數控立式車削中心數控化改造
用新型SINUMERIK 802D數控系統對使用10多年的SKIQ16 CNC B數控立式車削中心進行數控化改造，機床強大的數控功能極大地拓寬了機床加工零件的范圍，更好地保證了零件加工的一致性和產品質量。本文獲第二屆SINUMERIK 數控應用與改造有獎征文活動二等獎。
KIQ16 CNC B數控立式車削中心是捷克HULIN公司于上世紀90年代制造，采用FANUC-BASK 6T數控系統。由于該機床已經使用10余年，加之數控系統更新換代，FANUC-BASK 6T數控系統早已停產，系統板件老化，備件昂貴。采用新型數控系統對該機床進行改造勢在必行，這樣可使該機床重新煥發活力，更好地發揮機床的潛力。
改造方案的制定
該機床原有功能齊全，包括主軸(工作臺)和銑磨軸的旋轉運動、X、Z軸坐標運動、15個刀位的刀庫系統，還有諸如冷卻系統、液壓系統、潤滑系統、排屑系統等機床功能。主軸和銑磨軸采用直流電動機及直流調速器。X、Z軸坐標也采用直流伺服電機及直流伺服調速器。刀庫采用普通三相異步交流電動機，由5位二進制凸輪定位。該機床的機械部分各方面機械性能良好穩定、精度尚可、液壓系統工作正常，因此上述部分基本保持不變。
數控改造更換數控系統和電氣控制部分，采用SIEMENS SINUMERIK 802D數控系統。X、Z軸和刀庫坐標伺服驅動系統采用SIIMODRIVE 611UE變頻驅動系統和1FK7伺服電機，選用脈沖編碼器作為位置檢測元件，達到數字伺服驅動系統閉環控制。主軸和銑磨軸驅動系統采用英國Eurotherm公司的590+系列直流電動機調速裝置。改造機床其他電氣控制線路，更換電氣控制元件，保證機床各種控制功能和操作的實現，保證機床電氣控制部分長期可靠工作。
除增加MCP機床控制面板外，還要重新設計機床操作面板，具有各種機床功能按鈕和指示燈。
數控系統和坐標伺服驅動系統
SIEMENS SINUMERIK 802D數控系統是將所有CNC、PLC、HMI和通訊任務集成，是基于PROFIBUS總線的數控系統。免維護硬件集成PROFIBUS接口用于驅動和I/O模塊并具有速裝結構的操作面板。SINUMERIK 802D數控系統控制X、Z軸和刀庫三個數字進給軸和一個主軸。該機床采用二塊I/O模塊PP72/48和機床操作面板MCP。利用TOOLBOX 802D中PROGRAMMING TOOL PLC 802軟件編寫PLC控制程序，調用PLC子程序庫中的SBR32 PLC-INI PLC初始化、SBR33 EMG-STOP 急停處理、SBR34 MCP-802D 傳送機床控制面板對應I/O狀態、SBR38 MCP-NCK 機床控制面板MCP信號、操作面板HMI信號送至NCK接口、SBR39 HANDWHL 由操作面板HMI在機床坐標系或工件坐標系選擇手輪、SBR40 AXIS-CTL 進給軸和主軸使能控制。由于子程序是標準的車床控制程序，這樣與該機床實際情況不同，刀庫采用數字軸控制，增加了數字軸的數量。在機床控制面板和進給軸和主軸使能控制等子程序中都要做一定的修改。立式車削中心有別于一般的臥式車床，所以坐標方向也有所不同，還需要子程序做相應的修改。
