西门子数控系统在加工中心数控化改造中的应用

滕龙 2.朱辉 3. 马英坤 4.王亮亮 5. 代相军

黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：我国大量引进了当时较先进的数控机床使用至今，大部分的电气系统已经老化严重，日常使用的故障率较高，故障现象繁多，甚至出现无法修复的状况，往往对生产进度造成较大影响。通常进口设备促使电气系统老化严重，但机械部分往往能保持良好的性能状态，为了让它们的剩余价值得到最大的利用，对电气系统的升级改造提供了良好的条件，经改造的设备不仅能保留原来的功能，还能改善和提高设备的性能，为用户创造更大的经济效益。基于某加工中心的电气控制系统升级改造的介绍，主要介绍电气系统的硬件组成与软件程序设计。

关键词：西门子840D数控系统；车削加工中心；电气改造

数控机床是机电综合技术在机械加工领域中的典型产品,它是将计算机、自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术集中于一体的自动化设备,具有高精度、高效率和高适应性的特点。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。采用数控机床提高机械加工效率,是当前我国机械制造行业技术改造、技术更新的发展之路。

一、机床数控化改造的需求

1、机床数控化改造的市场。大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床,而且半数以上是役龄在年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长,从而在国际、国内市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的产品、市场、效益,影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。

2、设备和生产线的数控化改造市场。我国自改革开放以来,很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。这些项目中,大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因,设备或生产线不能正常运转,甚至瘫痪,使企业的效益受到影响,严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线消化吸收不好,备件不全,维护不当,结果运转不良有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线,忽视软件、工艺、管理等,造成项目不完整,设备潜力不能发挥有的甚至不能启动运行,没有发挥应有的作用有的生产线的产品销路很好,但是因为设备故障不能达产达标有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损有的己引进较长时间,需要进行技术更新。这些不能使用的设备、生产线是个包袱,也是一批很大的存量资产,修好了就是财富。

二、西门子数控系统在加工中心数控改造方案

该加工中心工作台360毅旋转轴B，5轴均为西门子直流调速系统，主轴和B轴反馈元件采用编码器，进给轴为光栅尺；该机拥有链式刀库，刀库的旋转动力由油马达提供。由于该机床使用的840C数控系统已经严重老化，且早已停产，西门子公司已经不再提供备件和技术支持，早先准备的备件因为老化和缺失严重，并不能提供足够的支持，机床面临着较大的停台风险。经研究，公司决定对该机床的电气部分进行全面的升级改造。

该机床经过检测，机械精度保持良好的性能状态，气动和液压系统均运行良好，电机外的执行机构均能正常工作，但电气控制系统老化严重，所以改造方案确定为：保留控制系统以外的部分，将老化的数控系统全面升级改造。控制系统核心部分采用西门子高端系列的SINUMERIC840D数控系统（由NCU、PCU、OP、MMC、MCP组成），西门子品牌的市场普及度较高，该系统的高性能和高可靠性也已得到业内普遍认可，为该机床良好的机械精度和响应速度提供有力的保障；驱动系统更换为西门子SIMODRIVE611D全数字控制伺服驱动系统，采用1PH7系列主轴电机，进给轴驱动电机为1FT6系列交流伺服电机，轴检测元件方面，X、Y、Z三个进给轴均选用德国海德汉HEIDEN原HAIN的LB382C直线光栅尺，B轴使用RON285圆光栅，实现全闭环控制，以确保进给轴和工作台的旋转精度，主轴使用西门子伺服电机配套的编码器作为位置反馈元件，实现半闭环控制。逻辑控制部分，采用840DNCU内置SIMATICS7-300可编程控的314-2DPCPU，并根据机床I/O点数，选配两组机架，每组机架分别由电源模块（PS，+24V）、接口模块（IM361）、数字量输入模块（SM321）、数字量输出模块（SM322）组成。

三、西门子数控系统在加工中心数控改造过程

1、软件组态与PLC程序的设计。安装840DTOOLBOX工具箱和STEP7编程软件，在STEP7中插入840D的库文件GP840D.EXE，在HWconfig中对选定的系统组件进行软件组态，通过MPI通讯协议将NCU、OP、MMC、MCP和PLC机架联接起来组成完整的多点通讯网络并编译保存，下载到NCU上。840D的可编程控制系统与S7-300PLC基本相似，S7-300PLC程序基本由块组成，包括系统定义好的各个组织块（OB，每个组织块均有特殊作用），用户自行编写的功能子程序（FC）、功能块（FB）、数据块（DB），和系统预先编写好的子程序（SFC）、功能块（SFB）。先调用OB100，编写好启动程序，完成PLC的上电启动工作，然后在OB1（主程序循环）中，通过模块化编程，根据加工中心具体的工作逻辑，添加了急停连锁、防护门连锁、系统上电、主轴控制、进给轴控制、电源模块上下电和使能控制、自动换刀程序、手持单元程序、机床控制面板程序、液压系统控制程序、气动系统控制程序、工作台更换程序、机床润滑程序和冷却系统程序等。在OB40中调用报警处理的相关程序。最后编译保存，并通过MPI适配器将程序下载至NCU中。

2、自动换刀程序设计。在PLC控制程序的设计中，加工中心的自动换刀程序是最复杂的PLC程序部分，该加工中心刀库，为链条式刀库，油马达给链条提供正反转动力，因为刀具数量较大，为提高换刀效率，油马达能分两档速度运转。链条旁安装有的多个接近开关，分别为刀库原点的判断和刀库转动的位置定位向PLC提供反馈信息，而复杂的机械手负责在工作区和刀库区进行取刀和放刀的工作，一次自动换刀，把每个动作用M代码进行设定，具体换刀步骤为：M38，刀库定位销缩回，松开刀库———M31刀库高速正转，直至刀库1号刀位遇上参考点接近开关，即刀库回零，根据目标刀号与当前刀库位置的距离比较，自动判断为M31或者M32———根据送进PLC的接近开关的脉冲反馈，进行刀位计数，当相差3个刀位到达目标刀号时，M35或M36，刀库旋转找到换下刀具所在的刀位，并通过机械手把刀具放回刀库，至此，完整的自动换刀流程结束。

结语：

通过对电气控制系统的全面升级改造，该加工中心恢复了原有的全部功能，机床运行情况良好。先进的840D系统让机床性能得到进一步的提升，工件加工的效率和质量也都更进一步，机器操作更方便，运行更稳定可靠，而且故障率明显减小，大大提高了生产效率。

参考文献：

[1]胡毅,何平,张腾飞.基于OPC技术实现西门子数控系统的数据采集[J].组合机床与自动化加工技术,2019，(04):69-71.

[2]赵国强,武迎迎,张春明.基于西门子840D数控系统的刀具长度补偿设置防错控制研究[J].现代制造工程,2018，(05):62-65.