基于CAT—180數(shù)控?zé)嵝龎簷C(jī)床的改造

沈立秋　沈湘寧

摘 要：文章以CAT-180熱旋壓數(shù)控機(jī)床為研究目的，采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)，對(duì)機(jī)床的外圍部件進(jìn)行改造。機(jī)床通過(guò)改造后，不僅可以提高穩(wěn)定性，而且還能降低設(shè)備的故障率，這樣提高了企業(yè)的生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞：CAT-180數(shù)控?zé)嵝龎簷C(jī)床；西門子840D數(shù)控系統(tǒng)；改造

1 概述

該機(jī)床是19世紀(jì)末期從西班牙DENN公司引進(jìn)的數(shù)控?zé)嵝龎簷C(jī)床，主要用于金屬筒形部件（Φ140mm-Φ180mm）的熱旋壓，由于該機(jī)床使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，部分配件老化，使其加工精確度降低，而且存在設(shè)備部件復(fù)雜、維修成本高等問(wèn)題。因此為了保證生產(chǎn)，降低維修成本，我們通過(guò)對(duì)進(jìn)出料系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償?shù)妊b置，以及部分電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的改造，機(jī)床的進(jìn)出料系統(tǒng)采用氣動(dòng)式裝置，機(jī)床的驅(qū)動(dòng)軸采用SIMODRIVE 611D伺服驅(qū)動(dòng)，從而使設(shè)備恢復(fù)原貌。

2 機(jī)床結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

機(jī)床主要包括主軸驅(qū)動(dòng)、液壓系統(tǒng)、進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)、上下料裝置、潤(rùn)滑裝置、刀具管理等，由直流電機(jī)作為主軸（SP軸），其作為旋轉(zhuǎn)軸，可分為高速和低速旋轉(zhuǎn)，并帶電動(dòng)換擋結(jié)構(gòu)，主軸電機(jī)采用原來(lái)機(jī)床的直流電機(jī)，由ABB公司生產(chǎn)的M3AA 250 SMA-4型電機(jī)；橫向軸為X軸、縱向軸為Z軸（對(duì)著主軸），其中Y軸為虛擬軸，需要適配第三幾何軸。X軸和Z軸的位移檢測(cè)元件采用的是絕對(duì)值編碼器，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)控制X軸和Z軸的位移量。這樣通過(guò)三軸聯(lián)動(dòng)，可以對(duì)金屬圓筒部件進(jìn)行熱旋壓。

3 西門子840D數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

西門子840D、SIMODRIVE611D數(shù)字驅(qū)動(dòng)和S7-300PLC，用MTS位移傳感器作為位置和速度檢測(cè)元件，通過(guò)伺服閥控制油缸活塞的位移量，經(jīng)各信號(hào)的相互傳遞，構(gòu)成全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)適于機(jī)床各式各樣復(fù)雜部件的加工任務(wù)，并有其精度高的特點(diǎn)。它由NCU（數(shù)控單元）、MMC、PLC等部件構(gòu)成該數(shù)控系統(tǒng)，并用總線相連各部件來(lái)完成信號(hào)的傳輸任務(wù)。

3.1 NCU控制模塊

NCU單元是西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中的中央控制單元，它為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理CNC的一切功能及機(jī)床的控制，它與611D伺服驅(qū)動(dòng)的總線連接，用來(lái)接收數(shù)控指令并向系統(tǒng)提供信號(hào)反饋；NC和S7-300PLC內(nèi)的CPU都一起集成在NCU模塊中，與MMC、主軸驅(qū)動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)等連接。

3.2 人機(jī)界面

它是MMC和OP建立的西門子840D與操作者互相交互的界面，是執(zhí)行NC數(shù)據(jù)的輸入以及數(shù)據(jù)的顯示，其中OP單元，帶有10.4寸的TFT顯示屏、NC鍵盤；MMC是一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)，并帶獨(dú)立的CPU、硬盤和軟驅(qū)，其中PCU是為操作面板匹配而設(shè)計(jì)的MMC模塊，該機(jī)床為PCU50，并配有高級(jí)HMI，同時(shí)帶有WINDOWS NT4.0，用于人機(jī)可視化交互，如編程、診斷等功能；其中MCP是數(shù)控操作臺(tái)上有用戶自定義功能按鍵的操作面板，通過(guò)MP總線連接各模塊，主要控制機(jī)床的相關(guān)動(dòng)作、主軸以及進(jìn)給軸。

