數控機床改造方案的選擇

陜西重型機器廠 曹 宏

近年來，隨著國內各種類型機床改造需求的擴大，機床改造已經逐漸形成了一個產業。其中絕大多數是數控機床的改造，也有一部分來自非數控機床的升級改造。在數控機床的改造和非數控機床的升級改造中，一個好的改造方案是改造成功的基礎。在這個環節嚴格把關，保證了改造的成功的實施。本文將就改造方案的選擇進行闡述，分析每一個步驟的具體內容，供大家參考。

一、現代數控驅動產品帶來的豐富選擇

我們將以西門子主流數控系統為例，逐一加以分析。

802S802D810DCCUI840D840DI840C測量回路數45663130近給軸/主軸3/14/16/1+16/631/3130/6驅動系統步進驅動611U611D611D611D611A/D線性插補軸33444/125通道數1112106 PlC最大I/O64/64144/96768/7682048/20482048/20481024/1024 PLC編程S7-200S7-200CPU314S7-300S7-300S5135WB2中文環境YESYESYESYESYESNO龍門同步軸NONONONOYESYES同時程序輸入和執行YESYESYESYESYESYES基本/最大零件程序區0.25MB0.25MB0.25/1.5MB0.25/1.5MB2.5MB2.7MB手持單元YESYESYESYESYESYES等離子單顯YESYESYESYESYESYES等離子彩顯NOYESYESYESYESYES圖形模擬NOYESYESYESYESYES遠程診斷NONOYESYESYESYES性能經濟型經濟型中檔型中檔型高檔型高檔型主要使用機床類型車/銑車/銑車/銑/磨銑/磨/鐘鏜/銑加工中心

1.SINUMERIK802S/C系統

802S和802C系統標準配置包具備了所有的必要組成單元：NC，PLC，操作面板，機床控制面板，輸入/輸出單元及系統軟件。操作編程及其簡單，免維護，性能價格比高，是專門為低端CNC機床市場而開發的經濟型CNC控制系統。

802S和802C兩個系統具有同樣的顯示器，操作面板，數控功能，編程方法等，所不同的只是SINUMRIK802S帶有步進驅動系統，控制步進電機，可帶3個步進驅動軸及一個V+/-10V模擬伺服主軸；SINUMRIK802C帶有伺服驅動，它采用傳統的模擬伺服V+/-10V接口，最多可帶3個伺服驅動軸及一個伺服主軸。最新推出的802Se/ce，更是將CPU，輸入輸出點，控制接口等所有部件集成在面板背后，一體化的設計使得使用維護更為方便。因此802S和802C系統非常適合于普通機床。數顯機床的數控化改造以及低擋數控機床的數控配套和改造。如數控車床，數控鏜銑床，數控磨床等。

其中SINUZAIMERIK802C，在車/銑加工應用技術上具有優勢，配的是新型的西門子SIMODRIVE611U，這種系統可以連接3個坐標軸的光柵尺，形成全閉環控制，性能價格比很高。

2.SINUMERIK802D系統

西門子公司在新世紀推出了802D數控系統。該系統屬于中低檔系統，其特點是：全數字驅動，中文系統，結構簡單（通過Profibus連接系統面板，I/O模塊和伺服驅動系統）調試簡單（通過PCMCIA卡批量調試）。具有免維護性能的

SINUMERIK802D核心部件——控制面板單元CPUC）具有CNC，PLC，人機界面和通訊等功能，集成的PC硬件可使用戶非常容易地將控制系統安裝在機床上。

SINUMERIK802D可控制4個數字進給軸和一個主軸。主軸完全通過PCU控制，即有數字接口，也可通過模擬接口控制。使用Profibus總線可非常簡潔地將伺服和I/O模塊等系統各部件直接相連。模塊化的驅動裝置SIMORIVE611U可以數控設備的需要配置各種驅動和電機，強大的Windows工具可以非常輕松地設置驅動參數，位置測量可用電機端編碼器，也可以用光柵尺，SINUMERIK802D具有功能強大的PLCSIMATICST-200，其編程工具可運行在任何PC機上，其診斷功能也非常完善。梯形圖編程和經典的PLC程序舉例可非常方便地應用于機床控制。