SIIMODRIVE 611UE變頻驅動系統是一種功能可配置的驅動系統，與SINUMERIK 802D數控系統構成理想的組合。SIIMODRIVE 611UE變頻驅動系統滿足機床在動態響應、速度調整范圍和旋轉精度特征等方面的要求，采用模塊化設計可獨立優化至最佳狀態。驅動調試可在PC機上利用SimoCom U進行或利用驅動模塊前端的顯示器和鍵盤進行。利用SimoCom U可設定驅動器與電動機和功率模塊匹配的基本參數；可根據伺服電機實際拖動的機械部件，對SIIMODRIVE 611UE速度控制器的參數進行自動優化；可監控驅動器的運行狀態包括電動機實際電流和實際扭矩。
主軸和銑磨軸驅動系統
主軸和銑磨軸驅動系統采用英國Eurotherm公司的590+系列直流電動機調速裝置。590+系列直流電動機調速裝置是作為與配套控制設備安裝在標準箱內的部件而設計的。控制裝置使用AC 380V的三相標準電壓，提供直流輸出電壓和電流，用于電樞和勵磁，適用于直流他激電動機和永磁電動機控制。
590+系列直流電動機調速裝置是采用32位微處理器實現，具有許多先進的性能：復雜的控制算法；標準軟件模塊與可組態的軟件控制電路相結合；通過串行線路，可與其他傳動裝置或數控系統通訊，能構成先進的過程系統。
主軸和銑磨軸電動機沒有更換，采用原來的模擬量控制。主軸電動機與主軸之間非1：1直連，主軸上安裝SIEMENS 5000線的TTL脈沖增量編碼器。將SIIMODRIVE 611UE的總線地址為12的雙軸模塊A進給通道攜帶主軸，設定一個疊加軸。通過對SINUMERIK 802D數控系統參數設定，使用SimoCom U驅動調試工具軟件調整SIIMODRIVE 611UE參數并配置總線模擬量輸出，模擬量輸出接口用于輸出主軸速度給定（±10V），數字量輸出用于模擬主軸使能控制，WSG接口用于連接主軸編碼器作為速度反饋，完成主軸控制配置。
刀庫系統
由于刀庫系統原來采用普通電動機，機械傳動比1：360。刀庫機械結構特殊，圓盤刀庫豎直位于Z軸滑枕后，其旋轉方向與B軸方向相同。改造后采用SIIMODRIVE 611UE變頻驅動系統和1FK7伺服電動機，將刀庫改為數控坐標軸，增加脈沖編碼器作為位置檢測元件，達到數字伺服驅動系統閉環控制。拆除原有的5位二進制凸輪定位機構。由于刀庫裝滿刀具后的重力作用，刀庫圓盤無法達到重力平衡。雖然刀庫運動可以精確定位，但是上述原因導致其實際定位出現偏差，所以仍然采用坐標運動定位后定位銷插入的準確定位方法。
該機床換刀過程特殊，不同與一般的立式車床。PLC控制程序完成以下換刀過程：裝刀時X、Z軸運動安全位置，Z軸上無刀，機床處于刀具放松狀態。PLC控制機械手伸出，推動立車刀架到Z軸上完成后刀具夾緊，即裝刀過程完畢。卸刀時X、Z軸運動安全位置，Z軸上有刀，機床處于刀具夾緊狀態。PLC控制機械手伸出，此時刀具放松，機械手縮回帶動立車刀架回到刀盤上后，刀具夾緊，即卸刀過程完畢。
SINUMERIK 802D數控系統支持利用M代碼或T代碼調用用戶循環，可用于機床刀具交換。通過設置參數激活M代碼，利用程序段中的M06調用固定循環程序執行刀具交換。編寫用戶循環程序，通過算法確定每個刀位刀庫軸（B軸）的旋轉角度，利用自定義M代碼啟動PLC換刀邏輯。PLC將數控系統“讀入禁止”信號置位，使該固定循環停止。將換刀機械動作用自定義M代碼分解執行，例如：M12卸刀、M13裝刀等。換刀完成后，PLC將“讀入禁止”信號復位，使該固定循環繼續執行。在固定循環中編寫信息顯示在數控系統屏幕上提示操作者換刀所進行的步驟。
機床調試
