摘 要：C5225 立式車床在保留右刀架（jià）機械結構和手動操作功能不變的基（jī）礎上，用 SINUMERIK 828D 數控係統和 S120 驅動係統完成對左刀架進給軸的半閉環控製，使其能夠聯動，完成複雜零件（jiàn）的加工。
 
       關鍵詞：C5225；SINUMERIK 828D；S120 驅（qū）動係統；數控改（gǎi）造
 
       1、 C5225 立式車（chē）床概況
 
       C5225 立式車床自（zì） 1973 年出廠至今，已使用近 40 多年。隨著市場和產品的變化，C5225 立車的功能已不能（néng）滿足公司要求。主要表現：機床精度較差，機床使用期間從未（wèi）進行過大修（xiū），隻能（néng）完成產品的粗加工工序；機床的（de）加工（gōng）範圍小，刀架係統的進給軸隻能互相切換，不能聯動，無法完成具有複雜曲（qǔ）麵零件的加工；機床故障（zhàng）率高，機床一直處於超負（fù）荷運轉狀態，電控係（xì）統故障頻繁，維修困難，造成機床長時間（jiān）停機維修，嚴重影響生產效率；機床的適應性差，對（duì）不同零件（jiàn）的加工，需要先設計工裝刀具（jù）設備，增加了生產成本。
 
       2、 C5225 立式車床改造要求（qiú）
 
       為滿足公司的生產（chǎn）需（xū）求，加工具有複雜（zá）曲麵的產品，改後造的 C5225 立車必須達到 6 項要求。
 
      （1）更換電氣控製係（xì）統，全麵提高機床性能和（hé）穩定（dìng）性。
      （2）實現刀架兩個進（jìn）給軸的聯動，使其具備直線插補和圓弧（hú）插補的功（gōng）能，滿足公司的加工需（xū）求。
      （3）利用數（shù）控係統的模擬主軸功能，在 NC 係統中通過編程控製機床主軸。
      （4）保留一個刀架（jià）用於常規加工或者備（bèi）用（yòng）。
      （5）降低設備故障率，便（biàn）於維護管理。
      （6）增（zēng）加 Mini 手（shǒu）持單元，使得對刀（dāo）操作（zuò）更加方便。
 
      3 、C5225 立式車床數控化（huà）改造方案
 
      根據 C5225 立式車床的情況和改造要求，提出改造方案。保留右刀架的機械結構和手動操作（zuò）功（gōng）能不變，用 SINUMERIK828D 數控係統對左刀架的兩個（gè）進給軸進行半閉環控製，使其可以（yǐ）進行聯動（dòng），並且增加變（biàn）頻器實現主軸安全可靠的（de）控製。
 
      3.1 左刀架控製部分
  
      將 C5225 立式車床左刀架的走刀箱拆除，各軸采用電機通過行星減速（sù）器與絲杠直連的方式（shì）進行設（shè）計，並更換新的滾珠（zhū）絲杠。數控係統采用 SINUMERIK 828D，左刀（dāo）架 Z 軸和 X 軸進給伺服驅動係統采用 SINAMICS S120 驅動係統和（hé） 1FK7 係列交流伺服電機。數控係統和驅動（dòng）係統（tǒng）的產品見表 1。數控係統 SINUMERIK 828D 不僅需要和 MCP 模（mó）塊、PP72/48D PN 模塊通信，還需要和 S120 驅動係統連接（jiē）起來，連接方式見圖 1。通信線從 828D 的 Profinet 接口 PN1 連到 MCP483 的 X20 接口（kǒu），又從 MCP483 的 X21 接（jiē）口連到 PP72/48 D PN 模（mó）塊的Port 接口，這樣 828D PPU 就（jiù）可以和 MCP、PP 模塊進行通信。
  
