陜西重型機器廠 曹 宏

近年來，隨著國內(nèi)各種類型機床改造需求的擴大，機床改造已經(jīng)逐漸形成了一個產(chǎn)業(yè)。其中絕大多數(shù)是數(shù)控機床的改造，也有一部分來自非數(shù)控機床的升級改造。在數(shù)控機床的改造和非數(shù)控機床的升級改造中，一個好的改造方案是改造成功的基礎(chǔ)。在這個環(huán)節(jié)嚴格把關(guān)，保證了改造的成功的實施。本文將就改造方案的選擇進行闡述，分析每一個步驟的具體內(nèi)容，供大家參考。

一、現(xiàn)代數(shù)控驅(qū)動產(chǎn)品帶來的豐富選擇

我們將以西門子主流數(shù)控系統(tǒng)為例，逐一加以分析。

802S802D810DCCUI840D840DI840C測量回路數(shù)45663130近給軸/主軸3/14/16/1+16/631/3130/6驅(qū)動系統(tǒng)步進驅(qū)動611U611D611D611D611A/D線性插補軸33444/125通道數(shù)1112106 PlC最大I/O64/64144/96768/7682048/20482048/20481024/1024 PLC編程S7-200S7-200CPU314S7-300S7-300S5135WB2中文環(huán)境YESYESYESYESYESNO龍門同步軸NONONONOYESYES同時程序輸入和執(zhí)行YESYESYESYESYESYES基本/最大零件程序區(qū)0.25MB0.25MB0.25/1.5MB0.25/1.5MB2.5MB2.7MB手持單元YESYESYESYESYESYES等離子單顯YESYESYESYESYESYES等離子彩顯NOYESYESYESYESYES圖形模擬NOYESYESYESYESYES遠程診斷NONOYESYESYESYES性能經(jīng)濟型經(jīng)濟型中檔型中檔型高檔型高檔型主要使用機床類型車/銑車/銑車/銑/磨銑/磨/鐘鏜/銑加工中心

1.SINUMERIK802S/C系統(tǒng)

802S和802C系統(tǒng)標準配置包具備了所有的必要組成單元：NC，PLC，操作面板，機床控制面板，輸入/輸出單元及系統(tǒng)軟件。操作編程及其簡單，免維護，性能價格比高，是專門為低端CNC機床市場而開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)。

802S和802C兩個系統(tǒng)具有同樣的顯示器，操作面板，數(shù)控功能，編程方法等，所不同的只是SINUMRIK802S帶有步進驅(qū)動系統(tǒng)，控制步進電機，可帶3個步進驅(qū)動軸及一個V+/-10V模擬伺服主軸；SINUMRIK802C帶有伺服驅(qū)動，它采用傳統(tǒng)的模擬伺服V+/-10V接口，最多可帶3個伺服驅(qū)動軸及一個伺服主軸。最新推出的802Se/ce，更是將CPU，輸入輸出點，控制接口等所有部件集成在面板背后，一體化的設(shè)計使得使用維護更為方便。因此802S和802C系統(tǒng)非常適合于普通機床。數(shù)顯機床的數(shù)控化改造以及低擋數(shù)控機床的數(shù)控配套和改造。如數(shù)控車床，數(shù)控鏜銑床，數(shù)控磨床等。

其中SINUZAIMERIK802C，在車/銑加工應(yīng)用技術(shù)上具有優(yōu)勢，配的是新型的西門子SIMODRIVE611U，這種系統(tǒng)可以連接3個坐標軸的光柵尺，形成全閉環(huán)控制，性能價格比很高。

2.SINUMERIK802D系統(tǒng)

西門子公司在新世紀推出了802D數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)屬于中低檔系統(tǒng)，其特點是：全數(shù)字驅(qū)動，中文系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單（通過Profibus連接系統(tǒng)面板，I/O模塊和伺服驅(qū)動系統(tǒng)）調(diào)試簡單（通過PCMCIA卡批量調(diào)試）。具有免維護性能的