數控系統的各個部件安裝連接完成后，開始調試PLC控制程序。由于該設備是立式車床，不同于PLC子程序庫中的車床應用程序，所以必須針對該機床的具體情況修改PLC子程序。
將刀庫設為B軸，而原標準程序只有X、Z軸，需要增加B軸和在MCP上添加B軸正負方向點動鍵，需要對SBR34、SBR38、SBR40等子程序。由于是立式車床，X、Z軸正負方向點動鍵與MCP標準設置不同也需要修改。根據機床需要設計MCP上用戶自定義鍵，如液壓啟動、液壓停止、橫梁放松、橫梁鎖緊及指示燈，設計MCP和機床操作面板的PLC控制程序并且調試功能實現。全面測試所使用的子程序庫的子程序，確保子程序的功能在與PLC控制程序聯結在一起時正確無誤。編輯設計PLC用戶報警，通過設定機床參數規定每個報警的屬性。設定機床基本參數包括：PROFIBUS總線配置、伺服驅動器模塊定位、主軸和坐標軸位置控制使能以及傳動系統參數配比。
在對機床進行了一系列調整后，數控機床已基本可以正常運行。但要使整個系統進入最佳運行狀態，還應進行系統參數優化等工作。
當整個系統運行正常后，還應對相應的坐標軸等參數優化調整，如：速度、增益、加速度及各項監控參數等，以使系統進入最佳工作狀態。在機床正常運行后，還應對機床機械部分，如各軸垂直度、反向間隙、傳動系統精度等進行測量調整，使機械系統達到最佳。當然，機械調整后，還應對系統參數進行微調，以使機床運行在最佳狀態。當各部分的調整結束后，通過對機床機械精度的測量，還需對數控機床的位控系統進行精度補償。反向間隙補償由于位置反饋編碼器裝在傳動絲杠的端頭，雖然消除了減速箱等機械傳動部分的反向間隙，但絲杠本身的反向間隙仍然存在，可將該值輸入系統相應參數，每次反向運行時，系統自動補償。由于絲杠長期使用中的磨損，絲杠各位置的螺距與標稱值會有一定誤差，為提高定位精度，通過系統參數進行補償。
根據用戶生產的需求，結合機床改造過程，對由SINUMERIK 802D數控系統進行了分析、設計及實施。目前，針對該機床的機械、電氣、系統各個方面的改造、安裝、調試工作已經完成，樣件加工完全達到預期效果。改造后機床已投入正常使用，陸續完成了多項零件加工任務。從整個機床的使用、運行狀態來看，改造后機床與原機床相比，功能的極大增強、自動化程度很高。 強大的數控功能極大地拓寬了機床加工零件的范圍。更好地保證了零件加工的一致性和產品質量。同時高度的自動化也大大降低了操作工人的勞動強度，但對操作工人的綜合素質又提出了更高的要求。
從機床的可操作性來看，結構緊湊合理，顯示器、各種開關和指示燈布局更適合操作人員的使用。同時增加了一個小型的手持操作單元，以便于操作人員在不同的狀態下選擇更合適的操作位置。整個懸掛操作系統采用TFT液晶顯示器，窗口菜單式操作方式，不但減少了操作按鈕，而且操作更為簡單容易。
改造后的機床增強了可維修性。數控系統可監控各控制部件的工作狀態及故障，并及時在顯示器上顯示，同時PLC控制的應用，使整個機床控制系統線路大為簡化。所有這些都使機床故障檢測和維修更為方便、迅速。其次，需經常進行檢測、注液、加油的部件均布置于操作或維修人員容易接近的地方，利于日常的保養維護。
改造后的機床可靠性大為提高。數控系統、伺服系統等控制系統的各個組成部分均是高度集成的微機控制系統，這使得整個機床控制系統本身就具有較高的可靠性。PLC的設計應用，成功地使各個控制部分達到了協調統一，極大地簡化了機床控制線路及所需元器件，更有利于提高整個系統的可靠性。 該機床改造的完成，不但為用戶擴大了該機床的加工范圍，也節約了大筆資金。本次改造的成功也為今后的機床改造工作積累了大量的經驗。
