基于西门子840D数控系统的卧式加工中心电气系统改造

郑景欣

摘 要：文章是对CWK-800卧式加工中心的电气控制系统升级改造的介绍，主要介绍电气系统的硬件组成与软件程序设计，为相关技术人员提供一些参考。

关键词：840D；数控卧式加工中心；PLC

前言

20世纪80年代我国大量引进了当时较先进的数控机床使用至今，大部分的电气系统已经老化严重，日常使用的故障率较高，故障现象繁多，又因原厂部件均为进口且大部分已停产，一旦器件损坏将面临着备件缺失的风险，导致故障处理周期长、难度大，维修成本高，甚至出现无法修复的状况，往往对生产进度造成较大影响。

通常进口设备即使电气系统老化严重，但机械部分往往能保持良好的性能状态，为了让它们的剩余价值得到最大的利用，对电气系统的升级改造实为不错的选择，相对于购置全新的机床，其有着成本低、周期短、风险小的优势，经改造的设备不仅能保留原来的功能，还能改善和提高设备的性能，为用户创造更大的经济效益。

1 设备现状与改造需求

CWK-800是本公司在90年代初从德国引进的卧式加工中心，拥有1个主轴、3个进给轴（X轴横向进给、Y轴升降、Z轴纵向进给）和1个工作台360°旋转轴B，5轴均为西门子直流调速系统，主轴和B轴反馈元件采用编码器，进给轴为光栅尺；该机拥有60个刀位的链式刀库，刀库的旋转动力由油马达提供。由于该机床使用的840C数控系统已经严重老化，且早已停产，西门子公司已经不再提供备件和技术支持，早先准备的备件因为老化和缺失严重，并不能提供足够的支持，机床面临着较大的停台风险。经研究，公司决定对该机床的电气部分进行全面的升级改造。

2 改造方案

该机床经过检测，机械精度保持良好的性能状态，气动和液压系统均运行良好，电机外的执行机构均能正常工作，但电气控制系统老化严重，所以改造方案确定为：保留控制系统以外的部分，将老化的数控系统全面升级改造。

控制系统核心部分采用西门子高端系列的SINUMERIC 840D数控系统（由NCU、PCU、OP、MMC、MCP组成），西门子品牌的市场普及度较高，该系统的高性能和高可靠性也已得到业内普遍认可，为该机床良好的机械精度和响应速度提供有力的保障；驱动系统更换为西门子 SIMODRIVE 611D全数字控制伺服驱动系统，采用1PH7系列主轴电机，进给轴驱动电机为1FT6系列交流伺服电机，轴检测元件方面，X、Y、Z三个进给轴均选用德国海德汉HEIDENHAIN 的LB382C直线光栅尺，B轴使用RON285圆光栅，实现全闭环控制，以确保进给轴和工作台的旋转精度，主轴使用西门子伺服电机配套的编码器作为位置反馈元件，实现半闭环控制。逻辑控制部分，采用840D NCU内置SIMATIC S7-300 可编程控的314-2DP CPU，并根据机床I/O点数，选配两组机架，每组机架分别由电源模块（PS，+24V）、接口模块（IM361）、数字量输入模块（SM321）、数字量輸出模块（SM322）组成。

3 改造过程部分介绍

改造过程主要包括：硬件安装、接线、软件设计（软件组态、PLC程序设计）、NC参数设置、伺服驱动参数设置、电气运行调试等，在此主要介绍软件设计。

3.1 软件组态与PLC程序的设计

安装840D TOOLBOX工具箱和STEP7编程软件，在STEP7中插入840D的库文件GP840D.EXE，在HWconfig中对选定的系统组件进行软件组态，通过MPI通讯协议将NCU、OP、MMC、MCP和PLC机架联接起来组成完整的多点通讯网络并编译保存，下载到NCU上。

