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2 0 1 3年 8月 第 4 1卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS Au g ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ．1 6 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 6 ． 0 5 2 基于 8 4 0 D数控系统的旋压机床改造 张玉萍 ，辛世界 山东理工大学机械 工程 学院，山东淄博 2 5 5 0 4 9 摘要以数控旋压机床为研究对象，对其进行改造。通过分析旋压机床结构特点及所存在的问题 ，确定了改造方案 选用西门子 8 4 0 D数控系统，配以6 1 1 D伺服驱动系统和 S I MA T I C s 7 3 0 0 P L C构成全数字控制系统，实现整个机床的控制功 能，并详细介绍了具体的改造方法。改造后，机床的精度和可靠性大大提高，操作方便 ，且成本降低 ，有很大的经济价值。 关键词数控旋压机床；8 4 0 D数控系统；改造 中图分类号 7 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 61 7 4 3 此次改造的对象是一台三旋轮强力旋压机床，此 机床是 2 0世纪 9 0年代从德国引进的，由于使用时间 长，许多电子器件严重老化，数控系统 、驱动系统等 运行稳定性差，故障率高。但许多器件早已淘汰，购 买困难 ，机床不易维修。此旋压机床的主体仍然保持 着较高的机械精度 ，液压、润滑、冷却等辅助控制系 统功能良好 ，仍然有很高的利用价值。加之旋压机床 价值昂贵，所以对机床进行改造势在必行。为此，作 者采用 西门子高档 的 S I N U M E R I K 8 4 0 D数控 系统、 S I MO D R I V E 6 1 1 D全数字化伺服驱动系统及 S I M A T I C s 7 ． 3 0 0系列中档 P L C对此旋压机床 的数控系统、驱 动系统等进行升级换代，使这台使用多年的老设备重 新焕发了青春⋯。 8 4 0 D数控系统与6 1 1 D全数字化伺服驱动系统和 S I MA T I C 7 - 3 0 0系列 P L C构成 的全数字控制系统， 能适用于各种复杂加工任务的控制 ，具有优于其他系 统的动态品质和控制精度 ，适合于卧式加工中心、数 字化机床及其他专用机床改造的要求。 1 机床简介 该旋压机床是用于金属筒形件旋压的专用机床， 由直流主轴单元 S轴 、纵向进给轴 A轴 、横向 进给轴 、Y 、Z轴组成，通过 四轴联动，可进 行金属材料旋压。1 个主轴，芯模旋转。主轴转速分 高、低两挡 ，带电动换挡机构。机床主传动采用直流 主轴电机驱动。2个纵 向进给轴 A 轴和 A 轴 ，主 轴箱进给，2台电动机各带 1根丝杠并联驱动 A轴。 3个横向进 给轴 、y 、z轴 ，旋压轮进 给，呈 1 2 0 。 分布在一个平面上 ，z轴在顶部垂直位置。 、 l ， 、z轴采用具有绝对值编码器的伺服电机驱动。 2 数控 系统组成 8 4 0 D是西门子公司 2 0世纪 9 0年代推出的数字 化的高性能数控系统，具有高度模块化及规范化的结 构 ，8 4 0 D数控 系统由 N C U模块 、M MC模块 、P L C模 块三部分组成。三部分在功能上既相互分工 ，又互为 支持。它在复杂的系统平台上 ，通过系统设定而适于 各种控制技术 。 2 ． 