基于CAT—180数控热旋压机床的改造

沈立秋　沈湘宁

摘 要：文章以CAT-180热旋压数控机床为研究目的，采用西门子840D数控系统，同时，对机床的外围部件进行改造。机床通过改造后，不仅可以提高稳定性，而且还能降低设备的故障率，这样提高了企业的生产效益。

关键词：CAT-180数控热旋压机床；西门子840D数控系统；改造

1 概述

该机床是19世纪末期从西班牙DENN公司引进的数控热旋压机床，主要用于金属筒形部件（Φ140mm-Φ180mm）的热旋压，由于该机床使用时间过长，部分配件老化，使其加工精确度降低，而且存在设备部件复杂、维修成本高等问题。因此为了保证生产，降低维修成本，我们通过对进出料系统、温度补偿等装置，以及部分电气系统和机械系统的改造，机床的进出料系统采用气动式装置，机床的驱动轴采用SIMODRIVE 611D伺服驱动，从而使设备恢复原貌。

2 机床结构的构成

机床主要包括主轴驱动、液压系统、进给轴驱动、上下料装置、润滑装置、刀具管理等，由直流电机作为主轴（SP轴），其作为旋转轴，可分为高速和低速旋转，并带电动换挡结构，主轴电机采用原来机床的直流电机，由ABB公司生产的M3AA 250 SMA-4型电机；横向轴为X轴、纵向轴为Z轴（对着主轴），其中Y轴为虚拟轴，需要适配第三几何轴。X轴和Z轴的位移检测元件采用的是绝对值编码器，通过液压驱动控制X轴和Z轴的位移量。这样通过三轴联动，可以对金属圆筒部件进行热旋压。

3 西门子840D数控系统简介

西门子840D、SIMODRIVE611D数字驱动和S7-300PLC，用MTS位移传感器作为位置和速度检测元件，通过伺服阀控制油缸活塞的位移量，经各信号的相互传递，构成全数字闭环控制系统。该系统适于机床各式各样复杂部件的加工任务，并有其精度高的特点。它由NCU（数控单元）、MMC、PLC等部件构成该数控系统，并用总线相连各部件来完成信号的传输任务。

3.1 NCU控制模块

NCU单元是西门子840D数控系统中的中央控制单元，它为系统的核心，负责处理CNC的一切功能及机床的控制，它与611D伺服驱动的总线连接，用来接收数控指令并向系统提供信号反馈；NC和S7-300PLC内的CPU都一起集成在NCU模块中，与MMC、主轴驱动、伺服驱动等连接。

3.2 人机界面

它是MMC和OP建立的西门子840D与操作者互相交互的界面，是执行NC数据的输入以及数据的显示，其中OP单元，带有10.4寸的TFT显示屏、NC键盘；MMC是一台小型计算机，并带独立的CPU、硬盘和软驱，其中PCU是为操作面板匹配而设计的MMC模块，该机床为PCU50，并配有高级HMI，同时带有WINDOWS NT4.0，用于人机可视化交互，如编程、诊断等功能；其中MCP是数控操作台上有用户自定义功能按键的操作面板，通过MP总线连接各模块，主要控制机床的相关动作、主轴以及进给轴。

3.3 PLC控制模块

PLC模块是NCU的子模块，由电源模块（PS）和接口模块（IM）以及信号模块（SM）等组成，用于机床的控制与监控。其中电源模块（PS）是PLC和NC的供应电源；接口模块（IM）是用在不同等级的互连；信号模块（SM）有DI型（SM321）、DI/DO型（SM323）、DO型（SM322）等。其中西门子公司提供的840dtoolbox包含有机床的部分程序，安装下载后可实现主轴的旋转以及X轴和Z轴的控制，还可以增加用户自定义的程序来实现液压、气动、润滑、冷却等辅助控制，这些功能需要在SIMATIC Manager軟件上编程才能实现。

4 机床设计

4.1 进给驱动控制原理

该机床系统是全闭环控制系统，采用MTS磁制伸缩式位移传感器，为其提供位置反馈和速度反馈，其输出为绝对数值SSI数字输出，有着控制精度高，信号不漂移及变值的特点；在伺服油缸中装有浮动永磁磁环，当磁环移动时上下感测到的位移即为活塞的位移。当CNC发出指令时，信号通过NCU各总线传递给伺服驱动系统，当位移传感器检测的位置不在指令发出的位置时，它通过位置控制电路输出±10V的电压信号，传送到伺服编码器使能端（D和E端），控制液压缸活塞的位移量，同时，位移传感器输出0-10V的速度信号，反馈给机床，位移传感器发出的位置和速度反馈信号传输到系统后，对伺服阀作出相应的位置和速度调整，从而对进给轴的位移和速度实现精确控制，并在人机界面中显示出来；当位置传感器检测到CNC给出的指令一致时，位置控制电路系统停止发出±10V电压信号，从而进给轴停止。如图1。

