西门子840D数控系统在立式磨床改造中的应用
2010-07-25王君辉
尹 敏，王君辉
（西北轴承股份有限公司，银川 750021）
我公司大型立式磨床ROPC 200为20世纪80年代设备，原电气系统为SINUMERIK 3G系统，近几年由于电气元件老化，加工产品磨削振纹严重，加工精度降低，设备故障率增高，已影响到正常的使用。为稳定产品质量，提高工作效率，用西门子840D数控系统对该机床的电气系统进行了改造。
1 机床结构及控制要求
1.1 机床结构
此设备用于轴承套圈回转面的磨加工，机械结构如图1所示。待加工套圈置于可旋转的圆盘中间，圆盘利用电磁力将工件固定，圆盘由M7电动机驱动旋转。在水平导轨上有两个砂轮架，伺服电动机M3，M4通过丝杠对砂轮架进行水平方向的精确定位及进给；砂轮在垂直方向的精确定位及进给由伺服电动机M1，M2通过丝杠来完成；砂轮的旋转由电动机M5，M6驱动。光栅尺的作用是提供精确的位置反馈信息，在电气控制上构成闭环控制。M8为圆弧修整器伺服电动机。
图1 机床结构简图
1.2 控制要求
根据磨床的加工需要，控制系统要有较强的功能，能满足机床磨削加工精度的要求（位置控制精度达到0.001 mm），能实现双砂轮单独或同时磨削的控制，自动、手动磨削加工及砂轮手动、自动修整和自动补偿等功能。
2 控制系统配置
控制系统配置如图2所示。
图2 控制系统配置
2.1 硬件配置
2.1.1 NC硬件配置
控制模块选用NCU571.2，其集成了CNC数控系统的CPU和SIMATICS7-300 PLC的CPU芯片314-2DP、相应的数控软件和PLC控制软件，以及MPI接口、Profibus接口、RS232接口、手轮及测量接口、PCMCIA卡插槽等。
驱动系统采用SIMODRIVE 611D，包括电源模块和功率模块两部分。电源模块主要为NC和驱动装置提供控制和动力电源，产生母线电压，同时检测电源和模块的状态。电源模块根据容量不同可分为带馈入装置（记为I／RF电源模块）和不带馈入装置（记为U／E电源模块）两种。本系统选用的是功率为21 kW的不带馈入装置。功率模块分为双轴模块和单轴模块两种。本次改造使用了两个双轴模块和一个单轴模块，双轴模块用于两个砂轮架的驱动，单轴模块用于圆弧修整器的驱动。
2.1.2 人机交互界面（MMC）的配置
PCU 20，SPC 266MHz，32MB，6FC5210-0DF00-0AA2；OP 010，10.4′TFT（640×480），6FC5203-0AF00-0AA1；MCP 483c，6FC5203-0AF22-0AA2。
2.1.3 电动机配置
主轴电动机（工件旋转驱动电动机，SP轴）：使用原系统的直流调速电动机，配合ZKS-Ⅱ型可控硅直流调速器。转速由PLC模拟量输出模块提供的1～10 V模拟量信号控制。
砂轮架水平方向驱动电动机（左砂轮架X轴，右砂轮架U轴）为：1FT6086-8SF71-1EG1，参数为：9.7 kW／35（N·m）／3 000（r·min-1），内置相对值编码器。
砂轮架垂直方向驱动电动机（左砂轮Z轴，右砂轮W轴）为：1FT6086-8SF71-1EH1，参数为：9.7 kW／35（N·m）／3 000（r·min-1），内置相对值编码器以及1∶4的减速箱。
圆弧修整器伺服电动机（B轴）为：1FT6044-1AF71-3EH1-Z-J35，参数为：1.4 kW／5（N·m）／3 000（r·min-1），内置绝对值编码器。
砂轮电动机使用原系统的交流异步电动机，由VACON变频器驱动控制。
2.1.4 PLC硬件配置
PLC使用西门子SIMATIC S7-300软件及模块。电源模块选用PS 307（10 A）。接口模块IM 361用于和数控单元之间的通信，通过PROFIBUS现场总线与NCU连接。IM 361右侧为信号模块，由3个数字信号输入模块SM 321、两个数字输出模块SM 322和1个模拟量输出模块SM 332组成。数字量I／O模块用于外围电气设备的控制。模拟量输出模块用于主轴电动机的调速。PLC的CPU与NC的CPU一起集成在NCU中。
2.1.5 位置反馈测量系统
该立式磨床主要完成套圈内圆和外圆的精磨加工，对水平方向和垂直方向的定位精度都要求极高，因此，在X，Z，U，W四根进给轴均配备独立的HEIDENHAIN线性光栅尺进行位置反馈测量，实现全闭环控制。
2.2 系统的软件配置
SINUMERIK 840D数控系统主要包括4大类软件：MMC软件系统、NC软件系统、PLC软件系统和通信及驱动接口软件。
2.2.1 MMC软件
在MMC103系统内装有基本输入、输出系统（BIOS），DR-DOS内核操作系统，Windows95操作系统，以及串口、并口、鼠标和键盘接口等驱动程序，支撑SINUMERIK与外界MMC-CPU，PLCCPU和NC-CPU之间的相互通信及任务协调。