1 N C U数 字模 块 8 4 0 D的数控单元 称作 N C U，N C U单元集成 了 8 4 0 D的 N C ． C P U和 P L C ． C P U，包括相应 的数控软件 和 P L C控制软件，它还带有 MP I 或 P r o f i b u s总线接 口、R S 2 3 2接口、手轮及测量接口等。根据系统功能 配置的要求，作者选择了 N C U 5 7 1 ． 5 。N C U 5 7 1 ． 5最 多可提供 6根进给轴、2个加工通道，可满足旋压机 床进给运动的需求。 2 ． 2 MMC模 块 M MC人机通讯模块是数控系统和人进行交流的 通道 ，包括三部分 O P操作面板，MM C计算机和 MC P机床控制面板 。 2 ． 2 ． 1 O P操作面板 操作面板 O P带有 1 0 ． 4 ”T F T彩色显示屏，并配 备键盘，可以显示数据和图形 ，提供人机界面，并进 行各项软功能键操作。 2 ． 2 ． 2 MM C计算机 西门子常用 的 MM C有 M MC 1 0 0 ． 2和 M MC 1 0 3 ， 对于西门子 8 4 0 D数控系统配 MM C 1 0 3 。中央处理单 元 P C U 5 0集成在 O P单元内，与 MMC 1 0 3对应，带硬 盘和 软驱 ，主要 完成 机 床 与外 界 及 与 P L C ． C P U、 N C C P U 之间的通信。P C U 5 0是基于 Wi n d o w s 的软件系 收稿 日期 2 0 1 2 0 71 4 作者简介张玉萍 1 9 8 9 一 ，女，硕士研究生，主要研究方向为机电控制。Em a i l z h a n g y u p i n g 2 1 6 1 6 3 ． C O rn。通信作 者辛世界 ，Em a i l s h i j i e _ x i n s d u t ． e d u ． 3 13 ． 。 第 l 6期 张玉萍 等基于 8 4 0 D数控系统的旋压机床改造 1 7 5 统 ，在此基础上可以完成数控系统 的设 置、组态和 操作 ，并且可以在此基础上编制加工程序 ，优化整个 系统功能 。 2 ． 2 ． 3 MC P机床控制面板 MC P是西门子专为数控机床配置的 1 9英寸标准 操作面板，自带用户 自定义按键。机床控制面板用来 进行机床的相关操作 ，主要应用于系统的主轴控制和 进 给控制 功能。 2 ． 3 P L C模 块 P L C模块是实现 P L C与机床外设信息交换的端 口。同一导轨上从左到右依次是电源 P S 、接口模 块 I M ． 及信号模块 S M 。电源模块为 P L C和 N C 单 元提供 2 4 V和 5 V电源 ；接 口模 块用于级之 间 互联，最多 4级 ；信号模块用于机床 P L C输入与输 出，输入型 为 S M 3 2 1 ，输 出型为 S M 3 2 2 ，最多 8个 S M模块 。 西门子公司提供的工具盒 中包含有基本 P L C程 序 ，可完成机床启停、伺服启用、主轴控制等一些基 本操作，其输 输出接口是 固定的，用户只能使用 不能更改。可在其基础上开发新的用户程序 ，来实现 工件夹紧松开、润滑、冷却、液压等辅助功能。P L C 在 S T E P - ／ 软件平台上进行编程。 3 机床改造设计 数控系统采用 8 4 0 D数控系统。进给轴驱动器采 用西门子 6 1 1 D交流驱动装置 ，电机采用西门子 1 F T 6 系列交流伺服电机 ；主轴驱动采用西门子直流驱动装 置6 R A 7 0 ，电机使用西门子直流电机 ，主轴控制使用 A N A转换模块实现数字／ 模拟信号的转换来控制主轴 转速。多功能 MI N I 手持单元使得设备的可控性更加 灵活。输入输出接口使用 s 7 - 3 0 0系列 P L C实现逻辑 控制。改造后的系统硬件配置如图 1 所示。 操 作员 面板 OP 0 1 0 计算机单元 P c u5 0 ．