基于西門子828D 的磨床數控系統(tǒng)的設計＊*

方 凱 羅 敏 劉凌云

(湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002)

MZ2015 自動磨床是某廠軸承加工廣泛使用的設備，用于軸承套圈內圓磨削，由于該機床的早期電氣系統(tǒng)采用的是繼電器接觸器控制，電氣元件較多，導致可靠性差，電氣故障頻繁。且機床使用時間較長，以致系統(tǒng)老化，工作不穩(wěn)定，工件精度得不到保障，故采用西門子828D 數控系統(tǒng)對其進行系統(tǒng)改造，使其工作穩(wěn)定，滿足使用要求。

1 方案設計

針對MZ2015 磨床進行數控化改造的主要方案是:磨床的機械部分和液壓系統(tǒng)基本保持不變，因MZ2015 磨床的電氣控制部分與數控機床電氣控制部分不相同，在實行數控化改造時拆除所有原氣控制部分。選用西門子828D 數控系統(tǒng)來代替機床原有的繼電器控制系統(tǒng)。主軸電動機采用三相交流電動機取代原來的直流調速系統(tǒng)，配以與之配套使用的臺達VDF系列變頻器，可實現無級調速。伺服驅動系統(tǒng)采用與西門子828D 配套的S120 伺服驅動單元及1FK7 交流伺服電動機，由交流伺服電動機來控制拖板部分，由于伺服電動機內配有編碼器，X 軸、Z 軸可構成半閉環(huán)控制，從而提高了控制精度。機床外圍I/O 控制采用西門子S7 -200PLC 模塊控制，并重新編寫PLC 程序，取代原有的繼電器接觸器控制。

2 系統(tǒng)設計

MZ2015 自動磨床的功能是對同步器錐環(huán)內錐面進行磨削，主要有砂輪架的橫向往復運動、縱向移動共兩個伺服驅動模塊，西門子的新數控系統(tǒng)功能強大，售后有保障，且能滿足用戶自由地配備模塊的需求。又由于公司其它車間的機床多采用西門子數控系統(tǒng)，在安裝調試方面積累了比較豐富的經驗。故采用西門子828D 數控系統(tǒng)來實施改造。

系統(tǒng)硬件連接圖如圖1 所示。

SIMMERIK 828D 數控系統(tǒng)是將CNC、PLC、HMI 和通訊任務集成于一個單一部件，由幾大部分組成:驅動系統(tǒng)電源，伺服電動機控制，數控系統(tǒng)，輸入輸出模塊，控制面板(MCP)，機床側電氣接線端子，手輪，編碼器。

SINAMICS S120 作為西門子SINAMICS 驅動系列之一，可以提供高性能的單軸和雙軸驅動，模塊化的設計可以滿足應用中日益增長的對驅動系統(tǒng)軸數量和性能的要求。SINAMIC S120 是集V/F 控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系統(tǒng)具有模塊化的設計。各模塊間(包括控制單元模塊、整流、回饋模塊、電動機模塊、傳感器模塊和電動機編碼器)通過高速驅動接口DRIVE-CLIQ 相互連接。

1FK7 電動機是永磁式同步電動機，與SINAMIC S120 配套使用，分為“緊湊型”、“高動態(tài)型”和“高慣性型”等型號。該伺服電動機具有電子銘牌，系統(tǒng)可以自動識別所配置的驅動系統(tǒng)。具有更高的控制精度和動態(tài)特性，更高的可靠性。同時，這些自冷卻式電動機的特點是具有優(yōu)異的過載能力，結構堅固而緊湊。它們通過可旋轉的連接器與預組裝電纜進行連接，可靈活、快速和安全地與變頻器相連。

SINAMICS S120 驅動連接示意圖，如圖2 所示。

SLM 沒有DRIVE CLiQ 接口，由828D X100 接口引出的驅動控制電纜DRIVE CLIQ 連接到第一臺電動機模塊的X200 接口，由電動機模塊的X201 連接到下一臺相鄰的電動機模塊的X200，按此規(guī)律連接所有電動機模塊。并且保證功率大的電動機模塊應與電源模塊相鄰放置。X202、X203 為電動機編碼器反饋信號。

3 程序設計

改造后磨床為數控磨床，根據工件加工工藝流程編寫CNC 加工程序，經數控系統(tǒng)編碼譯碼后再經各類驅動器有序地控制各軸和輔助裝置的動作，完成對內錐面的磨削加工。磨床加工流程圖如圖3 所示。

主程序即為磨削程序，工件在夾具的固定下，隨主軸電動機的旋轉做圓周進給運動。首先對內錐面進行粗磨加工，粗磨加工完成后砂輪表面的磨粒變鈍且有很多磨屑附著在上面，不符合精磨加工要求的磨削精度和表面粗糙度。所以在粗磨加工完成后，對砂輪進行一次修整，讓后一次進行精磨加工和光磨加工。

加工程序代碼為:

G04 程序中斷功能是828D 數控系統(tǒng)中專用通道機床信號，其功能是在AUTOMATIK 和MDA 運行方式下，禁止下一個程序段傳送到插補器中，其作用是使機床在執(zhí)行某些輔助動作時，禁止NC(Numerical Contol)程序繼續(xù)執(zhí)行，當輔助結束之后，才繼續(xù)執(zhí)行下一個NC 程序段，合理使用禁止讀入功能能夠極大地提高機床的安全性和降低功能部件因誤動作而造成的損傷。本程序G04 指令用于完成對錐環(huán)內錐面的光磨加工，消除由于進刀時產生的彈性變形而導致的讓刀量，可較好地保證工件的精度和直線度。

4 系統(tǒng)參數設置

4.1 總線配置

SINUMERIK 828D 是通過現場總線profibus 對外設模塊(如驅動器和輸入輸出模塊等)，profibus 的配置是通過通用參數MD11240 來確定的。

4.2 驅動器模塊定位

數控系統(tǒng)與驅動器之間通過總線連接，系統(tǒng)根據下列參數與驅動器建立物理聯(lián)系。

對于配置非調節(jié)電源模塊SLM 的系統(tǒng)，由828D驅動接口X100 連接到的第一臺電動機模塊的軸號為1，且以此類推。

4.3 位置控制使能

系統(tǒng)出廠設定各軸均為仿真軸，系統(tǒng)既不產生指令輸出給驅動器，也不讀電動機的位置信號。按設定參數可激活該軸的位置控制器，使坐標軸進入正常工作狀態(tài)。

5 結語

針對普通機床存在的效率低、設備陳舊、故障頻繁、精度差等問題，對普通機床進行數控化改造是提高生產效率和自動化程度的重要手段。本課題提出了采用西門子828D 數控系統(tǒng)來改造同步器錐環(huán)磨床的方案，主要完成了MZ2015 磨床改造中的數控裝置、伺服驅動系統(tǒng)的選型與配置;詳細地設計了系統(tǒng)的整體連接和各部分接口連接;闡述了828D 數控系統(tǒng)常用參數，主軸相關參數，伺服相關參數的設定。最后，根據實際加工需要設計了同步器錐環(huán)的CNC 加工程序。改造后的磨床運轉可靠，達到了改造目標，產生了經濟效益。

［1］羅敏.數控原理與編程［M］.北京:人機械工業(yè)出版社，2011.

［2］西門子公司.西門子828D 數控系統(tǒng)簡明調試手冊［R］.2011，10.

［3］西門子公司.基礎部分編程［Z］.2010，7.

［4］西門子公司.樣本及選型手冊［Z］.2011，8.