采用先進(jìn)的西門子802D數(shù)控系統(tǒng)和體積小、性能好、調(diào)試方便的數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)，對某企業(yè)的一臺(tái)瑞士生產(chǎn)的老式數(shù)控凸輪銑床進(jìn)行了數(shù)控化改造，達(dá)到了舊設(shè)備充分利用、節(jié)約資金的目的。本文主要介紹了數(shù)控凸輪機(jī)床的改造步驟和改造過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。 1 引言 機(jī)床數(shù)控化改造涉及機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)、伺服系統(tǒng)等諸多技術(shù)，是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的工作。機(jī)床的數(shù)控改造在國外已形成產(chǎn)業(yè)，在國內(nèi)，傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控化改造也得到高度重視并已開始實(shí)施。在機(jī)械制造領(lǐng)域，機(jī)床的數(shù)控化改造具有非常重要的意義，一方面能夠提高機(jī)床的數(shù)控化程度，另一方面可以節(jié)約資金。本文針對某企業(yè)的凸輪銑床的數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行改造。原數(shù)控凸輪銑床為瑞士Strausak公司生產(chǎn)，其數(shù)控系統(tǒng)采用GE公司生產(chǎn)的控制系統(tǒng)。由于該控制系統(tǒng)為20世紀(jì)70年代產(chǎn)品，技術(shù)上相對落后，操作編程繁瑣，故障頻繁，工作不可靠，已經(jīng)不能正常加工零件。原凸輪銑床的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。 在改造前，首先進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，如果購置一臺(tái)新的具有同種功能的機(jī)床，需資金30-50萬元人民幣，而對該機(jī)床進(jìn)行改造，所需成本為10萬元人民幣以下，不到新設(shè)備的1/3，因此，值得改造。同時(shí)，可以減少閑置設(shè)備。其次，我們對該機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)部分即主軸、導(dǎo)軌、絲杠進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)基本上沒有磨損，具有良好的精度，通過改造完全可以達(dá)到精度要求。 2 制定改造方案 對于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，它的功能有兩類：一類是數(shù)控系統(tǒng)制造商提供的功能，如人機(jī)界面、程序輸入、編輯、存儲(chǔ)、圖形功能，刀補(bǔ)以及坐標(biāo)系零點(diǎn)設(shè)置功能。另一類功能是機(jī)床廠或系統(tǒng)集成商根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)制造商提供的窗口二次開發(fā)后形成的功能。它主要通過機(jī)床操作面板和可編程控制器軟件提供。例如，啟動(dòng)、停止、手動(dòng)操作、速度超調(diào)、主軸啟停、冷卻潤滑開關(guān)等。對最終用戶而言，往往沒有必要分清到底是哪一類功能。應(yīng)該說第一類功能是剛性的，而第二類功能是柔性的，是可以增刪的。數(shù)控化改造的過程其重點(diǎn)是第二類功能的形成過程。通過數(shù)控系統(tǒng)提供的PLC應(yīng)用軟件，結(jié)合實(shí)際的控制要求，聯(lián)接機(jī)床及操作面板上的按鈕到PLC的I/O口。對機(jī)床進(jìn)行正確的控制，才是數(shù)控化改造的關(guān)鍵問題。 2.1 硬件系統(tǒng)分析與改造方案 對原機(jī)床的操作過程、控制順序、邏輯關(guān)系進(jìn)行深入的剖析是確定改造方案的前提。原控制系統(tǒng)的主軸是通過變頻器控制的，其它輔助功能是通過繼電器控制的，控制部分體積大，電氣老化，不能正常工作。經(jīng)過分析，保留機(jī)床的冷卻、潤滑系統(tǒng)。主軸仍采用原變頻器控制。只是把冷卻潤滑及變頻器的控制按鈕接人新的數(shù)控系統(tǒng)的I/O口，使控制一體化。對于進(jìn)給軸，決定采用德國SIEMENS公司SINUMER-IK802D數(shù)控系統(tǒng)和SIMODRIVE611驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。 SINUMERIK802D將所有CNC、PLC、HMI和通訊任務(wù)集成于一體。