SINUMERIK802D核心部件——控制面板單元CPUC）具有CNC，PLC，人機界面和通訊等功能，集成的PC硬件可使用戶非常容易地將控制系統(tǒng)安裝在機床上。

SINUMERIK802D可控制4個數(shù)字進給軸和一個主軸。主軸完全通過PCU控制，即有數(shù)字接口，也可通過模擬接口控制。使用Profibus總線可非常簡潔地將伺服和I/O模塊等系統(tǒng)各部件直接相連。模塊化的驅(qū)動裝置SIMORIVE611U可以數(shù)控設(shè)備的需要配置各種驅(qū)動和電機，強大的Windows工具可以非常輕松地設(shè)置驅(qū)動參數(shù)，位置測量可用電機端編碼器，也可以用光柵尺，SINUMERIK802D具有功能強大的PLCSIMATICST-200，其編程工具可運行在任何PC機上，其診斷功能也非常完善。梯形圖編程和經(jīng)典的PLC程序舉例可非常方便地應(yīng)用于機床控制。

SINUMERIK802D系統(tǒng)屬于低檔系統(tǒng)，但是基本上已經(jīng)是標準的數(shù)控系統(tǒng)，最適合于數(shù)控車床，銑床和帶小型刀庫的數(shù)控加工中心的配套及改造。

3.SINUMERIK840D/810D/840Di

840D/810D是幾乎同向推出的，具有非常高的系統(tǒng)一致性，顯示/操作面板，機床操作面板。STEP7-300PLC輸入/輸出模塊，PLC編程語言數(shù)控系統(tǒng)操作，工件程序編程，參數(shù)設(shè)定，診斷等。

由于以上特點，該系列產(chǎn)品在許多企業(yè)應(yīng)用，尤其在汽車，航空，機械，等行業(yè)。采用840D/810D系統(tǒng)，S7-3OO，Profibus，HMI等產(chǎn)品，對設(shè)備進行改造。由于操作的一致性，編程的一致性，備件的一致性。使得培訓(xùn)和維修非常方便。

SINUMERIK 840D，它在復(fù)雜的系統(tǒng)平臺上，通過系統(tǒng)設(shè)定而適用于各種控制技術(shù)。840D與SINUMERIK611D數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)和SIMATIC ST可編程控制器一起，構(gòu)成了全數(shù)字控制系統(tǒng)，它適用于各種復(fù)雜加工任務(wù)的控制，具有優(yōu)于其他系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)和控制精度。標準控制系統(tǒng)的特征是具有大量的控制功能，如鉆削，車削，銑削，磨削以及特殊控制，這些功能在使用中不會有任何相互影響。由于開放的結(jié)構(gòu)，這個完整的系統(tǒng)也適于其他技術(shù)如剪切，沖壓和激光加工等。

SINUMERIK 840D的突出之處在于其不斷擴展的特性。其自學(xué)習(xí)，自優(yōu)化功能使系統(tǒng)的調(diào)整時間大為縮短，精調(diào)也可按用戶的要求簡單自動的進行。遠程診斷使其故障的解決更加方便快捷。

SINUMERIK 840D最大限度集成在與SIMODRIVE611控制模塊相同的50mm寬框架中。SINUMERIK 840D，SIMODRIVE611加上先進的SIMATIC ST系統(tǒng)為機床的自動化提供了全方位的解決方案，全數(shù)字化的系統(tǒng)，革新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更高的控制品質(zhì)，更高的系統(tǒng)分辨率以及短的采樣時間，確保了一流的工件質(zhì)量。

840D采用了當今最先進的控制概念，使用于鉆削，銑削以及車削和磨削機床加工的控制。例如：具有數(shù)控系統(tǒng)和SIMODRIVE間數(shù)字通訊的車床可以達到磨床的精度。SINUMERIK 840D還可以實現(xiàn)許多特殊的NC功能，這在同類系統(tǒng)中是難以看到的。