KIQ16 CNC B數控立式車削中心是捷克HULIN公司于上世紀90年代制造，采用FANUC-BASK 6T數控系統。由于該機床已經使用10余年，加之數控系統更新換代，FANUC-BASK 6T數控系統早已停產，系統板件老化，備件昂貴。采用新型數控系統對該機床進行改造勢在必行，這樣可使該機床重新煥發活力，更好地發揮機床的潛力。
改造方案的制定
該機床原有功能齊全，包括主軸(工作臺)和銑磨軸的旋轉運動、X、Z軸坐標運動、15個刀位的刀庫系統，還有諸如冷卻系統、液壓系統、潤滑系統、排屑系統等機床功能。主軸和銑磨軸采用直流電動機及直流調速器。X、Z軸坐標也采用直流伺服電機及直流伺服調速器。刀庫采用普通三相異步交流電動機，由5位二進制凸輪定位。該機床的機械部分各方面機械性能良好穩定、精度尚可、液壓系統工作正常，因此上述部分基本保持不變。
數控改造更換數控系統和電氣控制部分，采用SIEMENS SINUMERIK 802D數控系統。X、Z軸和刀庫坐標伺服驅動系統采用SIIMODRIVE 611UE變頻驅動系統和1FK7伺服電機，選用脈沖編碼器作為位置檢測元件，達到數字伺服驅動系統閉環控制。主軸和銑磨軸驅動系統采用英國Eurotherm公司的590+系列直流電動機調速裝置。改造機床其他電氣控制線路，更換電氣控制元件，保證機床各種控制功能和操作的實現，保證機床電氣控制部分長期可靠工作。
除增加MCP機床控制面板外，還要重新設計機床操作面板，具有各種機床功能按鈕和指示燈。
數控系統和坐標伺服驅動系統
SIEMENS SINUMERIK 802D數控系統是將所有CNC、PLC、HMI和通訊任務集成，是基于PROFIBUS總線的數控系統。免維護硬件集成PROFIBUS接口用于驅動和I/O模塊并具有速裝結構的操作面板。SINUMERIK 802D數控系統控制X、Z軸和刀庫三個數字進給軸和一個主軸。該機床采用二塊I/O模塊PP72/48和機床操作面板MCP。利用TOOLBOX 802D中PROGRAMMING TOOL PLC 802軟件編寫PLC控制程序，調用PLC子程序庫中的SBR32 PLC-INI PLC初始化、SBR33 EMG-STOP 急停處理、SBR34 MCP-802D 傳送機床控制面板對應I/O狀態、SBR38 MCP-NCK 機床控制面板MCP信號、操作面板HMI信號送至NCK接口、SBR39 HANDWHL 由操作面板HMI在機床坐標系或工件坐標系選擇手輪、SBR40 AXIS-CTL 進給軸和主軸使能控制。由于子程序是標準的車床控制程序，這樣與該機床實際情況不同，刀庫采用數字軸控制，增加了數字軸的數量。在機床控制面板和進給軸和主軸使能控制等子程序中都要做一定的修改。立式車削中心有別于一般的臥式車床，所以坐標方向也有所不同，還需要子程序做相應的修改。
SIIMODRIVE 611UE變頻驅動系統是一種功能可配置的驅動系統，與SINUMERIK 802D數控系統構成理想的組合。SIIMODRIVE 611UE變頻驅動系統滿足機床在動態響應、速度調整范圍和旋轉精度特征等方面的要求，采用模塊化設計可獨立優化至最佳狀態。驅動調試可在PC機上利用SimoCom U進行或利用驅動模塊前端的顯示器和鍵盤進行。利用SimoCom U可設定驅動器與電動機和功率模塊匹配的基本參數；可根據伺服電機實際拖動的機械部件，對SIIMODRIVE 611UE速度控制器的參數進行自動優化；可監控驅動器的運行狀態包括電動機實際電流和實際扭矩。