3 机床操作面板 { MC P 4 5 3 C l 厂 ．．．．．L l手轮 x 、Y 、 z轴 ＼ ＼ x 、Y 、z j} 甑 驱动模6 1 1 D l l 伺服电机 图 1 系统硬件配置图 3 ． 1 进给伺服控制 系统设计 伺服电机使用 1 F T 6系列进给伺服电机 ，该电机 转矩大、体积小，控制灵活，精度高。其内装位置反 馈编码器和速度反馈编码器 ，配有专业编码器连接电 缆。使用方面，西门子6 1 1 D数字伺服驱动系统通过 驱动总线与 N C U相连 ，接收数控系统 的指令信号并 向数控系统提供各种反馈信号。驱动控制模块和驱动 功率模块一起构成位置、速度、电流的闭环控制，进 而控制伺服电机的运行 ，电可以用来实现高精度的位 置和速度控制 定位精度可以达到 1 m 。 3 ． 1 ． 1 横向进给伺服系统设计 旋压机的横向进给伺服系统采用全闭环的控制系 统 ，由伺服电机、驱动转换电路、电流调节、速度 调节 、位 置调 节单元 及 相应 的检测 装置 等组 成。 6 1 1 D驱动横向进给系统的原理框图如图 2所示 ，其 中，位置调节器是数字比例调节器，速度和电流调节 器是数字比例积分调节器 ；速度检测装置使用伺服电 动机内置增量式编码器 ，位置检测使用光栅尺。 N 给 图 2 横向进给伺服系统原理图 3 ． 1 ． 2 纵向进给伺服系统设计 机床纵向进给传动采用双电机驱动 ，需要解决两 台电动机的同步问题 。通过对多种常用的同步驱动 方式的分析，作者采用主从控制方法，通过速度调节 和电流调节来实现双电机的同步。控制单元同时向主 从控制回路发出指令 ，通过检测两电机的转速差，将 偏差值作为速度补偿信号反馈给从电机，改变从电机 的输入，从而与主电机保持速度同步；电流给定信号 与电流反馈信号比较后输入电流调节器，同时加入两 电机电流差调节信号 ，来调节电机电流 ，从而实现平 衡两电机转矩的作用。此方法可以有效解决电机进给 方向上的由于外界干扰、系统参数变化等因素造成的 同步控制问题，可以实现高精度、高可靠性同步运 转。双机驱动控制原理如图3 所示。 图3 纵向进给伺服系统原理图 3 ． 2主轴驱动 系统设计 从成本考虑，保留原主轴电机，主轴驱动采用西 门子 6 R A 7 0系列直流调速装置。新的主轴驱动装置 6 R A 7 0只接受模拟控制信号 ，而新的数控系统 8 4 0 D 只能提供数字信号，因此采用 A N A转换模块实现数 字／ 模拟信号 的转换来控制主轴转速，A N A模块将 补偿速度调节信号 I鬻 一 5 1● 7 一 一O 5 一一3 U]J C 一 一 ～ 1 7 6 机床与液压 第4 1 卷 8 4 0 D输出的数字调速信号转换成 1 0 V模拟信号提 供给 6 R A 7 0 ㈧。主轴控制原理如图4所示。 位置反馈 速度反馈 信号转换 图4 主轴控制原理框图 主轴上安装一个编码器既做速度反馈又做位置反 馈，位置反馈给 A N A并通过总线反馈给 8 4 0 D，速度 反馈给 6 R A 7 0 。因主轴编码器信号为 1 V p p信号，而 与 6 R A 7 0相匹配的编码器信号为 r r I 1L信号，因此 ， 使用主轴编码器信号转换器将正弦 1 V p p信号转化成 1 Y I ’L信号送给6 R A 7 0 。 4 调试及改造结果 系统调试的主要步骤如下 1 按照 8 4 0 D系统的硬件连接说明书和设计的 电气原理图完成硬件安装 ，然后对 C N C系统和伺服 系统的参数进行设定，对机床的系统数据、通道数据 等进行配置 。 2 伺服系统的调试。对电机的参数进行调整 ， 使控制性能达到最优。 3 上电调试。西门子 8 4 0 D数控系统输入电压 为 2 4 V，伺服系统输入电压为 A C 2 2 0 V。