SINUMERIK 810D系統(tǒng)是840D的CNC和驅(qū)動控制集成型，NC CPU和驅(qū)動集成在一塊板子上，驅(qū)動的功率部分又可提供3個坐標和2個坐標兩種。簡單的說，也就是SINUMERIK 810D系統(tǒng)沒有驅(qū)動接口，SINUMERIK 810D NC軟件選件基本包含了840D的全部功能。

例如：

a)同樣的鉆、銑、車等加工循環(huán)。

b)提前預(yù)測功能，可以在集成控制系統(tǒng)上實現(xiàn)快速控制。

c)坐標變化功能。

d)固定點停止可以用來卡緊工件或定義簡單參考點。

e)模擬量控制，模擬量信號輸出。

f)刀具管理也是另一種功能強大的管理軟件選件。

g)多項式插補功能可以提高SINUMERIK810D/810DE運行速度。

h)溫度補償功能保證數(shù)控系統(tǒng)在這種高技術(shù)，高速度運行狀態(tài)下保持正常溫度。

由此可見SINUMERIK 810D的功能和選件非常強大，并不低于840D，只是其應(yīng)用場合有特殊性，合理的利用其內(nèi)部集成的驅(qū)動系統(tǒng)，可以減少成本并且獲得高性能。

近兩年，在國內(nèi)的數(shù)控機械床的改造之中，運用最多的就是SINUMERIK 840D/810D。

最近隨著采用Profibus-DP現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的西門子840Di系統(tǒng)的推出，在數(shù)控機床的改造中又多了一種頗有競爭力的選擇，全PC集成的SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)提供了一個基于PC新潮的控制概念。得益于此概念的主要用處是那些以某種方式使用了PC的場合或者使用分布式驅(qū)動和I/O的自控方案，應(yīng)用領(lǐng)域包括木制品，玻璃，制陶，包裝，貼片機，沖壓機，彎曲機，以及各種機床和類似機床的機械。出了高度的軟硬件開放性，SINUMERIK 840Di的顯著特點是，CNC的控制功能HM1功能一起都在PC處理器上面運行。也就是說，可以省略傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中所需的NC處理單元。這種控制系統(tǒng)包含大量的標準化部件：帶接口卡的工業(yè)PC機，Profibus-DP，Windows NT操作系統(tǒng)，OPC(用于過程控制的OLE)用接口和NC控制單元。

SINUMERIK 840Di可提供給您的還有很多，特別有利的是其在SINUMERIK 家庭中的地位。例如，SINUMERIK 840D和SINUMERIK 840Di的NC和PLC功能，操作者功能和機床數(shù)據(jù)是兼容的，相應(yīng)的NC程序和PLC程序在這兩個系統(tǒng)上都可以運行。而且由于系統(tǒng)高度開放，軟件應(yīng)用可同樣適用于兩個系統(tǒng)。

利用Prolibus-DP實現(xiàn)分布式配置。如今系統(tǒng)朝著分布式方向發(fā)展的趨勢是十分明顯的。而SINUMERIK 840Di的另一個重要特點就是帶有位置控制的Prolibus-DP。這是一種用于驅(qū)動和I/O的統(tǒng)一的現(xiàn)場總線，它允許數(shù)個系統(tǒng)實現(xiàn)分布配置。

SIMATIC PROTOOL/PRO配置工具加上附屬的“SINUMERIK ProTool/Pro選件”為您提供了特殊便利。用戶可利用起來生成自己用的用戶界面而不必掌握額外的軟件技能。全部功能集于同一模塊，實現(xiàn)了最佳通訊。MCI板是一塊PCI式的插板。該模塊包含了集成的SINUMERIK ST-315-2 DP PLC-CPU及用于MPI(多接口)和Profibus DP接口和I/O?？涉溄覵IMODRIVE6111通用性驅(qū)動裝置，SIMATIC DP ET200模塊則可作為I/O。

4.SINUMERIK 840C系統(tǒng)

