西门子系统在数控镗铣床改造中的应用

BFT130卧式镗铣床是八十年代末从东德购入的一台普通数控机床。有四个进给轴和一个主轴，另加一个机械切换旋转轴，四个进给轴由两套可控硅驱动装置切换驱动，单独一套主轴驱动系统，采用继电器控制，由一个具有定位功能的数控装置及PLC组成控制系统，由于原系统电气控制元件老化，整体可靠性差，故障频繁，已经无法正常使用，为解决上述问题，针对BFT130卧式镗铣床的结构特点，对其进行数控化改造。该机床机械传动采用了定比齿轮箱和滚珠丝杠，机械精度好，传动精度较高，能够满足数控改造的基本要求。

机床改造可行性分析、选型设计

根据该机床的结构、性能、运行状态、现有加工精度、特殊功能等要求，结合电缆长度、电机扭矩及额定转速、主轴功率、系统安装空间等细节提出性能价格比较优的选型与配置方案。该项目采用西门子SINUMERIK 840Di数控系统和S7-300可编程控制器，伺服驱动系统采用三套611A交流驱动及1FT5交流伺服电机，并与位置检测元件一起构成全闭环控制系统。主轴采用英国欧陆590全数字直流调速系统。工作台B轴增加圆光栅编码器改为数控轴。取代原有电器控制元件，重新配制电气控制柜。改造后BFT130卧式镗铣床有一个主轴和五个进给轴，编制了新的PLC逻辑控制程序，实现机床三轴联动，进行三维的立体加工。SINUMERIK 840Di数控系统具有3D插补、螺旋线插补、样条插补、钻削和铣削循环加工、图形与极坐标编程、图形仿真、螺纹转速进给功能，还有刀具半径和长度补偿，丝杠螺距和齿轮间隙补偿等功能。

关于西门子840Di数控系统的简介

SINUMERIK 840Di数控系统是西门子公司于2001年研制的适用于各种控制领域满足不同要求的数控系统，它除了具有高度的软硬件开放性，还有以下显著特点：CNC控制功能与HMI功能一起都在PCU50处理器上运行，840Di带有大量标准化工业PC机接口，配有可用于伺服驱动和I/O的PROFIBUS-DP现场总线，WINDOWS NT操作系统，OPC（用于过程控制的OLE）应用接口和CNC控制软件，具有中英文转换界面，有丰富的自诊断功能，同时由于840Di具有高级语言编程特色的用户友好编程界面，用户可以使用Visual Basic 和Visual C++等开发工具自行开发菜单和基本操作界面，添加功能键，设定具有用户特色的输入方式，满足特定工艺的加工要求。840Di适用于多种机床的数控系统技术改造，具有广泛的应用前景。

SINUMERIK 840Di数控系统有三种基本工作方式：AUTO（自动）、JOG（手动）和MDA（手动数据输入/自动加工）方式。此外还有四种机床功能：增量点动功能（步进）、重定位功能（断点返回）、返回参考点功能和设定实际值功能，配有手持单元方便手动与对刀。此外SINUMERIK 840Di数控系统的PCU50还带有一个10G硬盘，可以把SINUMERIK 840Di数控系统的数据（包括NC数据、PLC数据和补偿数据等）备份到硬盘上，也可以通过RS232端口或软驱备份到外部PC，极大的方便了机床的操作与维护。

 BFT130卧式镗铣床PLC控制程序的开发与编制

本机床采用西门子S7-300PLC逻辑控制器原来的机床逻辑控制用西门子S7-300可编程逻辑控制器取代。西门子S7-300PLC有一条MPI现场总线与MCP机床操作面板连接，MCP通过MPI总线与主机进行信息交换。有一条PROFIBUS现场总线与PCU连接，通过PROFIBUS总线PLC扩展单元ET200和ADI4与主机PCU50进行信息交换，通过PROFIBUS+DP实现I/O与驱动参数的调整和优化。首先在PCU50中对S7-300的ET200和ADI4的硬件配置进行软件组态的设置，ADI4可给出10V的模拟指令电压，可接收编码器或光栅尺经过整型放大后的TTL信号。然后进行PLC的编程，对PLC的编程可分以下几个步骤进行：1）分析机床的电气控制原理和结构特点；2）理解原机床液压控制功能；3）建立新的PLC程序框图；4）编制新的软件和硬件接口控制程序；5）编制新的功能块程序。

零件程序的编制

BFT130卧式镗铣床数控系统的零件加工程序是国际标准化的ISO代码编制的，它可以利用自动编程工具软件的图形编程功能，形成ISO代码的零件加工程序或用手工编程。除了840Di数控系统编程手册所描述的功能代码外，还针对该机床的结构特点，通过PLC编程控制机床，使其具有如下辅助的M代码功能：