                        表1 數控係統的組成部件
      

              圖 1  SINUMERIK 828D 的拓撲結構圖（tú）
 
     10 kW 的電源模塊 SLM 是沒有 DRIVE_CLIQ 接口的，所以828D 與 S120 的連接是從（cóng） PPU 的 X100 接口直接到 DMM 的 X200 接口（kǒu），Z 軸和 X 軸電機內置的編碼器連接到 DMM 的 X202、X203 接口（圖 1）。
 
 
     3.2 主軸控製部（bù）分
 
     C5225 立式車床的原（yuán）主電機為三相交流電機，啟（qǐ）動方式為星/ 三角啟動，製（zhì）動方（fāng）式（shì）為能耗製動。工作台共有 16 擋，通過機械齒輪傳動進行變擋，而且主軸的（de）操作（zuò）集成在懸掛麵板上。為了使主軸的控製更加方便快捷、安全可靠，增加變（biàn）頻器控製主軸，並（bìng）且將機械（xiè）擋位變為（wéi） 4 擋，通過變頻器實現主軸在擋（dǎng）位上的無極調速。主軸的操作既（jì）可以在懸掛麵板（bǎn）上，也可以在 MCP 麵板上。
 
     SINUMERIK 828D 數控係統還提供了模擬主軸的功能，即不僅可以手動控製（zhì）主軸，還可以在 NC 係統中通過編程（chéng）指令控製主軸。在手動模式下，可以通過懸掛麵板和 MCP 麵板來控製主軸的正轉、反轉、加速、減速、正點、反點和停止（zhǐ）。主軸變擋按鈕是在 MCP 麵板上。在編程模式下，可以通過變擋指令和運動指令來實現主軸（zhóu）的變擋控製和（hé）運動控製。828D 還提供了主軸擋位顯示功能，無論是（shì）手動變擋還是編程變擋，都可以在 HMI 上顯示（shì）目（mù）前主軸所在的（de）擋位。
 
     C5225 立式車床主軸的變頻器連（lián）接見圖 2。L1 為輸入交流電抗器。可以防止電網高壓輸入而損壞整流部分元器件。S1-S8是開關量輸（shū）入端子，通過功能碼設置 S1-S8 的功能來控製主軸的運動。AI1 與 GND 為模擬量輸（shū）入接口，與 828D PPU 的 X252.1 和 X252.2 腳連接起來，可以實現模（mó）擬主軸（zhóu）功能（néng）。RO1 和（hé） RO2為繼電（diàn）器輸出點，連接兩（liǎng）個中間繼電器，通過功能碼設置中間繼電器指示為變頻器準備好（hǎo）與變頻器過載報警。
  
    
  
          圖（tú）2 C5225 立式車床主軸變頻器的連接示意
 
     4 、C5225 立式車床的調試
 
     機床通電調試（shì）之前，要檢查 DC 24 V 回路有無短路，驅動器（qì）進線電源模塊與電機模塊（kuài）的直流母線連接是否可靠，DRIVECLiQ 電纜和 PROFINET 電纜連接是否（fǒu）正確（què） 。一切正常之後，機 床方可通電。
 
     4.1 驅動係統的調試
 
     828D 數控係統上電之後，首先（xiān）要進行係統的初（chū）始設定。在（zài）確保（bǎo） PLC 控製程（chéng）序所有的安全功能全部準確無誤後，開始調試驅動。驅動的調試包括配置驅動和分配軸：在 HMI 上通過MENU→調試→驅動係統→驅動設備（bèi）進入驅動配置界麵，按“確認”鍵開始配置驅動；必須用 Startup-tool 軟件來進行軸分配（pèi），打開 Startup-tool 軟件，點擊“Drive system”→“Drives”，按照提示就可以完成軸的分配。分（fèn）配軸的過程中一定要注意各個軸的配置選（xuǎn）擇（zé），正確選（xuǎn）擇各個軸的電機是否帶抱閘。
 
