C5225立式车床数控化改造

2017-04-13张朝阳晏晓峰郭杰许渊耿玲申明付

设备管理与维修 2017年2期

关键词：刀架车床数控系统

张朝阳，晏晓峰，郭杰，许渊，耿玲，申明付

（1.洛阳中重设备工程工具有限责任公司，河南洛阳471000 2.中信重工机械股份有限公司，河南洛阳471000）

C5225立式车床数控化改造

张朝阳1，晏晓峰1，郭杰1，许渊2，耿玲2，申明付2

（1.洛阳中重设备工程工具有限责任公司，河南洛阳471000 2.中信重工机械股份有限公司，河南洛阳471000）

C5225立式车床在保留右刀架机械结构和手动操作功能不变的基础上，用SINUMERIK 828D数控系统和S120驱动系统完成对左刀架进给轴的半闭环控制，使其能够联动，完成复杂零件的加工。

C5225；SINUMERIK828D；S120驱动系统；数控改造

1 C5225立式车床概况

C5225立式车床自1973年出厂至今，已使用近40多年。随着市场和产品的变化，C5225立车的功能已不能满足公司要求。主要表现：机床精度较差，机床使用期间从未进行过大修，只能完成产品的粗加工工序；机床的加工范围小，刀架系统的进给轴只能互相切换，不能联动，无法完成具有复杂曲面零件的加工；机床故障率高，机床一直处于超负荷运转状态，电控系统故障频繁，维修困难，造成机床长时间停机维修，严重影响生产效率；机床的适应性差，对不同零件的加工，需要先设计工装刀具设备，增加了生产成本。

2 C5225立式车床改造要求

为满足公司的生产需求，加工具有复杂曲面的产品，改后造的C5225立车必须达到6项要求。

（1）更换电气控制系统，全面提高机床性能和稳定性。

（2）实现刀架两个进给轴的联动，使其具备直线插补和圆弧插补的功能，满足公司的加工需求。

（3）利用数控系统的模拟主轴功能，在NC系统中通过编程控制机床主轴。

（4）保留一个刀架用于常规加工或者备用。

（5）降低设备故障率，便于维护管理。

（6）增加Mini手持单元，使得对刀操作更加方便。

3 C5225立式车床数控化改造方案

20接口，又从MCP483的X21接口连到PP72/48 D PN模块的Port接口，这样828D PPU就可以和MCP、PP模块进行通信。

根据C5225立式车床的情况和改造要求，提出改造方案。保留右刀架的机械结构和手动操作功能不变，用SINUMERIK 828D数控系统对左刀架的两个进给轴进行半闭环控制，使其可以进行联动，并且增加变频器实现主轴安全可靠的控制。

3.1 左刀架控制部分

将C5225立式车床左刀架的走刀箱拆除，各轴采用电机通过行星减速器与丝杠直连的方式进行设计，并更换新的滚珠丝杠。数控系统采用SINUMERIK 828D，左刀架Z轴和X轴进给伺服驱动系统采用SINAMICS S120驱动系统和1FK7系列交流伺服电机。数控系统和驱动系统的产品见表1。

数控系统SINUMERIK 828D不仅需要和MCP模块、PP72/ 48D PN模块通信，还需要和S120驱动系统连接起来，连接方式见图1。通信线从828D的Profinet接口PN1连到MCP483的X

表1 数控系统的组成部件

图1 SINUMERIK 828D的拓扑结构图

10 kW的电源模块SLM是没有DRIVE_CLIQ接口的，所以828D与S120的连接是从PPU的X100接口直接到DMM的X 200接口，Z轴和X轴电机内置的编码器连接到DMM的X202、X203接口（图1）。

3.2 主轴控制部分

C5225立式车床的原主电机为三相交流电机，启动方式为星/三角启动，制动方式为能耗制动。工作台共有16挡，通过机械齿轮传动进行变挡，而且主轴的操作集成在悬挂面板上。为了使主轴的控制更加方便快捷、安全可靠，增加变频器控制主轴，并且将机械挡位变为4挡，通过变频器实现主轴在挡位上的无极调速。主轴的操作既可以在悬挂面板上，也可以在MCP面板上。