免維護(hù)的硬件集成了PROFIBUS接口用于驅(qū)動(dòng)和I/O模塊并具有速裝結(jié)構(gòu)的超薄操作面板。SINUMERIK802D是基于PROFIBUS總線的數(shù)控系統(tǒng)。輸入輸出信號(hào)是通過PROFIBUS傳送的，位置調(diào)節(jié)（速度給定和位置反饋信號(hào)）也是通過PROFIBUS完成的。SINUMERIK802D可控制最多4個(gè)數(shù)字進(jìn)給軸和1個(gè)主軸。 SIMODRIVE611是一種功能可配置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有模塊化設(shè)計(jì)和PROFIBUS接口，因而各軸驅(qū)動(dòng)的功率可獨(dú)立配置，與SINUMERIK802D能夠構(gòu)成理想的組合。使用SIMODRIVE611，能夠提供一種全數(shù)字化的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來滿足機(jī)床在動(dòng)態(tài)響應(yīng)、速度調(diào)整范圍和旋轉(zhuǎn)精度特性等方面的要求。由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)，各驅(qū)動(dòng)器可獨(dú)立優(yōu)化至其最佳狀態(tài)。進(jìn)給軸選用1FK6電機(jī)驅(qū)動(dòng)。1FK6交流伺服電機(jī)是永磁同步電機(jī)，帶有內(nèi)裝光電編碼器，電機(jī)按照無外部冷卻設(shè)計(jì)，熱量通過電機(jī)表面散發(fā)。 [align=center] 表1 凸輪銑床的主要技術(shù)[/align] 數(shù)控凸輪銑的運(yùn)動(dòng)如圖1所示，3個(gè)進(jìn)給軸X、Y、Z既可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)又可以聯(lián)動(dòng)，其中X、Z實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，Y軸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，共同實(shí)現(xiàn)凸輪銑床加工所要求的運(yùn)動(dòng)。主軸由變頻器單獨(dú)控制。控制面板實(shí)現(xiàn)急停、啟動(dòng)、停止、潤滑冷卻等功能。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)考慮以下幾個(gè)方面： （1）改造后的機(jī)床界面友好，方便操作； （2）對原機(jī)床電器柜內(nèi)的繼電器、直流電源、空氣開關(guān)、熔斷器和接線排等予以保留，并根據(jù)需要稍作變動(dòng)； （3）在設(shè)計(jì)新的機(jī)床面板時(shí)盡量考慮保持原機(jī)床面板操作開關(guān)及按鈕的功能設(shè)置，以方便操作人員使用。 [align=center] 圖2 電氣連接簡圖[/align] 機(jī)床的電氣系統(tǒng)如圖2所示，其中SIMODRIVE 611驅(qū)動(dòng)器聯(lián)接3個(gè)型號(hào)為1FK6、帶有光電編碼器的交流伺服電機(jī)，控制凸輪銑床的X、Y、Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。該數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)半閉環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)樗欧姍C(jī)上的編碼器將信號(hào)直接反饋給CNC系統(tǒng)，既作為位置反饋，又作為速度反饋，CNC發(fā)出的速度指令送人SIMODRIVE611驅(qū)動(dòng)單元。 2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件如插補(bǔ)、伺服、譯碼、數(shù)據(jù)處理等模塊由西門子802D提供，用戶只需在機(jī)床調(diào)試時(shí)輸入相關(guān)的參數(shù)。PLC應(yīng)用程序是軟件開發(fā)的關(guān)鍵，它完成數(shù)控機(jī)床的MST功能，即除了主運(yùn)動(dòng)以外的輔助功能。PLC軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。 [align=center] 圖3 PLC軟件結(jié)構(gòu)圖[/align] 2.3 機(jī)床調(diào)試 調(diào)試是數(shù)控化改造的最后一個(gè)步驟，一般包括功能性調(diào)試及試切兩個(gè)方面。 2.3.1 功能性調(diào)試 在面板制作完畢，所有硬件安裝到位，PLC應(yīng)用程序及機(jī)床參數(shù)編制完畢后就可以開始調(diào)試。