数控机床改造与分析

王晓璐++山晓媛

摘 要：通过对普通机床进行数字化改造，实现了以低成本来实现提高生产效率的目的。本文在对普通机床改造的过程中控制系统采用西门子SINUMERIK 810D数控系统，伺服驱动系统采用了SIMODRIVE 611D模块和1FK7系列伺服电机，在伺服电机与主轴之间安装减速器和机械传动装置从而达到大减速比的要求，实现了系统C轴的精确分度功能。对其他机床的改造具有一定的意义。

关键词：SINUMERIK 810D；C轴；精确分度

1.供电部分改造

1.1.系统供电

在改造中，对机床采用交流三相380V电源供电，原电磁离合器则由单独的开关电源供电（DC24V），PLC电源由单独的开关电源供电（DC24V），液压电磁阀电源由单独的变压供电（AC220v），电器控制回路电源由单独的变压供电（ACllOV）照明及电源指示电源由单独的变压供电（AC36V及6.3V），机床的所有操作元件如液压启动开关、方向选择开关、系统显示器和所有按钮都集中在悬挂式活动按钮站上。按钮站上设有电源指示灯。所有电气控制元件除与机械运动部件相关的行程和到位开关外，全部分别安装在主传动柜内。主轴电机是由45kw交流三相异步电动机拖动，由三个机械手柄控制不同齿轮换档实现变速功能。机床的分度功能由西门子SINUMERIK 810D数控系统控制，通过SIMODRIVE611D伺服驱动系统控制1KF7系列交流伺服电动机，经减速机构带动卡盘旋转来实现此功能。

1.2主轴C轴驱动功能

机床主轴的C轴分度功能是由810D系统控制，由1FK7系列伺服电机通过大减速比机械环節拖动，在主轴上安装ERAl80型圆光栅进行分度值反馈，从而达到全闭环、精确的主轴C轴分度功能。

1.2.1主轴C轴的非使能状态

（1）手柄在1：4和1：1之间空档位置，“C轴啮合”指示灯亮，“使能”指示灯不亮。C轴锁紧，托板可以快速移动。若主电机转动，可实现托板进给功能。C轴的位置精度由液压夹紧系统保证。

（2）在原机床主电机停止时，将变速手柄C移至1：4和1：1空挡处；接近开关检测到信号送PLC。若变速手柄C已经在1：4和1：1空挡处，可不停止主电机，直接进入下一步。

（3）“使能”指示灯不亮，按下操作面板上的“C轴啮合”按钮；PLC控制液压电磁铁2DT吸合；离合器油缸动作使离合器齿轮啮合，齿轮脱开接近开关输出低电平，齿轮啮合后，齿轮啮合接近开关输出高电平，PLC控制液压电磁铁断电；“C轴啮合”指示灯亮（若“C轴啮合"指示灯按下时亮松开不亮，说明离合器齿轮没有啮合到位，可使用点动按钮使主轴转动后，再反向点动一下以保证齿轮完全啮合，此时，“C轴啮合"指示灯应该亮）。液压夹紧电磁铁3DT吸合，盘式夹紧装置使C轴夹紧。此时为C轴非使能状态。在此状态可以使用托板和尾座快速功能。如果主电机转动则可以使用托板的进给功能。

1.2.2主轴C轴的使能状态

按下“使能”按钮，“使能"指示灯亮，液压盘式夹紧装置松开。若机床零点已经确定，机床进入C轴使能状态。C轴的位置精度由伺服系统保证。此时，可通过程序（程序运行、MDI方式）、点动（点动状态下，按下C+或C-）或使用手轮（手轮方式下，转动手轮可以精确控制C轴的运行位置）操作C轴。“进给速度”选择旋钮可控制C轴的运行速度。在此状态不可以使用托板和尾座的快速和进给功能。

1.2.3回零操作

机床断电后的第一次使用前必须回零。在C轴使能状态下，点按“回零”按钮，点按“C+”按键，回零动作开始。首先主轴正向运动，靠近回零参考点，到达回零参考点后，慢速反向寻找圆光栅零点，大约转动15度找到零点。若提示零点未找到，可按一下“Reset”键消除报警提示后，再次执行回零操作。

1.2.4安全保护

为防止C轴和原主轴系统的干扰，设置3个位置保护接近开关。分别安装在离合器齿轮的离开、啮合位置和主轴变速手柄C的1：4和1：l的空档位置。在PLC内部设定主电机和伺服电机使能互锁。如图1.1所示。

2.系统工作原理与810D的面板设计

在保留原机床的功能之下，增加了主轴C轴的分度功能。使得机床可以在正常状态下和C轴分度状态下自由切换，并且保证了托扳和尾座的快速移动和进给功能。

2.1操作及工作原理

2.1.1系统上电

（1）接通主电源：首先合上电气控制柜的总空气开关。控制柜电源指示灯亮。

（2）启动810D系统：按操作面板上的“系统启动”按钮，“机床有电"指示灯亮，（显示屏进入主界面），810D数控系统启动成功。

（3）启动液压系统：旋转操作面板上的“液压启停”开关至启动位置（如果液压系统不工作或液压系统工作不正常，其它功能均不能实现）。检查液压系统压力，系统正常工作压力为2Mpar。

2.1.2主电机启动及点动

（1）主电机启动操作：主电机有两种运行方式，即工作运行和点动运行。工作运行有正、反常车。点车运行是为了装工件，工件调整和对刀调整等，因此设有正点动按钮、反点动按钮。

（2）原普通机床功能：主电机正转起动主轴旋转，实现原普通机床功能。进入原普通机床功能。具体步骤如下：

将主轴C变速手柄移动至任意档位（不能停在1：4和1：l之间位置），接近开关不发出信号，PLC控制液压离合器松开电磁铁，油缸推动离合器使齿轮脱开（C轴电机和主轴脱离），“C轴啮合”指示灯亮。此时，可以使用原机床的各项进给及主轴功能

2.1.3快速及进给电气传动控制

（1）托扳、滑板移动方向及其选择：机床托扳装有左、右、前、后快速移动或进给的离合器。控制托板快速或走刀。其方向由面板上的“方向选择开关”来选择。其动力由快速电机和走刀电机分别拖动。

（2）托扳、滑板工作制及其选择：托扳、滑板的工作方式分为快速和进给。工作状态由方向选择开关选择。

2.2 810D面板设计

西门子SINUMERIK 810D属于紧凑型的数控系统，它将显示屏集成在MMC当中，MCP面板包括了手轮、键盘。在安装过程中西门子公司给出了标准的安装尺寸和模式。我们设计了机床主轴以及电机的控制面板，完成安装后的810D控制面板图如图2.1所示。

结论

电气部分的改造主要是安装810D系统（其中包括伺服驱动系统、电气柜和810D面板的设计）、主轴C轴功能的定义以及驱动。通过整体改造在保留机床原有机械加工功能的基础上，实现了主轴C轴的精确分度功能，提高了机床的加工精度和效率，扩大该系统的适用范围，实现了高可靠性和高柔性加工。

参考文献

[1]俞眉芳.自动控制原理与系统.北京：高等教育出版社，2007，7-11.

[2]胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2005，11～192.