M00-程序无条件停止；M01-程序有条件停止；M02-程序执行结束；M03-主轴正转；M04-主轴反转M05-主轴停止；M08-冷却液开；M09-冷却液关；M10-轴X、Y、W夹紧；M11-轴X、Y、W放松；M19-主轴定位停；M20-上滑板X轴夹紧；M22-镗箱Y轴夹紧；M24-下滑板Z轴夹紧；M26-镗杆W轴夹紧；M28-转台B轴夹紧：M21-上滑板X轴放松；M23-镗箱Y轴放松；M25-下滑板Z轴放松；M27-镗杆W轴放松；M29-转台B轴放松；M30-主程序结束返回；M31-清除所有放松的轴；M40-主轴自动换挡；M41-选择主轴第一挡；M42-选择主轴第二档；M43-选择主轴第三挡；M44-选择主轴第四挡。

 BFT30臣式镗铣床伺服系统

该机床进给轴采用的伺服系统是611A。交流驱动系统。数控机床的性能很大程度上取决于伺服驱动系统以及位置控制系统的性能，如机床的最高运行速度、跟踪精度、定位精度、重复定位精度等重要指标均取决于伺服驱动系统以及位置控制系统的动态和静态特性。伺服驱动系统是由电机和速度控制单元组成，它可以任意调节速度并提供切削过程所需要的转矩和功率。位置闭环控制系统需要位置反馈检测元件，它是基于反馈控制原理工作的，把反馈信号与输入的指令进行比较，以形成误差值，并用此误差值来控制伺服机构运转。位置控制是精确的控制机床运动部件的坐标位置，快速而准确的跟踪指令运动。611A交流驱动系统具有宽的调速范围、高的稳速精度和足够的传动刚度、快的动态响应和无超调、低速大转矩、以及在四象限内可逆运行运动等良好的技术特性。

根据动态转矩方程：M-Mf=J·dw/dt，式中M-电机的轴输出转矩，Mf-摩擦转矩，J-折算到电机轴上总的转动惯量，在这种情况下，轴定位驱动系统能否提供足够大的动态转矩Jdw/dt，将成为影响定位精度的最主要原因。为此，我们选用了29Nm交流伺服电机比原直流电机的转矩大。改造后转矩M2>M1, J2<J1,, Mf2=Mf1。可见改造后可以提高系统的动态加速度dw/dt，提高定位精度。在西门子交流伺服系统上采用大功率晶体管作主回路驱动元件比原直流伺服系统可控硅的动态响应时间要快，这些对于轴定位精度都是大有益处的。

该机床的X、Z、B轴采用同一台伺服电机，机械通过电磁离合器进行切换，各轴均有机械液压夹紧机构，Y轴电机带有电磁抱闸，W轴电机有内置编码器。

数控电气系统的安装

首先拆除原电气控制系统，安装新的电气控制柜及数控系统，将机床上电气元件的信号线连接到控制柜接线端子，通过加工的法兰和齿轮安装电机，连接海德汉光栅尺接口信号。

工作台增加圆光栅编码器，把B轴改造成可任意位置分度数控轴。

SINUMERIK 840Di数控系统的启动和调试

NC启动

首先安装PCU50的HMI系统软件，配置PROFIBUS-DP现场总线参数，启动数控系统，进入机床的参数设定界面，进入“GENERAL”窗口，设置“定义各轴名称”的参数（各轴的名称不可重复）；然后进入“CHANNEL SPECIFIC”窗口，这里的参数有四类，分别为：1）把几何轴分配到通道，2）几何轴的名称，3）设定哪个机床轴通道有效，4）编程时所用的轴；然后进入“DRIVE CONFIG”窗口，在这里匹配驱动，最后进入“MACHINE DATA”，设置各个轴（包括主轴）的具体参数：转速极限、最高速度、位置增益、定位误差、报警极限等等。

调试

按照BFT130卧式镗铣床的数控与电气设计图纸，完成硬件连接，并将安装有SIMATIC S7-300 的编程软件的计算机通过PROFIBUS-DP现场总线和SINUMERIK840Di数控系统连接，系统可以通电调试。首先将各种机床数据、PLC机床控制程序，报警文本等信息传送到SINUMERIK 840Di数控系统，操作机床的各种基本功能，如机床控制面板的操作、急停控制、进给伺服和主轴上电顺序和使能控制、行程限位保护控制、手持单元操作控制、报警处理、回参考点控制等；另外还有外围设备的控制功能，如液压、润滑、冷却、进给轴机械夹紧放松、刀具夹紧放松、主轴换挡等。

设置各个轴的具体参数时，按照不同的功能和调试的实际情况，可对数控系统的几千个参数进行修改调整。在位置控制中匹配参数使检测的脉冲当量为1微米，设置前馈控制功能等，差补周期选为2ms，设定加速时间常数为1s；在不振荡的条件下，尽量增大位置环和速度环的比例增益系数，增加伺服系统的刚度，减小跟随误差以提高定位精度。设定各轴零点漂移自动补偿功能和参数，设定粗精停范围参数，设定跟随误差报警范围等参数，使机床稳定可靠的运行。

改造后的实用价值和经济价值

BFT130卧式镗铣床经过改造后通过一段时间的运行证明，SINUMERIK 840Di数控系统在BFT130卧式镗铣床的数控改造中的应用是成功的，尤其是将普通转台改造成只有数控分度功能的数控转台，改造后BFT130卧式镗铣床有一个主轴和五个进给轴，技术是先进的，达到了预期的目标。该卧式镗铣床的改造成功，已经为工厂创造了很大的经济效益。

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