張朝陽，晏曉峰，郭杰，許淵，耿玲，申明付

（1.洛陽中重設(shè)備工程工具有限責(zé)任公司，河南洛陽471000 2.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南洛陽471000）

C5225立式車床數(shù)控化改造

張朝陽1，晏曉峰1，郭杰1，許淵2，耿玲2，申明付2

（1.洛陽中重設(shè)備工程工具有限責(zé)任公司，河南洛陽471000 2.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南洛陽471000）

C5225立式車床在保留右刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)和手動(dòng)操作功能不變的基礎(chǔ)上，用SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)和S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成對(duì)左刀架進(jìn)給軸的半閉環(huán)控制，使其能夠聯(lián)動(dòng)，完成復(fù)雜零件的加工。

C5225；SINUMERIK828D；S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；數(shù)控改造

1 C5225立式車床概況

C5225立式車床自1973年出廠至今，已使用近40多年。隨著市場(chǎng)和產(chǎn)品的變化，C5225立車的功能已不能滿足公司要求。主要表現(xiàn)：機(jī)床精度較差，機(jī)床使用期間從未進(jìn)行過大修，只能完成產(chǎn)品的粗加工工序；機(jī)床的加工范圍小，刀架系統(tǒng)的進(jìn)給軸只能互相切換，不能聯(lián)動(dòng)，無法完成具有復(fù)雜曲面零件的加工；機(jī)床故障率高，機(jī)床一直處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，電控系統(tǒng)故障頻繁，維修困難，造成機(jī)床長時(shí)間停機(jī)維修，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；機(jī)床的適應(yīng)性差，對(duì)不同零件的加工，需要先設(shè)計(jì)工裝刀具設(shè)備，增加了生產(chǎn)成本。

2 C5225立式車床改造要求

為滿足公司的生產(chǎn)需求，加工具有復(fù)雜曲面的產(chǎn)品，改后造的C5225立車必須達(dá)到6項(xiàng)要求。

（1）更換電氣控制系統(tǒng)，全面提高機(jī)床性能和穩(wěn)定性。

（2）實(shí)現(xiàn)刀架兩個(gè)進(jìn)給軸的聯(lián)動(dòng)，使其具備直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的功能，滿足公司的加工需求。

（3）利用數(shù)控系統(tǒng)的模擬主軸功能，在NC系統(tǒng)中通過編程控制機(jī)床主軸。

（4）保留一個(gè)刀架用于常規(guī)加工或者備用。

（5）降低設(shè)備故障率，便于維護(hù)管理。

（6）增加Mini手持單元，使得對(duì)刀操作更加方便。

3 C5225立式車床數(shù)控化改造方案

20接口，又從MCP483的X21接口連到PP72/48 D PN模塊的Port接口，這樣828D PPU就可以和MCP、PP模塊進(jìn)行通信。

根據(jù)C5225立式車床的情況和改造要求，提出改造方案。保留右刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和手動(dòng)操作功能不變，用SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)對(duì)左刀架的兩個(gè)進(jìn)給軸進(jìn)行半閉環(huán)控制，使其可以進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，并且增加變頻器實(shí)現(xiàn)主軸安全可靠的控制。

3.1 左刀架控制部分

將C5225立式車床左刀架的走刀箱拆除，各軸采用電機(jī)通過行星減速器與絲杠直連的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并更換新的滾珠絲杠。數(shù)控系統(tǒng)采用SINUMERIK 828D，左刀架Z軸和X軸進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和1FK7系列交流伺服電機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)品見表1。

數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 828D不僅需要和MCP模塊、PP72/ 48D PN模塊通信，還需要和S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接起來，連接方式見圖1。通信線從828D的Profinet接口PN1連到MCP483的X

表1 數(shù)控系統(tǒng)的組成部件

圖1 SINUMERIK 828D的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

10 kW的電源模塊SLM是沒有DRIVE_CLIQ接口的，所以828D與S120的連接是從PPU的X100接口直接到DMM的X 200接口，Z軸和X軸電機(jī)內(nèi)置的編碼器連接到DMM的X202、X203接口（圖1）。

3.2 主軸控制部分

C5225立式車床的原主電機(jī)為三相交流電機(jī)，啟動(dòng)方式為星/三角啟動(dòng)，制動(dòng)方式為能耗制動(dòng)。工作臺(tái)共有16擋，通過機(jī)械齒輪傳動(dòng)進(jìn)行變擋，而且主軸的操作集成在懸掛面板上。為了使主軸的控制更加方便快捷、安全可靠，增加變頻器控制主軸，并且將機(jī)械擋位變?yōu)?擋，通過變頻器實(shí)現(xiàn)主軸在擋位上的無極調(diào)速。主軸的操作既可以在懸掛面板上，也可以在MCP面板上。

SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)還提供了模擬主軸的功能，即不僅可以手動(dòng)控制主軸，還可以在NC系統(tǒng)中通過編程指令控制主軸。在手動(dòng)模式下，可以通過懸掛面板和MCP面板來控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、正點(diǎn)、反點(diǎn)和停止。主軸變擋按鈕是在MCP面板上。在編程模式下，可以通過變擋指令和運(yùn)動(dòng)指令來實(shí)現(xiàn)主軸的變擋控制和運(yùn)動(dòng)控制。828D還提供了主軸擋位顯示功能，無論是手動(dòng)變擋還是編程變擋，都可以在HMI上顯示目前主軸所在的擋位。

