楊文健

（中國工業(yè)成都飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川成都 610092）

五坐標三主軸數(shù)控龍門銑床是公司20世紀90年代從美國辛辛那提·米拉克龍公司引進的，機床控制系統(tǒng)為ACRAMATIC 950，20世紀80年代推出的，坐標伺服驅(qū)動系統(tǒng)為美國哥爾摩根公司生產(chǎn)的BSD3模擬驅(qū)動裝置，主軸多達3個SP1、SP2、SP3，坐標有X1、X2、Y、Z、A、B五個軸，X坐標采用雙軸驅(qū)動，行程長達19 m，機床從1994年投入生產(chǎn)以來一直是公司工件加工的主力機床之一，由于機床使用年限長，電氣系統(tǒng)老化，機械傳動部分磨損，漏油嚴重，機床故障率高，電氣系統(tǒng)備件目前廠家供應(yīng)基本停止，機床出現(xiàn)電氣系統(tǒng)、坐標伺服驅(qū)動等方面故障時，要花高額費用和很長時間才能買到備件，停工周期長，維修難度大，嚴重阻礙了生產(chǎn)任務(wù)完成。機床的價格昂貴，報廢顯然行不通，但目前使用又不能滿足生產(chǎn)要求，對機床電氣系統(tǒng)、機械傳動部分修理的改造勢在必行。

機床改造的主要目標是:利用新技術(shù)、新產(chǎn)品完成機床設(shè)備電氣系統(tǒng)改造更新，對機械部分進行修理，提高設(shè)備可靠性，減少故障和停機時間，提高生產(chǎn)效率。下面僅針對電氣系統(tǒng)的改造與設(shè)計。

1 改造前的機床電氣系統(tǒng)

1．1 機床控制系統(tǒng)

五坐標三主軸數(shù)控龍門銑床控制系統(tǒng)是美國辛辛那提．米拉克龍公司20世紀80年代推出的ACRAMATIC 950（簡稱A950），A950系統(tǒng)由處理器控制部件（PCA）、操作站部件（OSA）、機床接口部件（MIA）和機床操作站部件（MSA）共4大部分組成。

（1）處理器控制部件（PCA）

處理器控制部件（PCA）包含了與操作站裝置、機床、坐標軸伺服控制、主軸控制及各端口進行通信所必須的所有硬件。由A950母板（M950）和安裝在母板上的19塊印刷線路板:總上層板（BOH）、中規(guī)模CPU、小規(guī)模CPU、通用存儲器（GRAM）、硬盤/軟盤控制器（WFI）、彩色T圖形文本處理器（CVC）、機床控制接口（APCI）、四通道控制器（FCC）、伺服上層板（SOH）、二通道伺服控制器（SV2）、系統(tǒng)配置硬盤、系統(tǒng)電源組成。

（2）操作站部件（OSA）

由1個14英寸彩色觸屏式CRT、鍵盤接口板（RSKI）和電源組成。

（3）機床接口部件（MIA）

是由1個單一的16槽I/O框架構(gòu)成，可容納128 I/O點，工作電源（+5 V和+12 V）由處理器控制單元提供。

（4）機床操作站部件（MSA）

由控制機床的各種功能鍵和LED面板組成，通過RSKI板連接至操作站部件（OSA）。

1．2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)

五坐標三主軸數(shù)控龍門銑床坐標伺服驅(qū)動是使用美國哥爾摩根公司生產(chǎn)的BSD3驅(qū)動裝置，伺服控制系統(tǒng)由A950控制器3個板支持:1塊小規(guī)模伺服管理處理器SCPU板、1塊伺服上層板SOH板、二軸伺服SV2模擬反饋SV2板。坐標檢測單元采用電動機內(nèi)裝的旋轉(zhuǎn)變壓器，檢測方式為增量式，控制方式為半閉環(huán)。

1．3 主軸驅(qū)動系統(tǒng)