SINUMERIK 840C系統(tǒng)一致雄踞世界數(shù)控系統(tǒng)之首，內(nèi)裝功能強大的PLC135WB2，可以控制SIMODRIVE 611A/D模擬或數(shù)字式交流驅(qū)動系統(tǒng)，適合于高復(fù)雜度的數(shù)控機床。這套系統(tǒng)主要應(yīng)用在復(fù)雜的數(shù)控鏜銑床，加工中心，龍門加工中心，五面體加工中心，高檔磨床等設(shè)備。

5.與數(shù)控系統(tǒng)相配套的西門子先進的交流驅(qū)動系統(tǒng)

SIMODRIVE交流驅(qū)動系統(tǒng)采用了統(tǒng)一的伺服控制技術(shù)進給伺服扭矩從0.33N·m到185N·m，交流主軸電機從3.7kW到100kW，適應(yīng)不同的驅(qū)動系統(tǒng)解決方案。SIMODRIVE611A模擬量伺服，配合IFT5系列進給驅(qū)動電機和IPH7主軸電機，可控制主軸、進給軸機普通異步電機。SIMPDRIVE 611D數(shù)字式伺服，配合IFT6/IFK6系列進給驅(qū)動電機和IPH7主軸電機，可控制主軸、進給軸等。SIMODRIVE611U，可接受模擬信號或者數(shù)字信號，可以進行位置控制、速度控制及轉(zhuǎn)矩控制。

二、改造對象的全面調(diào)查

1.機床的來源及改造需求

1)進口數(shù)控機床：80年代以來我國為滿足軍工生產(chǎn)的需求進口了大量的數(shù)控機床，這些機床基本都是精密高檔設(shè)備。由于長期使用，這些機床已經(jīng)到了電氣升級換代的時候。

2)進口二手數(shù)控機床：這類機床由于多為企業(yè)考慮生產(chǎn)實際需要，自籌資金進口，相對采購成本較低，進口量比較大，其中有些機床進口時就考慮了改造需求，有些則是進口后，運行一段時間就面臨著改造的需求。

3)國產(chǎn)數(shù)控機床的電氣改造。

4)普通機床的升級改造。

以上4大類中，1)和2)類改造需求大多是中高檔系統(tǒng)，3)和4)則是中低檔數(shù)控系統(tǒng)比較理想的改造對象。

2.改造對象的現(xiàn)狀調(diào)查

1)數(shù)控系統(tǒng)的分析

數(shù)控系統(tǒng)的改造首當其沖的是系統(tǒng)的改造。目前我國的數(shù)控機床和系統(tǒng)主要有大品牌：德國SIEMENS的SINUMERIK7、3、8、850/880、810（早期型號）、日本FANUC7、6、3。由于多數(shù)系統(tǒng)的電氣設(shè)備已經(jīng)停止生產(chǎn)，改造是基本上不考慮保留老系統(tǒng)，采用的方案應(yīng)當根據(jù)機床現(xiàn)有控制等級、產(chǎn)品生產(chǎn)需求、企業(yè)資金狀況選擇相應(yīng)檔次的系統(tǒng)。

這些系統(tǒng)大部分帶有老型號的PLC邏輯控制系統(tǒng)，在改造的方案的制定中，需要考慮新老系統(tǒng)替換時候的差別，對PLC輸入、輸出點數(shù)的數(shù)量和性能做出估算。

2)老主軸伺服系統(tǒng)的價值分析和改造方案

改造對象的主軸系統(tǒng)分為兩大類：直流伺服主軸和交流伺服主軸。

改造方案如下：

a.保留驅(qū)動裝置和電機：老的主軸伺服系統(tǒng)采用的基本都是+/-10V的模擬信號接口，對于狀態(tài)良好價值很高的主軸可以采用保留的方案，適用的系統(tǒng)有：SINUMERIK802C、802D、810D、840D、840Di、840C。

b.只保留直流主軸電機：有些大型機床主軸電機功率大，價格比較高，安裝麻煩，同時電機狀態(tài)良好，這時可采用保留電機，改造驅(qū)動系統(tǒng)，采用西門子新的直流伺服控制裝置6RA70替代老驅(qū)動裝置，適用的系統(tǒng)有SINUMERIK802C、802D、810D、840D、840Di、840C。