主軸和銑磨軸驅動系統
主軸和銑磨軸驅動系統采用英國Eurotherm公司的590+系列直流電動機調速裝置。590+系列直流電動機調速裝置是作為與配套控制設備安裝在標準箱內的部件而設計的。控制裝置使用AC 380V的三相標準電壓，提供直流輸出電壓和電流，用于電樞和勵磁，適用于直流他激電動機和永磁電動機控制。
590+系列直流電動機調速裝置是采用32位微處理器實現，具有許多先進的性能：復雜的控制算法；標準軟件模塊與可組態的軟件控制電路相結合；通過串行線路，可與其他傳動裝置或數控系統通訊，能構成先進的過程系統。
主軸和銑磨軸電動機沒有更換，采用原來的模擬量控制。主軸電動機與主軸之間非1：1直連，主軸上安裝SIEMENS 5000線的TTL脈沖增量編碼器。將SIIMODRIVE 611UE的總線地址為12的雙軸模塊A進給通道攜帶主軸，設定一個疊加軸。通過對SINUMERIK 802D數控系統參數設定，使用SimoCom U驅動調試工具軟件調整SIIMODRIVE 611UE參數并配置總線模擬量輸出，模擬量輸出接口用于輸出主軸速度給定（±10V），數字量輸出用于模擬主軸使能控制，WSG接口用于連接主軸編碼器作為速度反饋，完成主軸控制配置。
刀庫系統
由于刀庫系統原來采用普通電動機，機械傳動比1：360。刀庫機械結構特殊，圓盤刀庫豎直位于Z軸滑枕后，其旋轉方向與B軸方向相同。改造后采用SIIMODRIVE 611UE變頻驅動系統和1FK7伺服電動機，將刀庫改為數控坐標軸，增加脈沖編碼器作為位置檢測元件，達到數字伺服驅動系統閉環控制。拆除原有的5位二進制凸輪定位機構。由于刀庫裝滿刀具后的重力作用，刀庫圓盤無法達到重力平衡。雖然刀庫運動可以精確定位，但是上述原因導致其實際定位出現偏差，所以仍然采用坐標運動定位后定位銷插入的準確定位方法。
該機床換刀過程特殊，不同與一般的立式車床。PLC控制程序完成以下換刀過程：裝刀時X、Z軸運動安全位置，Z軸上無刀，機床處于刀具放松狀態。PLC控制機械手伸出，推動立車刀架到Z軸上完成后刀具夾緊，即裝刀過程完畢。卸刀時X、Z軸運動安全位置，Z軸上有刀，機床處于刀具夾緊狀態。PLC控制機械手伸出，此時刀具放松，機械手縮回帶動立車刀架回到刀盤上后，刀具夾緊，即卸刀過程完畢。
SINUMERIK 802D數控系統支持利用M代碼或T代碼調用用戶循環，可用于機床刀具交換。通過設置參數激活M代碼，利用程序段中的M06調用固定循環程序執行刀具交換。編寫用戶循環程序，通過算法確定每個刀位刀庫軸（B軸）的旋轉角度，利用自定義M代碼啟動PLC換刀邏輯。PLC將數控系統“讀入禁止”信號置位，使該固定循環停止。將換刀機械動作用自定義M代碼分解執行，例如：M12卸刀、M13裝刀等。換刀完成后，PLC將“讀入禁止”信號復位，使該固定循環繼續執行。在固定循環中編寫信息顯示在數控系統屏幕上提示操作者換刀所進行的步驟。
機床調試
數控系統的各個部件安裝連接完成后，開始調試PLC控制程序。由于該設備是立式車床，不同于PLC子程序庫中的車床應用程序，所以必須針對該機床的具體情況修改PLC子程序。