4.2 主轴控制原理

主轴采用是原来的主轴驱动直流电机。CNC中发出的速度S指令，由指定的速度值决定，其速度还可以通过主轴倍率开关进行转换。当信号经过PLC时，对S码进行译码出来，再经模拟输出转换为十六位数的整数，然后送给数模转换模块，转换为需要的数字信号，并输出±10V的电压信号传递给主轴驱动系统，控制其转速，如图2所示。

4.3 上下料装置的改进

为了安全，降低成本，操作简单，我们采用气缸作为上下料装置，首先把金属圆筒经过中频加热到一定的温度后，把加热好的料进入旋压机加工时，用小车把料推向旋轮底部，再用顶料气缸把料推向旋压机卡爪内，通过卡爪夹紧、加热补偿，主轴旋转，进行热旋压；完成后，出料时，首先出料气缸把小车推向出料口，卡爪松开后，顶料杆把金属成形圆筒推出到小车上，推出来后，小车再慢慢退回到出料的初始位置，进行自动下料，从而实现上料和下料的全部过程。图3为上下料装置。

5 机床调试

5.1 PLC程序设计

机床的外部动作由MCP操作面板的用户自定义区域在PLC中设定地址，其主轴和X轴、Z轴也在MCP控制面板上。通过线路检查合理后方可试车，调试时，首先对系统的PLC程序及NCK数据总清，PLC程序才能调试。通过安装840dtoolbox后，打开s7-300软件就能打开gp8x0d65这个文件夹的程序，下载到CPU中，然后对FC功能块进行调试，下载成功后，MCP上的灯不再闪烁，同时对机床的各轴参数进行修改后，各轴就可以正常工作，同时还需对机床数据以及PLC数据备份。通过PLC的编程，能够对系统的各种信号进行处理，与对轴的定位控制以及外围的控制。

5.2 报警文本制作

当机床发生故障时，显示屏上会提示故障信息及故障代码，同时，机床可能停止工作，以提醒操作者采取适当的措施去处理该机床，为机床的维护提供了便利。报警由系统报警、用户报警组成，其中系统报警是机床在出厂前已经编辑好的报警文本，这些报警的代码可以通过《西门子840D诊断手册》查阅该报警的具体问题及解决措施。

用户报警文本制作：

在制作用户报警时，首先要在MBDDE.INI文本中进行相关设置，同时还需要具备三个条件才能实现：

（1）PLC程序处理相应报警信号

用户自定义报警共有25组号码，每一组有64个号码与之对应，如DB2.DBX184.3对应的报警号为700035，如图4。在编写PLC程序时，要对该机床的报警编写合适的报警号，以便出现故障时查验。为实现报警，还需触发相应的报警信号在NC设置的激活动作。

（2）在程序OB1中需调用FC10

该机床发出的报警帮助信息則由NC自动处理，但出厂时设置的机床报警及操作信息经接口信号传送到DB2进行处理，这些信号再通过功能块FC10经PLC传递给MMC和NC，并且在MMC上显示报警信息和故障代码。当机床报警信号由0变为1时，报警信息在MMC上立刻显示，由1变到0时，只要操作者按下复位键，系统及时复位，报警代码消失，如图5所示。

（3）编好报警文本并传入系统

当我们需要编写英文报警文本时，需在MMC中的Microsoft的Dos环境中的ASCⅡ编辑器中编写，但编写中文报警文本时，必须通过个人电脑安装的winpcin软件编写中文报警信息并把MYPLC-CH.COM文件传输到mb.dir文件中才能实现该报警。

6 结束语

该机床通过改造后运行比较稳定，功能强大，程序设计简单，维护方便，加工精确度得到提高，降低了设备维修成本，提高了设备利用率。

参考文献

[1]杨斌.西门子840D数控系统的介绍[J].CAD/CAM与制造业信息化，2004（6）：87-89.

[2]徐斌.西门子840D数控系统在龙门铣上的开发应用[D].浙江工业大学，2015：13-15.

[3]刘佳佳.大型强力数控旋压机液压伺服系统研究[D].北京工业大学，2014：22-26.

[4]杨永.SIEMENS 840D用户报警文本的制作[J].机床与液压，2009（2）：213-215.

[5]SINUMERIK 840D sl 简明调试手册[M].2013.

作者简介：沈立秋（1987-），男，学士，助理工程师，主要从事机械设备电气方面的安装、调试、改造和维护工作。