SINUMERIK802D系統屬于低檔系統，但是基本上已經是標準的數控系統，最適合于數控車床，銑床和帶小型刀庫的數控加工中心的配套及改造。

3.SINUMERIK840D/810D/840Di

840D/810D是幾乎同向推出的，具有非常高的系統一致性，顯示/操作面板，機床操作面板。STEP7-300PLC輸入/輸出模塊，PLC編程語言數控系統操作，工件程序編程，參數設定，診斷等。

由于以上特點，該系列產品在許多企業應用，尤其在汽車，航空，機械，等行業。采用840D/810D系統，S7-3OO，Profibus，HMI等產品，對設備進行改造。由于操作的一致性，編程的一致性，備件的一致性。使得培訓和維修非常方便。

SINUMERIK 840D，它在復雜的系統平臺上，通過系統設定而適用于各種控制技術。840D與SINUMERIK611D數字驅動系統和SIMATIC ST可編程控制器一起，構成了全數字控制系統，它適用于各種復雜加工任務的控制，具有優于其他系統的動態品質和控制精度。標準控制系統的特征是具有大量的控制功能，如鉆削，車削，銑削，磨削以及特殊控制，這些功能在使用中不會有任何相互影響。由于開放的結構，這個完整的系統也適于其他技術如剪切，沖壓和激光加工等。

SINUMERIK 840D的突出之處在于其不斷擴展的特性。其自學習，自優化功能使系統的調整時間大為縮短，精調也可按用戶的要求簡單自動的進行。遠程診斷使其故障的解決更加方便快捷。

SINUMERIK 840D最大限度集成在與SIMODRIVE611控制模塊相同的50mm寬框架中。SINUMERIK 840D，SIMODRIVE611加上先進的SIMATIC ST系統為機床的自動化提供了全方位的解決方案，全數字化的系統，革新的系統結構，更高的控制品質，更高的系統分辨率以及短的采樣時間，確保了一流的工件質量。

840D采用了當今最先進的控制概念，使用于鉆削，銑削以及車削和磨削機床加工的控制。例如：具有數控系統和SIMODRIVE間數字通訊的車床可以達到磨床的精度。SINUMERIK 840D還可以實現許多特殊的NC功能，這在同類系統中是難以看到的。

SINUMERIK 810D系統是840D的CNC和驅動控制集成型，NC CPU和驅動集成在一塊板子上，驅動的功率部分又可提供3個坐標和2個坐標兩種。簡單的說，也就是SINUMERIK 810D系統沒有驅動接口，SINUMERIK 810D NC軟件選件基本包含了840D的全部功能。

例如：

a)同樣的鉆、銑、車等加工循環。

b)提前預測功能，可以在集成控制系統上實現快速控制。

c)坐標變化功能。

d)固定點停止可以用來卡緊工件或定義簡單參考點。

e)模擬量控制，模擬量信號輸出。

f)刀具管理也是另一種功能強大的管理軟件選件。

g)多項式插補功能可以提高SINUMERIK810D/810DE運行速度。

h)溫度補償功能保證數控系統在這種高技術，高速度運行狀態下保持正常溫度。

由此可見SINUMERIK 810D的功能和選件非常強大，并不低于840D，只是其應用場合有特殊性，合理的利用其內部集成的驅動系統，可以減少成本并且獲得高性能。

近兩年，在國內的數控機械床的改造之中，運用最多的就是SINUMERIK 840D/810D。

最近隨著采用Profibus-DP現場總線結構的西門子840Di系統的推出，在數控機床的改造中又多了一種頗有競爭力的選擇，全PC集成的SINUMERIK 840Di數控系統提供了一個基于PC新潮的控制概念。得益于此概念的主要用處是那些以某種方式使用了PC的場合或者使用分布式驅動和I/O的自控方案，應用領域包括木制品，玻璃，制陶，包裝，貼片機，沖壓機，彎曲機，以及各種機床和類似機床的機械。出了高度的軟硬件開放性，SINUMERIK 840Di的顯著特點是，CNC的控制功能HM1功能一起都在PC處理器上面運行。也就是說，可以省略傳統控制系統中所需的NC處理單元。這種控制系統包含大量的標準化部件：帶接口卡的工業PC機，Profibus-DP，Windows NT操作系統，OPC(用于過程控制的OLE)用接口和NC控制單元。

