五坐標(biāo)三主軸數(shù)控龍門(mén)銑床電氣系統(tǒng)的改造

楊文健

（中國(guó)工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川成都 610092）

五坐標(biāo)三主軸數(shù)控龍門(mén)銑床是公司20世紀(jì)90年代從美國(guó)辛辛那提·米拉克龍公司引進(jìn)的，機(jī)床控制系統(tǒng)為ACRAMATIC 950，20世紀(jì)80年代推出的，坐標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為美國(guó)哥爾摩根公司生產(chǎn)的BSD3模擬驅(qū)動(dòng)裝置，主軸多達(dá)3個(gè)SP1、SP2、SP3，坐標(biāo)有X1、X2、Y、Z、A、B五個(gè)軸，X坐標(biāo)采用雙軸驅(qū)動(dòng)，行程長(zhǎng)達(dá)19 m，機(jī)床從1994年投入生產(chǎn)以來(lái)一直是公司工件加工的主力機(jī)床之一，由于機(jī)床使用年限長(zhǎng)，電氣系統(tǒng)老化，機(jī)械傳動(dòng)部分磨損，漏油嚴(yán)重，機(jī)床故障率高，電氣系統(tǒng)備件目前廠家供應(yīng)基本停止，機(jī)床出現(xiàn)電氣系統(tǒng)、坐標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)等方面故障時(shí)，要花高額費(fèi)用和很長(zhǎng)時(shí)間才能買(mǎi)到備件，停工周期長(zhǎng)，維修難度大，嚴(yán)重阻礙了生產(chǎn)任務(wù)完成。機(jī)床的價(jià)格昂貴，報(bào)廢顯然行不通，但目前使用又不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，對(duì)機(jī)床電氣系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)部分修理的改造勢(shì)在必行。

機(jī)床改造的主要目標(biāo)是:利用新技術(shù)、新產(chǎn)品完成機(jī)床設(shè)備電氣系統(tǒng)改造更新，對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行修理，提高設(shè)備可靠性，減少故障和停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。下面僅針對(duì)電氣系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)。

1 改造前的機(jī)床電氣系統(tǒng)

1．1 機(jī)床控制系統(tǒng)

五坐標(biāo)三主軸數(shù)控龍門(mén)銑床控制系統(tǒng)是美國(guó)辛辛那提．米拉克龍公司20世紀(jì)80年代推出的ACRAMATIC 950（簡(jiǎn)稱(chēng)A950），A950系統(tǒng)由處理器控制部件（PCA）、操作站部件（OSA）、機(jī)床接口部件（MIA）和機(jī)床操作站部件（MSA）共4大部分組成。

（1）處理器控制部件（PCA）

處理器控制部件（PCA）包含了與操作站裝置、機(jī)床、坐標(biāo)軸伺服控制、主軸控制及各端口進(jìn)行通信所必須的所有硬件。由A950母板（M950）和安裝在母板上的19塊印刷線(xiàn)路板:總上層板（BOH）、中規(guī)模CPU、小規(guī)模CPU、通用存儲(chǔ)器（GRAM）、硬盤(pán)/軟盤(pán)控制器（WFI）、彩色T圖形文本處理器（CVC）、機(jī)床控制接口（APCI）、四通道控制器（FCC）、伺服上層板（SOH）、二通道伺服控制器（SV2）、系統(tǒng)配置硬盤(pán)、系統(tǒng)電源組成。

（2）操作站部件（OSA）

由1個(gè)14英寸彩色觸屏式CRT、鍵盤(pán)接口板（RSKI）和電源組成。

（3）機(jī)床接口部件（MIA）

是由1個(gè)單一的16槽I/O框架構(gòu)成，可容納128 I/O點(diǎn)，工作電源（+5 V和+12 V）由處理器控制單元提供。

（4）機(jī)床操作站部件（MSA）

由控制機(jī)床的各種功能鍵和LED面板組成，通過(guò)RSKI板連接至操作站部件（OSA）。

1．2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

五坐標(biāo)三主軸數(shù)控龍門(mén)銑床坐標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)是使用美國(guó)哥爾摩根公司生產(chǎn)的BSD3驅(qū)動(dòng)裝置，伺服控制系統(tǒng)由A950控制器3個(gè)板支持:1塊小規(guī)模伺服管理處理器SCPU板、1塊伺服上層板SOH板、二軸伺服SV2模擬反饋SV2板。坐標(biāo)檢測(cè)單元采用電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝的旋轉(zhuǎn)變壓器，檢測(cè)方式為增量式，控制方式為半閉環(huán)。