機床主軸數(shù)達3個，分別由3臺45 kW三相電動機和3臺GE公司AC－300變頻器組成。

1．4 機床控制電路

機床控制電路包括控制液壓站、冷卻液、導(dǎo)軌潤滑、主軸齒輪潤滑和主軸油氣潤滑等控制。

2 機床目前狀況

2．1 控制系統(tǒng)

五坐標三主軸數(shù)控龍門銑床控制系統(tǒng)A950是20世紀80年代推出的，系統(tǒng)軟件存儲在8張3.5英寸1.44 M軟盤里，軟盤受潮易生霉難于保管，每年就要重新復(fù)制，否則數(shù)據(jù)丟失，那就要花昂貴費用到廠家復(fù)制，近年來軟盤很難在市場買到，但每次更換新硬盤必須要用8張系統(tǒng)軟盤依次加載系統(tǒng)軟件才能使用，硬盤只有40 M，損壞后，需從廠家購買裝有引導(dǎo)程序的硬盤，機床硬盤安裝位置由于隨機床運動很容易損壞，基本兩年更換一個。

2．2 操作站

操作站顯示器采用觸屏，現(xiàn)場使用環(huán)境使觸摸屏很容易損壞，現(xiàn)在沒有備件供應(yīng)，造成觸摸屏損壞需更換整個顯示器，顯示器從廠家已很難買到，就是買到費用達5萬美元，目前采用外修方法艱難維持機床工作，由于顯像管老化，開機要很長一段時間才能正常顯示。

2．3 坐標伺服驅(qū)動

機床大部分出現(xiàn)故障都是在伺服驅(qū)動方面。該機床位置檢測單元采用電動機內(nèi)裝的旋轉(zhuǎn)變壓器，該檢測元件安裝不好，很容易損壞。這種型號的電動機和驅(qū)動伺服裝置廠家已停產(chǎn)，目前采用外修方法，但多次維修已經(jīng)沒有修的價值。機床采用增量式檢測，X行程19 000 mm，回原點每次都要開到機床固定位置，很耗費時間。

2．4 主軸變頻器

機床主軸變頻器體積大，每個主軸變頻器約1 000 mm×400 mm，發(fā)熱量大，電氣柜每個柜子只用14 W軸流風(fēng)機散熱，使得電氣柜溫度過高，主軸變頻器工作不良，主軸出現(xiàn)異常波動，影響工件加工表面質(zhì)量。

2．5 機床控制電路

機床使用年限長，電纜護套破裂，造成電纜線露出磨破，對地短路，電氣元件老化，出現(xiàn)工作不良，使故障率大增，機床可靠性降低，造成加工質(zhì)量問題。

2．6 五軸聯(lián)動精度

機床為五軸聯(lián)動機床，由于系統(tǒng)原因，無法方便用球頭檢查機床五軸精度，由于機床使用年限長，機械傳動部分磨損，精度下降嚴重。

2．7 系統(tǒng)通信內(nèi)存

機床系統(tǒng)內(nèi)存很小只有120 000字節(jié)，稍微復(fù)雜工件無法滿足加工，使用DNC在線加工，由于通信采用RS232，可靠性不高，造成程序少段，工件報廢。

3 機床電氣系統(tǒng)的改造設(shè)計

鑒于機床電氣系統(tǒng)現(xiàn)狀，對機床進行改造，具體方案如下:

對機床重新設(shè)計電氣工作原理圖，機床操作方式采用集中式操作，都統(tǒng)一到按鈕站上（西門子顯示器OP015及機床19英寸操作面板MCP483C），極大方便操作，更換機床操作面板和與之配套的全功能CNC鍵盤。

3．1 機床數(shù)控系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng):選用德國 SIEMENS公司 SINUMERIK 840D Powerline數(shù)控系統(tǒng)。