SINUMERIK 840Di可提供給您的還有很多，特別有利的是其在SINUMERIK 家庭中的地位。例如，SINUMERIK 840D和SINUMERIK 840Di的NC和PLC功能，操作者功能和機床數據是兼容的，相應的NC程序和PLC程序在這兩個系統上都可以運行。而且由于系統高度開放，軟件應用可同樣適用于兩個系統。

利用Prolibus-DP實現分布式配置。如今系統朝著分布式方向發展的趨勢是十分明顯的。而SINUMERIK 840Di的另一個重要特點就是帶有位置控制的Prolibus-DP。這是一種用于驅動和I/O的統一的現場總線，它允許數個系統實現分布配置。

SIMATIC PROTOOL/PRO配置工具加上附屬的“SINUMERIK ProTool/Pro選件”為您提供了特殊便利。用戶可利用起來生成自己用的用戶界面而不必掌握額外的軟件技能。全部功能集于同一模塊，實現了最佳通訊。MCI板是一塊PCI式的插板。該模塊包含了集成的SINUMERIK ST-315-2 DP PLC-CPU及用于MPI(多接口)和Profibus DP接口和I/O?？涉溄覵IMODRIVE6111通用性驅動裝置，SIMATIC DP ET200模塊則可作為I/O。

4.SINUMERIK 840C系統

SINUMERIK 840C系統一致雄踞世界數控系統之首，內裝功能強大的PLC135WB2，可以控制SIMODRIVE 611A/D模擬或數字式交流驅動系統，適合于高復雜度的數控機床。這套系統主要應用在復雜的數控鏜銑床，加工中心，龍門加工中心，五面體加工中心，高檔磨床等設備。

5.與數控系統相配套的西門子先進的交流驅動系統

SIMODRIVE交流驅動系統采用了統一的伺服控制技術進給伺服扭矩從0.33N·m到185N·m，交流主軸電機從3.7kW到100kW，適應不同的驅動系統解決方案。SIMODRIVE611A模擬量伺服，配合IFT5系列進給驅動電機和IPH7主軸電機，可控制主軸、進給軸機普通異步電機。SIMPDRIVE 611D數字式伺服，配合IFT6/IFK6系列進給驅動電機和IPH7主軸電機，可控制主軸、進給軸等。SIMODRIVE611U，可接受模擬信號或者數字信號，可以進行位置控制、速度控制及轉矩控制。

二、改造對象的全面調查

1.機床的來源及改造需求

1)進口數控機床：80年代以來我國為滿足軍工生產的需求進口了大量的數控機床，這些機床基本都是精密高檔設備。由于長期使用，這些機床已經到了電氣升級換代的時候。

2)進口二手數控機床：這類機床由于多為企業考慮生產實際需要，自籌資金進口，相對采購成本較低，進口量比較大，其中有些機床進口時就考慮了改造需求，有些則是進口后，運行一段時間就面臨著改造的需求。

3)國產數控機床的電氣改造。

4)普通機床的升級改造。

以上4大類中，1)和2)類改造需求大多是中高檔系統，3)和4)則是中低檔數控系統比較理想的改造對象。

2.改造對象的現狀調查

1)數控系統的分析

數控系統的改造首當其沖的是系統的改造。目前我國的數控機床和系統主要有大品牌：德國SIEMENS的SINUMERIK7、3、8、850/880、810（早期型號）、日本FANUC7、6、3。由于多數系統的電氣設備已經停止生產，改造是基本上不考慮保留老系統，采用的方案應當根據機床現有控制等級、產品生產需求、企業資金狀況選擇相應檔次的系統。