确认数控 系统各器件的连线正确后接通电源，进行调试。 改造后 ，机床所达到的参数指标为 主轴转速范围8 0 4 5 0～ 9 2 0 r ／ ra i n ； 纵向进给速度01 5 0 0 m m ／ m i n ；纵向快移速 度 最大 7 ． 5 m ／ m i n ； 横向进给速度01 5 0 0 m m ／ m i n ；横向快移速 度 最 大 4 m ／ m i n ； 纵向进给力 最大 4 8 0 k N； 每个旋压轮的径向进给力 最大 3 2 0 k N。 改造后，旋压机床运行稳定，系统功能强大 ，增 加了机床的可靠性 ，减少了故障时间，系统易维护 ， 生产效率大大提高。事实证明旧机床改造不仅实用 性能好，而且周期短，还可以节省大量资金。8 4 0 D 数控系统在机床改造领域的应用将会越来越广泛。 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 】郝越邦， 焦亮 ， 化春雷， 等． 基于 S I U M E R I K 8 4 0 D的数控 机床控制系统设计[ J ] ． 机械制造， 2 0 1 1 6 6 8 ． 【 3 】杨斌． 西门子 S I U M E R I K 8 4 0 D数控系统介绍[ J ] ． C A D ／ C A M与制造业信息化， 2 0 0 4 6 8 7 8 9 ． 【 4 】闵惠芬， 蒋伟． 伺服系统在数控中的应用[ J ] ． 机械制造 与研究， 2 0 0 7 2 1 O一1 3 ． 【 5 】 刘福才， 张学莲， 刘立伟． 多级电机传动系统同步控制理 论与应用研究[ J ] ． 控制工程， 2 0 0 2 ， 9 4 8 7 9 0 ． 【 6 】谭红． 用西门子8 4 0 D数控系统改造4 ． 5 1 7 m龙门铣 镗床[ D] ． 重庆 重庆大学， 2 0 0 7 3 8 4 0 ． 浅析国内机床工具行业发展转变的方式 国内市场对于机床的需求水平明显提高，特别是对 中、高档机床的需求增长特别快 ，针对这一现状 ， 要求国 内机床企业应该更加快速改变发展方式和服务水平。 机床工具行业大力推进行业发展方式的转变，主要表现在两个方面第一，要解决深层次问题 ，增加产 品附 加值 ，克服企业多年来在技术改造和产品上形成 的 “ 重硬轻软”的弊病 ；第二 ，要提高服务水平和服务能力。 国内企业大多数局限在帮助用户解决现场问题的阶段 ，不注重提高质量的服务。相同的条件下 ，国外企业向用户 提供的是一次性全方位解决方案，不仅是产品 ，更加注重综合服务水平 。 高档数控机床的市场占有率是衡量国内机床企业竞争力的重要指标 。一季度的统计数据显示 ，我国机床工具 产品进 口同比增长 6 1 ． 9 ％ ， 再创历史新高 。当在这种情况下 ，我们势必要提高国产中高档数控机床产品的市场 竞争力。然而目前国产中、高档数控机床产品总的情况是质量上不去， 成本下不来。 为了加速国内企业的发展， 应该以点带面，加快中、高档数控机床产业化发展步伐。客观上讲，目前国产数 控机床产品的技术水平确实有了很大的提升，科技攻关、0 4科技专项也可谓硕果累累，但中、高档机床产业化 的步伐还是举步维艰。由于我国在整体研发体系等方面的不足，要想在短期内全面提升国产中、高档数控机床的 产业化水平还困难重重 ，必须以点带面 ，在一些重点应用领域实现突破 。 想要提高企业 的知名度和地位 ，企业本身就要注意技术的改造，提高高档产品的制造能力 ，不断创新发展 ， 利用国家政策大量吸引人才，注意人才的培养，利用国际资源，在实践中创新开辟国际市场，注意营销意识和服 务水平 。 内容来源中国行业研究网
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