840D的可编程控制系统与S7-300PLC基本相似，S7-300PLC程序基本由块组成，包括系统定义好的各个组织块（OB，每个组织块均有特殊作用），用户自行编写的功能子程序（FC）、功能块（FB）、数据块（DB），和系统预先编写好的子程序（SFC）、功能块（SFB）。先调用OB100，编写好启动程序，完成PLC的上电启动工作，然后在OB1（主程序循环）中，通过模块化编程，根据卧式加工中心具体的工作逻辑，添加了急停连锁、防护门连锁、系统上电、主轴控制、进给轴控制、电源模块上下电和使能控制、自动换刀程序、手持单元程序、机床控制面板程序、液压系统控制程序、气动系统控制程序、工作台更换程序、机床润滑程序和冷却系统程序等等。在OB40中调用报警处理的相关程序。最后编译保存，并通过MPI适配器将程序下载至NCU中。

3.2 自动换刀程序设计

在PLC控制程序的设计中，加工中心的自动换刀程序是最复杂的PLC程序部分，该加工中心刀库有60个刀位，为链条式刀库，油马达给链条提供正反转动力，因为刀具数量较大，为提高换刀效率，油马达能分两档速度运转。链条旁安装有的多个接近开关，分别为刀库原点的判断和刀库转动的位置定位向PLC提供反馈信息，而复杂的机械手负责在工作区和刀库区进行取刀和放刀的工作，一次自动换刀需要22个步骤，把每个动作用M代码进行设定，具体换刀步骤为：M38，刀库定位销缩回，松开刀库——M31刀库高速正转，直至刀库1号刀位遇上参考点接近开关，即刀库回零，根据目标刀号与当前刀库位置的距离比较，自动判断为M31或者M32——根据送进PLC的接近开关的脉冲反馈，进行刀位计数，当相差3个刀位到达目标刀号时，M35或M36，慢速旋转，当目标刀号刀位时——M37锁紧刀库——M42刀爪1松开——M49换刀臂横向伸出至刀库取刀——M43刀爪1紧刀——M47换刀臂纵向伸出取刀，从刀库取出目标刀具——M45旋转180°——M48换刀臂纵向缩回——M50换刀臂横向缩回——M33打开刀库门——M39机械手移向主轴，刀爪2正对主轴——M44刀爪2松刀——M49换刀臂横向伸出，让刀爪2卡住主轴当前刀把——M43刀爪2紧刀——M52主轴松刀——M47换刀臂纵向伸出，取走主轴上的刀具——M46换刀臂反转180°，目标刀具指向主轴——M48换刀臂纵向缩回，目标刀具插到主轴上——M51主轴紧刀——M44刀爪2松刀——M50换刀臂横向缩回——M40机械手移向刀库区域——M34刀库门关——M31或M32，刀库旋转找到换下刀具所在的刀位，并通过机械手把刀具放回刀库，至此，完整的自动换刀流程结束。

在换刀程序中，每个动作都有相应的刀位信号，用于判断制定动作是否执行刀位，作为下一步动作的连锁条件，防止动作未到位导致意外碰撞事故的发生，另外工作区和手动换刀区域的安全门状态均加入到安全连锁中，门未关闭锁好，机床将无法加工或换刀，以保证机床周围人员的人身安全。

其它如急停连锁、机床控制面板、轴使能等等PLC程序跟一般卧式加工中心相似，在此不一一介绍。

4 结束语

通过对电气控制系统的全面升级改造，CWK-800卧式加工中心恢复了原有的全部功能，机床运行情况良好。先进的840D系统让机床性能得到进一步的提升，工件加工的效率和质量也都更进一步，机器操作更方便，运行更稳定可靠，而且故障率明显减小，大大提高了生产效率，为公司创造了较大的经济效益。

参考文献

[1]SIEMENS SINUMERIC 810D/840D 简明调试指南[Z].2006.

[2]帅旗.基于西门子840D系统的数控机床PLC应用[J].机械制造.

[3]杨超.840D五轴联动加工中心的改造[J].工艺与装备，2010，12.

[4]王鸿博，李海东，王宝平.MCM G180LG加工中心数控改造[J].机械工程与自动化，2009（3）：192-194.