c.不保留驅(qū)動裝置和電機，采用西門子新型IPH系列主軸電機和相應(yīng)的驅(qū)動裝置代替老的電機和驅(qū)動裝置。

3)老進給伺服系統(tǒng)分析和改造方案

保留驅(qū)動裝置和電機：適用的系統(tǒng)有SINUMERIK802C、802D、810D、840D、840Di、840C。

不保留驅(qū)動裝置和電機：采用西門子新型IFK6/7、IFT6、IFE1進給軸電機和相應(yīng)的驅(qū)動裝置代替老電機和驅(qū)動裝置。

4)測量系統(tǒng)的價值分析和改造方案

旋轉(zhuǎn)變壓器：基本不能保留，可以采用新型的旋轉(zhuǎn)編碼器代替。

感應(yīng)同步器/尺：感應(yīng)同步器/尺的情況略為復(fù)雜一些，能更換的盡量更換，用新型的HEIDENHAIN光柵尺和園光柵尺加以替代。但是在某些場合，如精密轉(zhuǎn)臺，會面臨園光柵尺的安裝問題。如無法安裝，SIEMENS為此提供了感應(yīng)同步器/尺信號到新系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換裝置，但是這個裝置的價格相對比較昂貴。

光柵尺：我們接觸到的進口機床大部分采用HEIDENHAIN光柵尺，對于這些老光柵尺，其中方波信號可使用的新系統(tǒng)有：SINUMERIK 802C、840C，電壓信號適用的新系統(tǒng)有：SINUMERIK 802C 、802D、810D、840D、840Di、840C。但是大量的老光柵尺的信號是電流信號，為此SIEMENS和HENDEIHAIN分別提供了電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換裝置，而且價格也不太貴。

5)原始資料

機床的原始資料是了解機床出出廠的狀況的最基本資料，其中電氣原理圖、電器維修手冊、控制程序等都是需要仔細研究的。

6)控制需求和特殊選件

對于一臺需要改造的機床，控制要求、主軸數(shù)。坐標軸數(shù)、測量元件，機床現(xiàn)狀幾大要素基本可以確定改造所要選擇的系統(tǒng)和相應(yīng)的驅(qū)動和測量系統(tǒng)方案。但這并不是絕對的，有些特殊類型機床或者用戶需要的一個特殊功能往往就決定了系統(tǒng)的選擇。

例如：

a.圖形顯示和圖形模擬。

b.雙/多草通道功能，用于雙車、車削中心和其他具有兩個加工單元的機床。

c.龍門軸功能：龍門式鏜銑床、加工中心，要求兩個龍門軸能夠完全實現(xiàn)同步，只有這個功能才能做到實時監(jiān)控兩個坐標的跟隨誤差，實現(xiàn)同步。

d.配對軸功能：兩個坐標軸可以實現(xiàn)要求不高的同步。

e.激光加工的距離控制。

f.同步主軸功能：用于車削中心兩個主軸之間的工件交換。

g.砂輪恒線速控制。

h.砂輪的在線修整和補償。

i.斜軸磨床。

j.DNC功能。

k.前饋控制。

l.進給軸齒輪插補：用于齒輪加工機床。

m.凸輪插補。

n.鏜床鏜桿低頭補償。

o.網(wǎng)絡(luò)和遠程診斷功能

用戶提出的特殊功能，系統(tǒng)生產(chǎn)廠家一般都會有相應(yīng)的選件滿足要求，從而也就解決了用戶需要的相應(yīng)檔次的數(shù)控系統(tǒng)選件。

三、正確的方案是改造成功的一半

在每一個改造課題被提出之后，工程人員要對改造的設(shè)備進行充分深入的調(diào)查研究，收集設(shè)備的信息，充分利用用戶對設(shè)備熟悉的實際情況，做好每一個環(huán)節(jié)的工作，保證方案的合理和準確，改造的成功才有保障。