調(diào)試的目的是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的適配。數(shù)控原理中把控制分為主運(yùn)動(dòng)（坐標(biāo)軸）控制和輔助功能控制兩部分，相應(yīng)地功能性調(diào)試亦可分為坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的調(diào)試和輔助功能調(diào)試兩部分。 對于西門子802D系統(tǒng)，當(dāng)各個(gè)部件連接完畢后，則需開始調(diào)試PLC的控制邏輯。 至關(guān)重要的是必須在所有有關(guān)PLC的安全功能全部準(zhǔn)確無誤后，才能開始調(diào)試驅(qū)動(dòng)器和802D參數(shù)的調(diào)試。 當(dāng)PLC應(yīng)用程序正確無誤后，即可進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試。其中調(diào)試過程包括下列內(nèi)容：首先利用準(zhǔn)備好的驅(qū)動(dòng)器調(diào)試電纜將計(jì)算機(jī)與611UE的X471連接起來，然后調(diào)用驅(qū)動(dòng)器調(diào)試工具，最后配置電機(jī)參數(shù)并調(diào)試。驅(qū)動(dòng)器調(diào)試完成后，必須對NC系統(tǒng)即802D進(jìn)行調(diào)試。首先對802D基本參數(shù)設(shè)定，參數(shù)包括線配置、驅(qū)動(dòng)器模塊定位、位置控制使能、傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)配比、驅(qū)動(dòng)器參數(shù)優(yōu)化、坐標(biāo)速度和加速度、位置環(huán)增益。 在進(jìn)行坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)（主運(yùn)動(dòng)）調(diào)試前，考慮到安全性，我們做了以下工作： （1）檢查緊停開關(guān)和各坐標(biāo)軸限位開關(guān)，確保其處于工作正常狀態(tài)。 （2）使各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)部件處于中間。 （3）將刀具、卡具和部件均卸下。 （4）將主軸和進(jìn)給速度超調(diào)開關(guān)位置調(diào)低，避免高速運(yùn)動(dòng)發(fā)生危險(xiǎn)。 坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的調(diào)試首先從手動(dòng)開始，注意各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)方向及其坐標(biāo)值的大小和定義的量是否一致，不一致時(shí)應(yīng)調(diào)整機(jī)床參數(shù)。在主軸和坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)前，應(yīng)檢查潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是否正常工作，以免損壞機(jī)床，在所有功能及手動(dòng)運(yùn)動(dòng)正常后才能進(jìn)行自動(dòng)方式運(yùn)行。 2.3.2 試切 試切零件應(yīng)選擇能反映機(jī)床性能的形狀，該機(jī)床為凸輪銑，我們用它加工一批7級(jí)精度的凸輪，加工完后用三坐標(biāo)測量機(jī)對工件進(jìn)行檢查。通過試切，證明了該數(shù)控系統(tǒng)的功能完備，能夠滿足凸輪加工的精度要求。 2.3.3 數(shù)據(jù)備份 在系統(tǒng)調(diào)試完畢后，進(jìn)行數(shù)據(jù)備份是十分重要的。Sinumerik802D提供了多種數(shù)據(jù)備份的方法。首先將數(shù)據(jù)備份在系統(tǒng)內(nèi)部，同時(shí)可將數(shù)據(jù)外部備份。 2.4 機(jī)床驗(yàn)收 經(jīng)過調(diào)試后，對機(jī)床進(jìn)行精度檢驗(yàn)。精度記錄如表2。 [align=center] 表2 機(jī)床改造后的精度[/align] 3 結(jié)束語 運(yùn)用西門子Sinumerik802D數(shù)控系統(tǒng)以及SIMODRIVE611驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對瑞士Strausak公司生產(chǎn)的凸輪銑床進(jìn)行了數(shù)控改造，不僅使這臺(tái)舊設(shè)備能重新投入使用，而且使機(jī)床的操作更加方便。到目前為止，該設(shè)備工作穩(wěn)定，能夠滿足凸輪加工要求，不僅為企業(yè)節(jié)約了成本，而且為企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。