2.2.2 NC软件
NC软件包括：（1）NCK数控核初始引导软件，该软件固化在EPROM中；（2）NCK数控核数字控制软件系统，它包括机器数据和标准的循环子系统，用户必须理解每个循环程的参数含义才能进行调用；（3）SINUMERIK 611D驱动数据，它是指数控系统所配套使用的SIMODRIVE 611D数字式驱动系统的相关参数。
2.2.3 PLC软件
PLC软件系统包括PLC系统支持软件和PLC程序。PLC系统支持软件支持SINUMERIK 840D数控系统内装的CPU-317-2DP正常工作，该程序固化在NCU内。PLC程序包含基本PLC程序和用户PLC程序两部分。
2.2.4 通信及接口软件
通信及接口软件主要用于协调PLC-CPU，NC-CPU和MMC-CPU三者之间的通信。
3 机床程序结构及参数的设定
3.1 PLC程序
PLC程序设计采用模块化编程，将机床启动条件、PLC使能信号处理、操作面板控制、系统基本控制、辅助功能、报警信息等系统及机床功能编制成不同的模块。程序结构要合理，层次清晰，方便阅读、查找以及程序调试和故障诊断。PLC程序结构如图3所示。
3.2 NC程序
图3 PLC程序结构
编制NC程序时考虑到轴承套圈的磨削方式、磨削尺寸、砂轮修整方式等加工参数指标需要经常调整，对以上数据采用R参数的形式，以便于修改。主程序采用程序调用的方法，当改换加工产品时，只需修改R参数，无需再调试程序，非常方便。同时，因为主程序中运用了跳转指令，在没有修改加工参数时，避免了每次都要进行很多复杂的数学运算而影响系统运行速度。在数控车削手工编程中采用R参数编程方法，也为解决相似零件数控程序的通用性及特殊零件的数控编程问题提供借鉴。
3.3 机床相关参数的设定
3.3.1 主要参数类型
840D数控系统参数分为两大类：机床数据和设定数据。机床数据是用于生产、安装、调试用的数据，主要用于设定、匹配机床的主要数据。其分为以下几种类型：通用机床数据、通道机床数据、用于驱动器的机床数据、用于操作面板的机床数据、轴专用机床数据。设定数据主要是机床在使用过程中需要设定的数据，是一些常用的用于调整机床使用性能的数据。其分为通用设定数据、通道专用设定数据和轴专用设定数据3种类型。
数据的标识如下：
$MM_为用于操作面板的机床数据（Machine Manipulate）；
$MN_／$SN_为通用机床数据／通用设定数据；
$MC_／$SC_为通道用机床数据／通道用设定数据（Machine Channel／Setting Channel）；
$MA_／$SA_为轴专用机床数据／轴专用设定数据（Machine Axes／Setting Axes）；
$MD为驱动器机床数据（Machine Drive）。
3.3.2 机床数据的生效模式
机床的各个参数由于对系统影响程度的不同，具有不同的生效级别：
po——重新上电模式（POWER ON），按NCU模块面板上的“RESET”键生效；
cf——新配置（NEW_CONF），点击MMC软件上的“Activate MD”键生效；
re——复位模式（RESET），按控制单元上的“RESET”键生效；
so——立即模式（Immediately），数值输入后立即生效。
3.3.3 调试中的数据设定
在机床的调试过程中，主要用到以下参数：
MD 30130——设定驱动器输出类型。“1”表示伺服电动机；“2”表示步进电动机；“3”表示FM模块。
MD 30200——编码器数量。
MD 30240——编码器类型。“0”表示模拟量编码器；“1”表示相对值编码器；“4”为绝对值编码器。
MD 31000——直接测量系统（光栅尺）。设置位控环测量系统的类型，如果使用线性光栅尺作为测量系统，则将该轴参数设置为1。否则设置为0。
MD 31010——直接测量系统（光栅尺）的栅距（分割点）。
MD 31030——丝杠螺距。
MD 32000——最大轴速率。
MD 32010——在JOG方式下的快速移动速度。
MD 34020——回参考点速度。
MD 34090——参考点偏移／绝对位移编码偏移。
MD 34200——参考点模式。“0”表示不回参考点，用绝对值编码器时设定；“1”表示零脉冲，相对值编码器时设定。
MD 34210——绝对值编码器状态。“0”表示编码器没调整；“1”表示使能编码器调整；“2”表示编码器已调整。MD 36200——速度监控的阈值。MD 36210——最大速度设定值。
4 结束语
立式磨床ROPC 200的控制系统改造完成后，机床操作更加简单，故障率降低，所加工的产品各项指标均优于原来的指标，得到了公司的认可。另外，机床改造后新增圆弧修整器，不但可以完成套圈内圆、外圆挡边等直线型面的磨削，还可以完成球型轴承套圈内沟道、外沟道等曲线型面的磨削。