C5225立式車床主軸的變頻器連接見圖2。L1為輸入交流電抗器?？梢苑乐闺娋W(wǎng)高壓輸入而損壞整流部分元器件。S1-S8是開關(guān)量輸入端子，通過功能碼設(shè)置S1-S8的功能來控制主軸的運(yùn)動(dòng)。AI1與GND為模擬量輸入接口，與828D PPU的X252. 1和X252.2腳連接起來，可以實(shí)現(xiàn)模擬主軸功能。RO1和RO2為繼電器輸出點(diǎn)，連接兩個(gè)中間繼電器，通過功能碼設(shè)置中間繼電器指示為變頻器準(zhǔn)備好與變頻器過載報(bào)警。

圖2 C5225立式車床主軸變頻器的連接示意

4 C5225立式車床的調(diào)試

機(jī)床通電調(diào)試之前，要檢查DC 24 V回路有無短路，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)線電源模塊與電機(jī)模塊的直流母線連接是否可靠，DRIVE CLiQ電纜和PROFINET電纜連接是否正確。一切正常之后，機(jī)床方可通電。

4.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)試

828D數(shù)控系統(tǒng)上電之后，首先要進(jìn)行系統(tǒng)的初始設(shè)定。在確保PLC控制程序所有的安全功能全部準(zhǔn)確無誤后，開始調(diào)試驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)的調(diào)試包括配置驅(qū)動(dòng)和分配軸：在HMI上通過MENU→調(diào)試→驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)→驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)入驅(qū)動(dòng)配置界面，按“確認(rèn)”鍵開始配置驅(qū)動(dòng)；必須用Startup-tool軟件來進(jìn)行軸分配，打開Startup-tool軟件，點(diǎn)擊“Drive system”→“Drives”，按照提示就可以完成軸的分配。分配軸的過程中一定要注意各個(gè)軸的配置選擇，正確選擇各個(gè)軸的電機(jī)是否帶抱閘。

4.2 系統(tǒng)的軸控制使能鏈

系統(tǒng)的軸控制使能鏈就是指系統(tǒng)各部分上電順序的先后。SINUMERIK 828D和S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電的第一步是給電源模塊加EP使能，即電源模塊SLM上的X21.3給入24 V。間隔100 ms后，可以加OFF1使能，即PPU的X122.1給入24 V。OFF1使能加上后，可以加OFF3使能，即PPU的X122.2給入24 V；加OFF3的同時(shí)可以給各軸加脈沖使能和控制使能，即PLC接口地址DB380x.DBX4001.7和DB380x.DBx2.1=1。

按下急停開關(guān)時(shí)，首先應(yīng)該斷掉OFF3，待所有軸出現(xiàn)靜止信號(hào)（PLC：DB390x.DBX1.4）時(shí)，可以同時(shí)斷開OFF1、脈沖使能和控制使能，OFF1斷開后延時(shí)100ms斷開EP使能?？梢酝ㄟ^828D PPU上的按鍵“MENU”→“診斷”→“〉”→“軸診斷”來查看系統(tǒng)各部分的使能是否已加上。

4.3 機(jī)床參數(shù)的設(shè)置

驅(qū)動(dòng)配置之后，還有一些與機(jī)械相關(guān)的機(jī)床數(shù)據(jù)需要自行設(shè)定。只有設(shè)定這些參數(shù)之后，才可以在NC系統(tǒng)中控制左刀架的進(jìn)給軸和主軸。需自行設(shè)定的參數(shù)見表2。

表2 自行設(shè)定的機(jī)床參數(shù)

4.4 PLC程序的調(diào)試

C5225立式車床的輸入輸出模塊是采用西門子的PP72/ 48D PN模塊，該模塊提供72個(gè)輸入點(diǎn)和48個(gè)輸出點(diǎn)。C5225立式車床左刀架的運(yùn)動(dòng)是由數(shù)控系統(tǒng)控制的，無需PLC編程控制。而MCP面板、急停、手持單元的程序都是從828D子程序庫中調(diào)用。油泵電機(jī)、橫梁電機(jī)、右刀架快速電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)、主電機(jī)的控制程序以及報(bào)警文本程序需自己編制。

5 改造效果

C5225立式車床改造之后，電氣控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，左刀架的Z軸和X軸可以聯(lián)動(dòng)，可以加工球面瓦等類似的工件，而且電控系統(tǒng)穩(wěn)定，無故障發(fā)生，可以實(shí)現(xiàn)9項(xiàng)功能，達(dá)到了數(shù)控化改造的預(yù)期目標(biāo)。

（1）左刀架的進(jìn)給軸X軸和Z軸可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，具備直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的功能，可以加工具有復(fù)雜曲面的零件。

（2）可以用Mini手持單元控制左刀架的進(jìn)給軸，使得操作者手動(dòng)操作更加靈活，對(duì)刀變得更加容易。

（3）保留了右刀架的功能，可以作為常規(guī)加工使用或備用。

（4）增加變頻器控制主軸，使得主軸的控制更加安全可靠，而且可以實(shí)現(xiàn)主軸在擋位上的無極調(diào)速。

（5）主軸的操作更加方便，既可以在懸掛面板操作，也可以在MCP面板上操作。

（6）可以在HMI上看到主軸的擋位顯示。

（7）增加了模擬主軸的功能，可以通過編程指令實(shí)現(xiàn)主軸的自動(dòng)換擋和運(yùn)動(dòng)控制。

（8）在HMI上創(chuàng)建了報(bào)警文本，可以方便快速的發(fā)現(xiàn)機(jī)床故障，縮短了故障排除時(shí)間。

（9）在機(jī)床左刀架安裝精密行程開關(guān)，使機(jī)床運(yùn)行更加安全可靠。

〔編輯 利文〕

TH17

B

10.16621/j.cnki.issn.1001-0599.2017.02.34