3.3 PLC控制模塊

PLC模塊是NCU的子模塊，由電源模塊（PS）和接口模塊（IM）以及信號(hào)模塊（SM）等組成，用于機(jī)床的控制與監(jiān)控。其中電源模塊（PS）是PLC和NC的供應(yīng)電源；接口模塊（IM）是用在不同等級(jí)的互連；信號(hào)模塊（SM）有DI型（SM321）、DI/DO型（SM323）、DO型（SM322）等。其中西門子公司提供的840dtoolbox包含有機(jī)床的部分程序，安裝下載后可實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)以及X軸和Z軸的控制，還可以增加用戶自定義的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻等輔助控制，這些功能需要在SIMATIC Manager軟件上編程才能實(shí)現(xiàn)。

4 機(jī)床設(shè)計(jì)

4.1 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)控制原理

該機(jī)床系統(tǒng)是全閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用MTS磁制伸縮式位移傳感器，為其提供位置反饋和速度反饋，其輸出為絕對(duì)數(shù)值SSI數(shù)字輸出，有著控制精度高，信號(hào)不漂移及變值的特點(diǎn)；在伺服油缸中裝有浮動(dòng)永磁磁環(huán)，當(dāng)磁環(huán)移動(dòng)時(shí)上下感測(cè)到的位移即為活塞的位移。當(dāng)CNC發(fā)出指令時(shí)，信號(hào)通過(guò)NCU各總線傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)位移傳感器檢測(cè)的位置不在指令發(fā)出的位置時(shí)，它通過(guò)位置控制電路輸出±10V的電壓信號(hào)，傳送到伺服編碼器使能端（D和E端），控制液壓缸活塞的位移量，同時(shí)，位移傳感器輸出0-10V的速度信號(hào)，反饋給機(jī)床，位移傳感器發(fā)出的位置和速度反饋信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)后，對(duì)伺服閥作出相應(yīng)的位置和速度調(diào)整，從而對(duì)進(jìn)給軸的位移和速度實(shí)現(xiàn)精確控制，并在人機(jī)界面中顯示出來(lái)；當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到CNC給出的指令一致時(shí)，位置控制電路系統(tǒng)停止發(fā)出±10V電壓信號(hào)，從而進(jìn)給軸停止。如圖1。

4.2 主軸控制原理

主軸采用是原來(lái)的主軸驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。CNC中發(fā)出的速度S指令，由指定的速度值決定，其速度還可以通過(guò)主軸倍率開(kāi)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC時(shí)，對(duì)S碼進(jìn)行譯碼出來(lái)，再經(jīng)模擬輸出轉(zhuǎn)換為十六位數(shù)的整數(shù)，然后送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為需要的數(shù)字信號(hào)，并輸出±10V的電壓信號(hào)傳遞給主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制其轉(zhuǎn)速，如圖2所示。

4.3 上下料裝置的改進(jìn)

為了安全，降低成本，操作簡(jiǎn)單，我們采用氣缸作為上下料裝置，首先把金屬圓筒經(jīng)過(guò)中頻加熱到一定的溫度后，把加熱好的料進(jìn)入旋壓機(jī)加工時(shí)，用小車把料推向旋輪底部，再用頂料氣缸把料推向旋壓機(jī)卡爪內(nèi)，通過(guò)卡爪夾緊、加熱補(bǔ)償，主軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行熱旋壓；完成后，出料時(shí)，首先出料氣缸把小車推向出料口，卡爪松開(kāi)后，頂料桿把金屬成形圓筒推出到小車上，推出來(lái)后，小車再慢慢退回到出料的初始位置，進(jìn)行自動(dòng)下料，從而實(shí)現(xiàn)上料和下料的全部過(guò)程。圖3為上下料裝置。