      4.2 係統的軸控製使能鏈
 
     係統的軸控製使能鏈就是指係統（tǒng）各部分上電順序的先後。SINUMERIK 828D 和 S120 驅動係統上電的第一（yī）步是給電源模塊（kuài）加 EP 使能，即電源模（mó）塊（kuài） SLM 上的 X21.3 給入 24 V。間隔100 ms 後，可以加（jiā） OFF1 使能（néng），即 PPU 的 X122.1 給入 24 V。OFF1 使能加上後，可以加 OFF3 使能，即 PPU 的 X122.2 給入24 V；加 OFF3 的同時可（kě）以給（gěi）各軸加脈衝使能和控製使能，即PLC 接口地址 DB380x.DBX4001.7 和 DB380x.DBx2.1=1。按下急停開關時，首先應該斷掉 OFF3，待所有（yǒu）軸出現靜止（zhǐ）信號（PLC：DB390x.DBX1.4）時，可以同（tóng）時斷開 OFF1、脈衝使能和控製使（shǐ）能，OFF1 斷開後延時 100ms 斷開 EP 使能。可以通過828D PPU 上的按鍵“MENU”→“診斷”→“〉”→“軸（zhóu）診斷”來查看係統各部分的（de）使能（néng）是否已加上。
 
      4.3 機床參數的設（shè）置
   
      驅（qū）動配置之後，還有一些與機械相關（guān）的機床數據需要自行設定。隻有設定這些參數之後，才（cái）可以在 NC 係統（tǒng）中控製左刀架的進給軸和主軸。需自（zì）行（háng）設定的參數見表 2。

                    表（biǎo） 2 自行設定的機床參數

     
    
      4.4 PLC 程序的調試
 
      C5225 立式車床的輸入輸出模塊是采用西門子的 PP72/48D PN 模塊，該模塊提供 72 個輸入點和 48 個輸出點。C5225立式車床左刀架的運動是由數控係統控製的，無（wú）需 PLC編程控製。而 MCP 麵板、急停、手持單元的程序（xù）都是從 828D 子程序庫中調（diào）用。油泵電機、橫梁電機（jī）、右刀架快速電機、進給電機、主電機的控製程序（xù）以及報警文（wén）本程序需自己編製。
 
      5 、改造效果
 
     C5225 立式車床改造之後，電（diàn）氣控製係統運轉正常，左刀架（jià）的 Z 軸和 X 軸可以聯動（dòng），可以加工球麵瓦等類似的（de）工（gōng）件，而且電控係統穩定，無故障發生，可以實現 9 項功（gōng）能，達到了數控化改（gǎi）造的預期目標。
 
    （1）左刀架的進給軸 X 軸和 Z 軸可以實現聯動，具備直線插補（bǔ）和圓弧插補（bǔ）的功能，可（kě）以加工（gōng）具有複雜曲麵（miàn）的零件。
    （2）可以用 Mini 手持單元控製（zhì）左刀架的進給軸，使得操作者手動操作更加靈活，對刀變得更加容（róng）易。
    （3）保留了（le）右刀架的功能，可以作為常規加工使用或（huò）備用。
    （4）增加變頻（pín）器（qì）控製主軸，使得主軸的控製更加（jiā）安全可靠，而且可以實現主軸在擋位上的無極調速。
    （5）主軸的操作更加方便，既可以在懸掛麵板操作，也（yě）可以在 MCP 麵板上操作。
    （6）可以在 HMI 上看到主軸的擋位顯示。
    （7）增加了模擬主軸的功能，可以通（tōng）過編程指（zhǐ）令實現主軸的自動換擋和運動控製。
    （8）在 HMI 上創建了報警文本，可以方便快速的發現機床（chuáng）故障，縮短了故障排除時間。
    （9）在機床左刀架安裝精密行程開關，使機床運行更加安全可靠。

     來源：1.洛陽中重設備工程工具有限責任公司  2.中（zhōng）信重工（gōng）機械股份有限公（gōng）司