這些系統大部分帶有老型號的PLC邏輯控制系統，在改造的方案的制定中，需要考慮新老系統替換時候的差別，對PLC輸入、輸出點數的數量和性能做出估算。

2)老主軸伺服系統的價值分析和改造方案

改造對象的主軸系統分為兩大類：直流伺服主軸和交流伺服主軸。

改造方案如下：

a.保留驅動裝置和電機：老的主軸伺服系統采用的基本都是+/-10V的模擬信號接口，對于狀態良好價值很高的主軸可以采用保留的方案，適用的系統有：SINUMERIK802C、802D、810D、840D、840Di、840C。

b.只保留直流主軸電機：有些大型機床主軸電機功率大，價格比較高，安裝麻煩，同時電機狀態良好，這時可采用保留電機，改造驅動系統，采用西門子新的直流伺服控制裝置6RA70替代老驅動裝置，適用的系統有SINUMERIK802C、802D、810D、840D、840Di、840C。

c.不保留驅動裝置和電機，采用西門子新型IPH系列主軸電機和相應的驅動裝置代替老的電機和驅動裝置。

3)老進給伺服系統分析和改造方案

保留驅動裝置和電機：適用的系統有SINUMERIK802C、802D、810D、840D、840Di、840C。

不保留驅動裝置和電機：采用西門子新型IFK6/7、IFT6、IFE1進給軸電機和相應的驅動裝置代替老電機和驅動裝置。

4)測量系統的價值分析和改造方案

旋轉變壓器：基本不能保留，可以采用新型的旋轉編碼器代替。

感應同步器/尺：感應同步器/尺的情況略為復雜一些，能更換的盡量更換，用新型的HEIDENHAIN光柵尺和園光柵尺加以替代。但是在某些場合，如精密轉臺，會面臨園光柵尺的安裝問題。如無法安裝，SIEMENS為此提供了感應同步器/尺信號到新系統的轉換裝置，但是這個裝置的價格相對比較昂貴。

光柵尺：我們接觸到的進口機床大部分采用HEIDENHAIN光柵尺，對于這些老光柵尺，其中方波信號可使用的新系統有：SINUMERIK 802C、840C，電壓信號適用的新系統有：SINUMERIK 802C 、802D、810D、840D、840Di、840C。但是大量的老光柵尺的信號是電流信號，為此SIEMENS和HENDEIHAIN分別提供了電流信號到電壓信號的轉換裝置，而且價格也不太貴。

5)原始資料

機床的原始資料是了解機床出出廠的狀況的最基本資料，其中電氣原理圖、電器維修手冊、控制程序等都是需要仔細研究的。

6)控制需求和特殊選件

對于一臺需要改造的機床，控制要求、主軸數。坐標軸數、測量元件，機床現狀幾大要素基本可以確定改造所要選擇的系統和相應的驅動和測量系統方案。但這并不是絕對的，有些特殊類型機床或者用戶需要的一個特殊功能往往就決定了系統的選擇。

例如：

a.圖形顯示和圖形模擬。

b.雙/多草通道功能，用于雙車、車削中心和其他具有兩個加工單元的機床。

c.龍門軸功能：龍門式鏜銑床、加工中心，要求兩個龍門軸能夠完全實現同步，只有這個功能才能做到實時監控兩個坐標的跟隨誤差，實現同步。

d.配對軸功能：兩個坐標軸可以實現要求不高的同步。

e.激光加工的距離控制。

f.同步主軸功能：用于車削中心兩個主軸之間的工件交換。

g.砂輪恒線速控制。

h.砂輪的在線修整和補償。

i.斜軸磨床。

j.DNC功能。

k.前饋控制。

l.進給軸齒輪插補：用于齒輪加工機床。

m.凸輪插補。

n.鏜床鏜桿低頭補償。

o.網絡和遠程診斷功能

用戶提出的特殊功能，系統生產廠家一般都會有相應的選件滿足要求，從而也就解決了用戶需要的相應檔次的數控系統選件。

三、正確的方案是改造成功的一半

在每一個改造課題被提出之后，工程人員要對改造的設備進行充分深入的調查研究，收集設備的信息，充分利用用戶對設備熟悉的實際情況，做好每一個環節的工作，保證方案的合理和準確，改造的成功才有保障。