1．3 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)床主軸數(shù)達(dá)3個(gè)，分別由3臺(tái)45 kW三相電動(dòng)機(jī)和3臺(tái)GE公司AC－300變頻器組成。

1．4 機(jī)床控制電路

機(jī)床控制電路包括控制液壓站、冷卻液、導(dǎo)軌潤(rùn)滑、主軸齒輪潤(rùn)滑和主軸油氣潤(rùn)滑等控制。

2 機(jī)床目前狀況

2．1 控制系統(tǒng)

五坐標(biāo)三主軸數(shù)控龍門(mén)銑床控制系統(tǒng)A950是20世紀(jì)80年代推出的，系統(tǒng)軟件存儲(chǔ)在8張3.5英寸1.44 M軟盤(pán)里，軟盤(pán)受潮易生霉難于保管，每年就要重新復(fù)制，否則數(shù)據(jù)丟失，那就要花昂貴費(fèi)用到廠家復(fù)制，近年來(lái)軟盤(pán)很難在市場(chǎng)買(mǎi)到，但每次更換新硬盤(pán)必須要用8張系統(tǒng)軟盤(pán)依次加載系統(tǒng)軟件才能使用，硬盤(pán)只有40 M，損壞后，需從廠家購(gòu)買(mǎi)裝有引導(dǎo)程序的硬盤(pán)，機(jī)床硬盤(pán)安裝位置由于隨機(jī)床運(yùn)動(dòng)很容易損壞，基本兩年更換一個(gè)。

2．2 操作站

操作站顯示器采用觸屏，現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境使觸摸屏很容易損壞，現(xiàn)在沒(méi)有備件供應(yīng)，造成觸摸屏損壞需更換整個(gè)顯示器，顯示器從廠家已很難買(mǎi)到，就是買(mǎi)到費(fèi)用達(dá)5萬(wàn)美元，目前采用外修方法艱難維持機(jī)床工作，由于顯像管老化，開(kāi)機(jī)要很長(zhǎng)一段時(shí)間才能正常顯示。

2．3 坐標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)

機(jī)床大部分出現(xiàn)故障都是在伺服驅(qū)動(dòng)方面。該機(jī)床位置檢測(cè)單元采用電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝的旋轉(zhuǎn)變壓器，該檢測(cè)元件安裝不好，很容易損壞。這種型號(hào)的電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)伺服裝置廠家已停產(chǎn)，目前采用外修方法，但多次維修已經(jīng)沒(méi)有修的價(jià)值。機(jī)床采用增量式檢測(cè)，X行程19 000 mm，回原點(diǎn)每次都要開(kāi)到機(jī)床固定位置，很耗費(fèi)時(shí)間。

2．4 主軸變頻器

機(jī)床主軸變頻器體積大，每個(gè)主軸變頻器約1 000 mm×400 mm，發(fā)熱量大，電氣柜每個(gè)柜子只用14 W軸流風(fēng)機(jī)散熱，使得電氣柜溫度過(guò)高，主軸變頻器工作不良，主軸出現(xiàn)異常波動(dòng)，影響工件加工表面質(zhì)量。

2．5 機(jī)床控制電路

機(jī)床使用年限長(zhǎng)，電纜護(hù)套破裂，造成電纜線(xiàn)露出磨破，對(duì)地短路，電氣元件老化，出現(xiàn)工作不良，使故障率大增，機(jī)床可靠性降低，造成加工質(zhì)量問(wèn)題。

2．6 五軸聯(lián)動(dòng)精度

機(jī)床為五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，由于系統(tǒng)原因，無(wú)法方便用球頭檢查機(jī)床五軸精度，由于機(jī)床使用年限長(zhǎng)，機(jī)械傳動(dòng)部分磨損，精度下降嚴(yán)重。

2．7 系統(tǒng)通信內(nèi)存

機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)存很小只有120 000字節(jié)，稍微復(fù)雜工件無(wú)法滿(mǎn)足加工，使用DNC在線(xiàn)加工，由于通信采用RS232，可靠性不高，造成程序少段，工件報(bào)廢。

3 機(jī)床電氣系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

鑒于機(jī)床電氣系統(tǒng)現(xiàn)狀，對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造，具體方案如下:

對(duì)機(jī)床重新設(shè)計(jì)電氣工作原理圖，機(jī)床操作方式采用集中式操作，都統(tǒng)一到按鈕站上（西門(mén)子顯示器OP015及機(jī)床19英寸操作面板MCP483C），極大方便操作，更換機(jī)床操作面板和與之配套的全功能CNC鍵盤(pán)。

3．1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng):選用德國(guó) SIEMENS公司 SINUMERIK 840D Powerline數(shù)控系統(tǒng)。