SINUMERIK 828D数控系统还提供了模拟主轴的功能，即不仅可以手动控制主轴，还可以在NC系统中通过编程指令控制主轴。在手动模式下，可以通过悬挂面板和MCP面板来控制主轴的正转、反转、加速、减速、正点、反点和停止。主轴变挡按钮是在MCP面板上。在编程模式下，可以通过变挡指令和运动指令来实现主轴的变挡控制和运动控制。828D还提供了主轴挡位显示功能，无论是手动变挡还是编程变挡，都可以在HMI上显示目前主轴所在的挡位。

C5225立式车床主轴的变频器连接见图2。L1为输入交流电抗器。可以防止电网高压输入而损坏整流部分元器件。S1-S8是开关量输入端子，通过功能码设置S1-S8的功能来控制主轴的运动。AI1与GND为模拟量输入接口，与828D PPU的X252. 1和X252.2脚连接起来，可以实现模拟主轴功能。RO1和RO2为继电器输出点，连接两个中间继电器，通过功能码设置中间继电器指示为变频器准备好与变频器过载报警。

图2 C5225立式车床主轴变频器的连接示意

4 C5225立式车床的调试

机床通电调试之前，要检查DC 24 V回路有无短路，驱动器进线电源模块与电机模块的直流母线连接是否可靠，DRIVE CLiQ电缆和PROFINET电缆连接是否正确。一切正常之后，机床方可通电。

4.1 驱动系统的调试

828D数控系统上电之后，首先要进行系统的初始设定。在确保PLC控制程序所有的安全功能全部准确无误后，开始调试驱动。驱动的调试包括配置驱动和分配轴：在HMI上通过MENU→调试→驱动系统→驱动设备进入驱动配置界面，按“确认”键开始配置驱动；必须用Startup-tool软件来进行轴分配，打开Startup-tool软件，点击“Drive system”→“Drives”，按照提示就可以完成轴的分配。分配轴的过程中一定要注意各个轴的配置选择，正确选择各个轴的电机是否带抱闸。

4.2 系统的轴控制使能链

系统的轴控制使能链就是指系统各部分上电顺序的先后。SINUMERIK 828D和S120驱动系统上电的第一步是给电源模块加EP使能，即电源模块SLM上的X21.3给入24 V。间隔100 ms后，可以加OFF1使能，即PPU的X122.1给入24 V。OFF1使能加上后，可以加OFF3使能，即PPU的X122.2给入24 V；加OFF3的同时可以给各轴加脉冲使能和控制使能，即PLC接口地址DB380x.DBX4001.7和DB380x.DBx2.1=1。

按下急停开关时，首先应该断掉OFF3，待所有轴出现静止信号（PLC：DB390x.DBX1.4）时，可以同时断开OFF1、脉冲使能和控制使能，OFF1断开后延时100ms断开EP使能。可以通过828D PPU上的按键“MENU”→“诊断”→“〉”→“轴诊断”来查看系统各部分的使能是否已加上。

4.3 机床参数的设置

驱动配置之后，还有一些与机械相关的机床数据需要自行设定。只有设定这些参数之后，才可以在NC系统中控制左刀架的进给轴和主轴。需自行设定的参数见表2。

表2 自行设定的机床参数

4.4 PLC程序的调试

C5225立式车床的输入输出模块是采用西门子的PP72/ 48D PN模块，该模块提供72个输入点和48个输出点。C5225立式车床左刀架的运动是由数控系统控制的，无需PLC编程控制。而MCP面板、急停、手持单元的程序都是从828D子程序库中调用。油泵电机、横梁电机、右刀架快速电机、进给电机、主电机的控制程序以及报警文本程序需自己编制。