ z 轴前进、 后退Ⅳ 3 m m ， 刀盘转动Ⅳ 个刀位所需刀位 I ’ I通知P L C 刀盘已到位，M 9 4 I ● f刀盘夹紧， M 9 9 f 图 3 L2 2子 程 序流 程 图 L 2 2要完 成 换刀 动作 需 要 P L C 的配合 ，P L C的 任 务是根 据 N C送 入 的 T x x 刀号 与 P L C存储 的实 际刀号 相 比较 ， 算 出 刀盘 的转 动方 向 和转 动 的 刀 位 数 ， 传送 给 N C 』 。 4机床参数设置及调整 数控 机床 电气 改造 的一 项重 要 工作 就是 在 机床 硬件安装 完成后进行 C N C系统 和伺服 系统 的参 数设 定 工作 。N C调试 就 是要 完 成 机床 的数 据 参 数 匹 配 工作 ⋯。机 床数据设 定包括 1 通道 MD数据 设 定 。它 用 来 实现 各 个 进 给 轴 、 主轴 的定 义和通 道名 的设定 等工作 。 2 轴相关 MD数据设定 。它完成 对针对各 个 轴 的特征 参数 的设定 ， 如软限位 、 最大进 给速度 等。 3 坐标 轴 的试 运 行 及 优化 。在 坐 标轴 的参 数 设 定完成 后 ， 轴 就可 以运 动 了。如果 轴 的运 动 状 态 不 理想 ， 如抖动 、 响应 速度 和精 度 差等 就需 要 对轴 进 行 参数优 化 。 5 结 束 语 改造后 的数控 机床 经机 床 几何 精度 、 定 位精 度 、 切 削精 度 、 机 床 综 合 性 能 等 的 检 验 后 ， 可 以 得 出 G S 3 0数控 车床功能 完全 符 合标 准 数 控 卧式 车 床精 度检 验 G B ／ T 1 6 4 6 2 1 9 9 6 要 求 ， 机床 的定 位精 度 、 几何精 度总体 超过 改造 前 的水 平 ， 机 械 、 电控 系统 工 作 稳 定 可靠 ， 资料 齐 全 ， 完 全 达到 了改造 目标 ， 整 体 验收通 过 ， 而 且 改 造 总 费 用控 制 在 同档 次进 口机 床 价 格 的四分之一 以 内。 [ 参考文献] [ 1 ]陈平信．西门子 系统与数控 机床改造 [ J ] ．中国设备工 程 ， 2 0 0 8 1 2 1 21 6 ． [ 2 ]王爱玲 ． 现代数控机床结构与设计 [ M] ． 北京 兵器工业 抖 { 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ]孑 L 昭永 ．数控 机床控制系统的选配 [ J ] ．机械工人 冷加 工 ， 2 0 0 2 6 2 83 0 ． [ 4 ]S I E ME N S ．S I N U ME R I K 8 1 0 D ／ 8 4 0 D简明调试指南．2 0 0 2 1 1 3， 1 9 20． [ 5 ] S I E ME NS ．S I MAT I C s 7 R e f e r e n c e Ma n u a l S t a t e me n t L i s t S T L F o r S 7 - 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