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       摘 要：C5225 立式車(chē)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。
 
       關(guān)鍵詞：C5225；SINUMERIK 828D；S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；數(shù)控改造
 
       1、 C5225 立式車(chē)床概況
 
       C5225 立式車(chē)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(chē)的功能已不能滿(mǎn)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(guò)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(wú)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(zhǎng)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(chē)床改造要求
 
       為滿(mǎn)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(chē)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(mǎn)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(guò)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(chē)床數(shù)控化改造方案
 
      根據(jù) C5225 立式車(chē)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 SINUMERIK828D 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(chē)床左刀架的走刀箱拆除，各軸采用電機(jī)通過(guò)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(jiàn)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(lái)，連接方式見(jiàn)圖 1。通信線從 828D 的 Profinet 接口 PN1 連到 MCP483 的 X20 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。
  
                        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(méi)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 X200 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(chē)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(guò)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)?4 擋，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)主軸在擋位上的無(wú)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(guò)編程指令控制主軸。在手動(dòng)模式下，可以通過(guò)懸掛面板和 MCP 面板來(lái)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(guò)變擋指令和運(yùn)動(dòng)指令來(lái)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(wú)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(chē)床主軸的變頻器連接見(jiàn)圖 2。L1 為輸入交流電抗器。可以防止電網(wǎng)高壓輸入而損壞整流部分元器件。S1-S8是開(kāi)關(guān)量輸入端子，通過(guò)功能碼設(shè)置 S1-S8 的功能來(lái)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(lái)，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(guò)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(guò)載報(bào)警。
  
    
  
          圖2 C5225 立式車(chē)床主軸變頻器的連接示意
 
     4 、C5225 立式車(chē)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(wú)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，DRIVECLiQ 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(wú)誤后，開(kāi)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(guò)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(kāi)始配置驅(qū)動(dòng)；必須用 Startup-tool 軟件來(lái)進(jìn)行軸分配，打開(kāi) 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(guò)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(kāi)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(kāi) OFF1、脈沖使能和控制使能，OFF1 斷開(kāi)后延時(shí) 100ms 斷開(kāi) EP 使能。可以通過(guò)828D PPU 上的按鍵“MENU”→“診斷”→“〉”→“軸診斷”來(lái)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(jiàn)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(chē)床的輸入輸出模塊是采用西門(mén)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(chē)床左刀架的運(yùn)動(dòng)是由數(shù)控系統(tǒng)控制的，無(wú)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(kù)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(chē)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(lèi)似的工件，而且電控系統(tǒng)穩(wěn)定，無(wú)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(wú)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(guò)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(kāi)關(guān)，使機(jī)床運(yùn)行更加安全可靠。

     來(lái)源：1.洛陽(yáng)中重設(shè)備工程工具有限責(zé)任公司  2.中信重工機(jī)械股份有限公司