（2）HMI（人機(jī)界面）:OP015，15．1英寸 TFT彩色液晶顯示器，分辨率為1 024×768像素（XGA），帶防塵薄膜按鍵及鼠標(biāo);薄膜輕觸防水工業(yè)級(jí)鍵盤(pán);直接連接Profibus－DP;智能化操作面板，堅(jiān)固耐用，結(jié)構(gòu)扁平緊湊;開(kāi)放式的人機(jī)對(duì)話(huà);UBS接口“即插即用”可方便連接標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。

依據(jù)GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》，再生細(xì)骨料按性能要求可分為Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)。該規(guī)范對(duì)再生細(xì)骨料的分類(lèi)方法作了嚴(yán)格界定，對(duì)再生細(xì)骨料的微粉和泥塊含量、有害物質(zhì)含量、堿集料反應(yīng)等有明確的限制，引入了秦原等[12]提倡的再生細(xì)骨料的需水量比指標(biāo)，并對(duì)壓碎指標(biāo)、表觀密度、堆積密度和孔隙率作了規(guī)定(見(jiàn)表1)。

（3）PCU50．3－ P:Intel技術(shù) PM670 MHz，2 G/1 024 M SDRAM;40 G可替換硬盤(pán);最新HMI軟件，Windows XP嵌入式操作系統(tǒng)，中/英顯示界面;支持Ghost數(shù)據(jù)備份和恢復(fù);以太網(wǎng)10/100Mbit/S（RJ45），TCP/IP 協(xié) 議;4*UBS2．0;1*PROFIBUS/MPI;COM1、COM2串口、LPT1并口、VGA顯示口、PS/2鼠標(biāo)/鍵盤(pán)口;MPI/Profibus－DP總線(xiàn)接口;2*PCI（1*265 mm（10．4 英寸），1*175 mm（6．89 英寸））;1*CF 卡。

（4）NCU:集CNC、PLC控制和通訊任務(wù)于NCU單元;NCU573．5:CPU 933 MHz，最多可控制 31 軸，實(shí)現(xiàn)10個(gè)方式組，10個(gè)加工通道;840D Powerline的系統(tǒng)軟件儲(chǔ)存于一個(gè)PC卡上，可帶31個(gè)軸;集成PLC，PLC內(nèi)存容量128K，CPU為933 MHz;12軸控制軟件，包括五軸聯(lián)動(dòng)功能，3D刀具補(bǔ)償、RTCP加工功能;龍門(mén)同步軸功能;DNC通訊軟件;SINUCOM軟件包;PLC梯形圖實(shí)時(shí)編輯及顯示軟件;圖形模擬功能;預(yù)讀功能;前饋控制。

（5）Handheld unit type B－MPI手持單元:二通道的急停和使能按鈕;3．5 M長(zhǎng)的螺旋伸縮電纜。

（6）PLC I/O輸入/輸出模塊:使用的是SIMATIC S7－700一樣的模塊，并完全兼容，具有優(yōu)良的通用性和可互換性。I/O點(diǎn)按256/192配置。兩塊IM361接口模塊，總線(xiàn)連接，減少柜與柜之間連接線(xiàn)。

IM361:6ES7361－3CA01－0AA0

DI32:6ES7321－1BL00－0AA0

DO32:6ES7322－1BL00－0AA0

重新設(shè)計(jì)PLC控制軟件。

3．2 伺服驅(qū)動(dòng)及電動(dòng)機(jī)

機(jī)床坐標(biāo)X1/X2、Y、Z、A、B進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)，采用德國(guó)西門(mén)子公司最新的SIMODRIVE 611D全數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)裝置56A驅(qū)動(dòng)模塊6塊，611D單軸數(shù)字式調(diào)節(jié)控制單元6塊，1FT6高精度交流伺服電動(dòng)機(jī)替代原機(jī)床的科爾摩根驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電動(dòng)機(jī)，所有電動(dòng)機(jī)的法蘭盤(pán)、聯(lián)軸器重新設(shè)計(jì)、制造和安裝，實(shí)現(xiàn)機(jī)床各軸的進(jìn)給或旋轉(zhuǎn)控制。電源前端配置濾波器、電抗器、限壓模塊，減少電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的干擾。

（1）611－D數(shù)字化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):是西門(mén)子新一代數(shù)字化智能型閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、寬速度設(shè)定范圍和高旋轉(zhuǎn)精度的驅(qū)動(dòng)最高要求，模塊化的設(shè)計(jì)方便機(jī)床控制軸的擴(kuò)展。最高響應(yīng)頻率可達(dá)到:1 400 Hz，最高編碼器的分辨率:2 048倍。具體配置如下:

（2）611電源模塊:選用再生回饋式電源模塊，配套電源進(jìn)線(xiàn)電抗器、電源濾波器、限壓模塊等，抑制電源波動(dòng)造成模塊損壞。

電源電抗器:6SL3000－0DE31－2AA1

電源濾波器:6SL3000－0BE31－2AA1

電源模塊:6SN1145－1BB00－0EA1

監(jiān)控模塊:6SN1112－1AC01－0AA1

（3）位置檢測(cè):選用電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝的絕對(duì)位置檢測(cè)編碼器，使機(jī)床開(kāi)機(jī)上電就記憶位置，不需回原點(diǎn)，更快進(jìn)入加工狀態(tài)。

（4）主軸驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī):機(jī)床3個(gè)主軸驅(qū)動(dòng)采用西門(mén)子公司6SE70系列矢量控制型55 kW變頻器（帶有M08）替代原機(jī)床GE公司AF－300C變頻器，增加2個(gè)HLA/ANA模塊控制主軸驅(qū)動(dòng)，保留機(jī)床3臺(tái)交流主軸電動(dòng)機(jī)。

主軸變頻器:6SE7031－2EF60－Z Z=M08

ANA模擬板:6SN1115－0BA11－0AA1

制動(dòng)單元:6SE7023－2EA87－2DA0

制動(dòng)電阻:6SE7023－2ES87－2DC0

（5）伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī):使用壽命長(zhǎng);過(guò)載能力強(qiáng);溫度絕緣等級(jí)高，F(xiàn)級(jí);動(dòng)態(tài)響應(yīng)快;高精度、內(nèi)裝式編碼器;高抗側(cè)向力;符合歐洲EMC電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)床選擇西門(mén)子坐標(biāo)伺服電動(dòng)機(jī)如下:

3．3 系統(tǒng)電纜

配置數(shù)控系統(tǒng) PCU50、MCP、OP015、NCU573．5 之間全采用高性能的西門(mén)子電纜，與數(shù)控系統(tǒng)匹配，1FT6電動(dòng)機(jī)與611D之間動(dòng)力電纜和編碼器電纜全部采用高性能的西門(mén)子電纜，大大提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，更換機(jī)床相關(guān)的電線(xiàn)電纜，電氣控制線(xiàn)路設(shè)置分線(xiàn)盒，便于維修。

3．4 更換控制柜和電氣元件

電氣控制柜采用威圖全密封控制柜，顏色為?；疑?，更換電氣柜內(nèi)主要的低壓元件、電線(xiàn)電纜、接線(xiàn)端子接頭，采用品牌產(chǎn)品，電氣柜柜內(nèi)分別安裝NCU+電源模塊+驅(qū)動(dòng)、3個(gè)主軸變頻器，所有元器件及電纜、電纜接頭均有明確標(biāo)識(shí)并與電氣原理圖相符。電氣動(dòng)作控制安全、準(zhǔn)確可靠，電氣柜布線(xiàn)符合國(guó)家安裝標(biāo)準(zhǔn)。

3．5 電氣柜空調(diào)

每節(jié)電氣柜加裝制冷空調(diào)，制冷量每組2 500 W以上，確保系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、電氣元件等裝置工作在良好狀態(tài)。

3．6 電氣柜布局

電氣柜、電氣柜空調(diào)、操作臺(tái)都使用德國(guó)威圖（Rittal）公司產(chǎn)品，坐標(biāo)、系統(tǒng)控制電氣柜、主軸控制電氣柜為800 mm×600 mm×2 000 mm的密封柜6組。

4 結(jié)語(yǔ)

五坐標(biāo)三主軸數(shù)控龍門(mén)銑床按上述設(shè)計(jì)方案改造后，進(jìn)行了試件試切加工，在完全達(dá)到要求后交付車(chē)間使用，機(jī)床運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，生產(chǎn)效率得到提高，保證產(chǎn)品質(zhì)量，維修周期大大縮短，僅用機(jī)床總價(jià)值約10%花費(fèi)進(jìn)行改造，使得機(jī)床使用壽命得以延續(xù)，還對(duì)今后數(shù)控機(jī)床改造提供了經(jīng)驗(yàn)。

［1］沈冰，戴明仁．?dāng)?shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)維修技術(shù)與實(shí)例［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社．

［2］西門(mén)子 catalog NC60．Automation system for machine tools［Z］．

［3］Cincinnati Milacron Acramatic A950．control reference manual［Z］．

［4］Cincinnati Milacron Vertical 5－axis 3－spindle gantry type CNC profiler．operating manual［Z］．