（2）HMI（人機界面）:OP015，15．1英寸 TFT彩色液晶顯示器，分辨率為1 024×768像素（XGA），帶防塵薄膜按鍵及鼠標;薄膜輕觸防水工業(yè)級鍵盤;直接連接Profibus－DP;智能化操作面板，堅固耐用，結(jié)構(gòu)扁平緊湊;開放式的人機對話;UBS接口“即插即用”可方便連接標準鍵盤和鼠標。

依據(jù)GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細骨料》，再生細骨料按性能要求可分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。該規(guī)范對再生細骨料的分類方法作了嚴格界定，對再生細骨料的微粉和泥塊含量、有害物質(zhì)含量、堿集料反應(yīng)等有明確的限制，引入了秦原等[12]提倡的再生細骨料的需水量比指標，并對壓碎指標、表觀密度、堆積密度和孔隙率作了規(guī)定(見表1)。

（3）PCU50．3－ P:Intel技術(shù) PM670 MHz，2 G/1 024 M SDRAM;40 G可替換硬盤;最新HMI軟件，Windows XP嵌入式操作系統(tǒng)，中/英顯示界面;支持Ghost數(shù)據(jù)備份和恢復(fù);以太網(wǎng)10/100Mbit/S（RJ45），TCP/IP 協(xié) 議;4*UBS2．0;1*PROFIBUS/MPI;COM1、COM2串口、LPT1并口、VGA顯示口、PS/2鼠標/鍵盤口;MPI/Profibus－DP總線接口;2*PCI（1*265 mm（10．4 英寸），1*175 mm（6．89 英寸））;1*CF 卡。

（4）NCU:集CNC、PLC控制和通訊任務(wù)于NCU單元;NCU573．5:CPU 933 MHz，最多可控制 31 軸，實現(xiàn)10個方式組，10個加工通道;840D Powerline的系統(tǒng)軟件儲存于一個PC卡上，可帶31個軸;集成PLC，PLC內(nèi)存容量128K，CPU為933 MHz;12軸控制軟件，包括五軸聯(lián)動功能，3D刀具補償、RTCP加工功能;龍門同步軸功能;DNC通訊軟件;SINUCOM軟件包;PLC梯形圖實時編輯及顯示軟件;圖形模擬功能;預(yù)讀功能;前饋控制。

（5）Handheld unit type B－MPI手持單元:二通道的急停和使能按鈕;3．5 M長的螺旋伸縮電纜。

（6）PLC I/O輸入/輸出模塊:使用的是SIMATIC S7－700一樣的模塊，并完全兼容，具有優(yōu)良的通用性和可互換性。I/O點按256/192配置。兩塊IM361接口模塊，總線連接，減少柜與柜之間連接線。

IM361:6ES7361－3CA01－0AA0

DI32:6ES7321－1BL00－0AA0

DO32:6ES7322－1BL00－0AA0

重新設(shè)計PLC控制軟件。

3．2 伺服驅(qū)動及電動機

機床坐標X1/X2、Y、Z、A、B進給驅(qū)動和電動機，采用德國西門子公司最新的SIMODRIVE 611D全數(shù)字交流驅(qū)動裝置56A驅(qū)動模塊6塊，611D單軸數(shù)字式調(diào)節(jié)控制單元6塊，1FT6高精度交流伺服電動機替代原機床的科爾摩根驅(qū)動裝置和伺服電動機，所有電動機的法蘭盤、聯(lián)軸器重新設(shè)計、制造和安裝，實現(xiàn)機床各軸的進給或旋轉(zhuǎn)控制。電源前端配置濾波器、電抗器、限壓模塊，減少電網(wǎng)對系統(tǒng)的干擾。

（1）611－D數(shù)字化驅(qū)動系統(tǒng):是西門子新一代數(shù)字化智能型閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)，能夠滿足高動態(tài)響應(yīng)、寬速度設(shè)定范圍和高旋轉(zhuǎn)精度的驅(qū)動最高要求，模塊化的設(shè)計方便機床控制軸的擴展。最高響應(yīng)頻率可達到:1 400 Hz，最高編碼器的分辨率:2 048倍。具體配置如下:

（2）611電源模塊:選用再生回饋式電源模塊，配套電源進線電抗器、電源濾波器、限壓模塊等，抑制電源波動造成模塊損壞。

電源電抗器:6SL3000－0DE31－2AA1

電源濾波器:6SL3000－0BE31－2AA1

電源模塊:6SN1145－1BB00－0EA1

監(jiān)控模塊:6SN1112－1AC01－0AA1

（3）位置檢測:選用電動機內(nèi)裝的絕對位置檢測編碼器，使機床開機上電就記憶位置，不需回原點，更快進入加工狀態(tài)。

（4）主軸驅(qū)動和電動機:機床3個主軸驅(qū)動采用西門子公司6SE70系列矢量控制型55 kW變頻器（帶有M08）替代原機床GE公司AF－300C變頻器，增加2個HLA/ANA模塊控制主軸驅(qū)動，保留機床3臺交流主軸電動機。

主軸變頻器:6SE7031－2EF60－Z Z=M08

ANA模擬板:6SN1115－0BA11－0AA1

制動單元:6SE7023－2EA87－2DA0

制動電阻:6SE7023－2ES87－2DC0

（5）伺服驅(qū)動電動機:使用壽命長;過載能力強;溫度絕緣等級高，F(xiàn)級;動態(tài)響應(yīng)快;高精度、內(nèi)裝式編碼器;高抗側(cè)向力;符合歐洲EMC電磁干擾標準。

機床選擇西門子坐標伺服電動機如下:

3．3 系統(tǒng)電纜

配置數(shù)控系統(tǒng) PCU50、MCP、OP015、NCU573．5 之間全采用高性能的西門子電纜，與數(shù)控系統(tǒng)匹配，1FT6電動機與611D之間動力電纜和編碼器電纜全部采用高性能的西門子電纜，大大提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，更換機床相關(guān)的電線電纜，電氣控制線路設(shè)置分線盒，便于維修。

3．4 更換控制柜和電氣元件

電氣控制柜采用威圖全密封控制柜，顏色為?；疑鼡Q電氣柜內(nèi)主要的低壓元件、電線電纜、接線端子接頭，采用品牌產(chǎn)品，電氣柜柜內(nèi)分別安裝NCU+電源模塊+驅(qū)動、3個主軸變頻器，所有元器件及電纜、電纜接頭均有明確標識并與電氣原理圖相符。電氣動作控制安全、準確可靠，電氣柜布線符合國家安裝標準。

3．5 電氣柜空調(diào)

每節(jié)電氣柜加裝制冷空調(diào)，制冷量每組2 500 W以上，確保系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、電氣元件等裝置工作在良好狀態(tài)。

3．6 電氣柜布局

電氣柜、電氣柜空調(diào)、操作臺都使用德國威圖（Rittal）公司產(chǎn)品，坐標、系統(tǒng)控制電氣柜、主軸控制電氣柜為800 mm×600 mm×2 000 mm的密封柜6組。

4 結(jié)語

五坐標三主軸數(shù)控龍門銑床按上述設(shè)計方案改造后，進行了試件試切加工，在完全達到要求后交付車間使用，機床運行安全、穩(wěn)定、可靠，生產(chǎn)效率得到提高，保證產(chǎn)品質(zhì)量，維修周期大大縮短，僅用機床總價值約10%花費進行改造，使得機床使用壽命得以延續(xù)，還對今后數(shù)控機床改造提供了經(jīng)驗。

［1］沈冰，戴明仁．?dāng)?shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)維修技術(shù)與實例［M］．北京:機械工業(yè)出版社．

［2］西門子 catalog NC60．Automation system for machine tools［Z］．

［3］Cincinnati Milacron Acramatic A950．control reference manual［Z］．

［4］Cincinnati Milacron Vertical 5－axis 3－spindle gantry type CNC profiler．operating manual［Z］．