5 機(jī)床調(diào)試

5.1 PLC程序設(shè)計(jì)

機(jī)床的外部動(dòng)作由MCP操作面板的用戶自定義區(qū)域在PLC中設(shè)定地址，其主軸和X軸、Z軸也在MCP控制面板上。通過(guò)線路檢查合理后方可試車，調(diào)試時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)的PLC程序及NCK數(shù)據(jù)總清，PLC程序才能調(diào)試。通過(guò)安裝840dtoolbox后，打開(kāi)s7-300軟件就能打開(kāi)gp8x0d65這個(gè)文件夾的程序，下載到CPU中，然后對(duì)FC功能塊進(jìn)行調(diào)試，下載成功后，MCP上的燈不再閃爍，同時(shí)對(duì)機(jī)床的各軸參數(shù)進(jìn)行修改后，各軸就可以正常工作，同時(shí)還需對(duì)機(jī)床數(shù)據(jù)以及PLC數(shù)據(jù)備份。通過(guò)PLC的編程，能夠?qū)ο到y(tǒng)的各種信號(hào)進(jìn)行處理，與對(duì)軸的定位控制以及外圍的控制。

5.2 報(bào)警文本制作

當(dāng)機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，顯示屏上會(huì)提示故障信息及故障代碼，同時(shí)，機(jī)床可能停止工作，以提醒操作者采取適當(dāng)?shù)拇胧┤ヌ幚碓摍C(jī)床，為機(jī)床的維護(hù)提供了便利。報(bào)警由系統(tǒng)報(bào)警、用戶報(bào)警組成，其中系統(tǒng)報(bào)警是機(jī)床在出廠前已經(jīng)編輯好的報(bào)警文本，這些報(bào)警的代碼可以通過(guò)《西門子840D診斷手冊(cè)》查閱該報(bào)警的具體問(wèn)題及解決措施。

用戶報(bào)警文本制作：

在制作用戶報(bào)警時(shí)，首先要在MBDDE.INI文本中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，同時(shí)還需要具備三個(gè)條件才能實(shí)現(xiàn)：

（1）PLC程序處理相應(yīng)報(bào)警信號(hào)

用戶自定義報(bào)警共有25組號(hào)碼，每一組有64個(gè)號(hào)碼與之對(duì)應(yīng)，如DB2.DBX184.3對(duì)應(yīng)的報(bào)警號(hào)為700035，如圖4。在編寫PLC程序時(shí)，要對(duì)該機(jī)床的報(bào)警編寫合適的報(bào)警號(hào)，以便出現(xiàn)故障時(shí)查驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)報(bào)警，還需觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)在NC設(shè)置的激活動(dòng)作。

（2）在程序OB1中需調(diào)用FC10

該機(jī)床發(fā)出的報(bào)警幫助信息則由NC自動(dòng)處理，但出廠時(shí)設(shè)置的機(jī)床報(bào)警及操作信息經(jīng)接口信號(hào)傳送到DB2進(jìn)行處理，這些信號(hào)再通過(guò)功能塊FC10經(jīng)PLC傳遞給MMC和NC，并且在MMC上顯示報(bào)警信息和故障代碼。當(dāng)機(jī)床報(bào)警信號(hào)由0變?yōu)?時(shí)，報(bào)警信息在MMC上立刻顯示，由1變到0時(shí)，只要操作者按下復(fù)位鍵，系統(tǒng)及時(shí)復(fù)位，報(bào)警代碼消失，如圖5所示。

（3）編好報(bào)警文本并傳入系統(tǒng)

當(dāng)我們需要編寫英文報(bào)警文本時(shí)，需在MMC中的Microsoft的Dos環(huán)境中的ASCⅡ編輯器中編寫，但編寫中文報(bào)警文本時(shí)，必須通過(guò)個(gè)人電腦安裝的winpcin軟件編寫中文報(bào)警信息并把MYPLC-CH.COM文件傳輸?shù)絤b.dir文件中才能實(shí)現(xiàn)該報(bào)警。

6 結(jié)束語(yǔ)

該機(jī)床通過(guò)改造后運(yùn)行比較穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，加工精確度得到提高，降低了設(shè)備維修成本，提高了設(shè)備利用率。

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作者簡(jiǎn)介：沈立秋（1987-），男，學(xué)士，助理工程師，主要從事機(jī)械設(shè)備電氣方面的安裝、調(diào)試、改造和維護(hù)工作。