將刀庫設為B軸，而原標準程序只有X、Z軸，需要增加B軸和在MCP上添加B軸正負方向點動鍵，需要對SBR34、SBR38、SBR40等子程序。由于是立式車床，X、Z軸正負方向點動鍵與MCP標準設置不同也需要修改。根據機床需要設計MCP上用戶自定義鍵，如液壓啟動、液壓停止、橫梁放松、橫梁鎖緊及指示燈，設計MCP和機床操作面板的PLC控制程序并且調試功能實現。全面測試所使用的子程序庫的子程序，確保子程序的功能在與PLC控制程序聯結在一起時正確無誤。編輯設計PLC用戶報警，通過設定機床參數規定每個報警的屬性。設定機床基本參數包括：PROFIBUS總線配置、伺服驅動器模塊定位、主軸和坐標軸位置控制使能以及傳動系統參數配比。
在對機床進行了一系列調整后，數控機床已基本可以正常運行。但要使整個系統進入最佳運行狀態，還應進行系統參數優化等工作。
當整個系統運行正常后，還應對相應的坐標軸等參數優化調整，如：速度、增益、加速度及各項監控參數等，以使系統進入最佳工作狀態。在機床正常運行后，還應對機床機械部分，如各軸垂直度、反向間隙、傳動系統精度等進行測量調整，使機械系統達到最佳。當然，機械調整后，還應對系統參數進行微調，以使機床運行在最佳狀態。當各部分的調整結束后，通過對機床機械精度的測量，還需對數控機床的位控系統進行精度補償。反向間隙補償由于位置反饋編碼器裝在傳動絲杠的端頭，雖然消除了減速箱等機械傳動部分的反向間隙，但絲杠本身的反向間隙仍然存在，可將該值輸入系統相應參數，每次反向運行時，系統自動補償。由于絲杠長期使用中的磨損，絲杠各位置的螺距與標稱值會有一定誤差，為提高定位精度，通過系統參數進行補償。
根據用戶生產的需求，結合機床改造過程，對由SINUMERIK 802D數控系統進行了分析、設計及實施。目前，針對該機床的機械、電氣、系統各個方面的改造、安裝、調試工作已經完成，樣件加工完全達到預期效果。改造后機床已投入正常使用，陸續完成了多項零件加工任務。從整個機床的使用、運行狀態來看，改造后機床與原機床相比，功能的極大增強、自動化程度很高。 強大的數控功能極大地拓寬了機床加工零件的范圍。更好地保證了零件加工的一致性和產品質量。同時高度的自動化也大大降低了操作工人的勞動強度，但對操作工人的綜合素質又提出了更高的要求。
從機床的可操作性來看，結構緊湊合理，顯示器、各種開關和指示燈布局更適合操作人員的使用。同時增加了一個小型的手持操作單元，以便于操作人員在不同的狀態下選擇更合適的操作位置。整個懸掛操作系統采用TFT液晶顯示器，窗口菜單式操作方式，不但減少了操作按鈕，而且操作更為簡單容易。
改造后的機床增強了可維修性。數控系統可監控各控制部件的工作狀態及故障，并及時在顯示器上顯示，同時PLC控制的應用，使整個機床控制系統線路大為簡化。所有這些都使機床故障檢測和維修更為方便、迅速。其次，需經常進行檢測、注液、加油的部件均布置于操作或維修人員容易接近的地方，利于日常的保養維護。
改造后的機床可靠性大為提高。數控系統、伺服系統等控制系統的各個組成部分均是高度集成的微機控制系統，這使得整個機床控制系統本身就具有較高的可靠性。PLC的設計應用，成功地使各個控制部分達到了協調統一，極大地簡化了機床控制線路及所需元器件，更有利于提高整個系統的可靠性。 該機床改造的完成，不但為用戶擴大了該機床的加工范圍，也節約了大筆資金。本次改造的成功也為今后的機床改造工作積累了大量的經驗。
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