基于西门子828D的数控车床系统装调维修实训装置的开发

吴云艳，黄东荣

（广西机电技师学院，广西 柳州545005）

0 引言

我国经济发展已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，推进中国制造2025，实现新旧动力转换，都必须以全面提高劳动者素质为根本。高素质复合型人才是创新驱动发展、建设制造强国的有生力量，高水平产业要依托高质量技术工人打造。在中国制造业随着数控技术在社会生产中的普及，数控机床维修人才成为目前市场迫切需求的一类专业人才，数控维修技术是一门综合性较强的工科技术，经过大量的社会调研，企业使用德国的西门子系统数控设备占大部分。数控维修教学对实训设备的要求较高，设备功能更新换代较快。我院目前没有西门子系统数控维修设备，单独整套购买较为昂贵，且不一定完全适用于教学。所以，开发具有一定代表性和较高实用性并且适合我院教学的西门子828D系统数维实训装置势在必行。

1 方案设计

该实训装置是以国际知名的西门子数控系统为技术平台开发研制而成，具有一定的代表性和较高的实用性，其硬件电路故障检测与维修教学功能，填补了国内数控机床维修专业实训教学设备的空白，对培养实用型高级工、技师、高级技师等高技能人才，满足专业实训教学要求将发挥重要作用。

主要购买的西门子设备详见表1。

表1 西门子系统数维实训工作台主要设备参数表

设计实训教学装置能达到的功能有：数字控制器、主轴变频器、交流伺服驱动器硬件电路故障检测与维修；机床控制电路、电动刀架控制电路故障检测与维修；数控机床电路连接练习；数字控制器、变频器、交流伺服驱动器参数调试，计算机网络与数字控制器连接功能调试；加工程序编制、程序传输、参数传输练习。如图1所示为实训教学装置的总体结构图。

图1 828D的数控车床系统装调维修实训装置总体结构图

开发西门子828D系统数控车床装调维修实训装置，主要包括三个部分内容：其一，西门子828D系统数控车床装调维修实训台架的制作；其二，西门子828D系统数控车床装调维修实训台的整体布局（如图2所示）；其三，完成西门子828D系统数控车床装调维修实训装置的安装调试。

图2 实训台整体布局

设备电气原理图如图3。

图3 设备电气原理图

选用西门子828D数控系统作为数字控制器，主轴电动机采用三相交流电动机，配以与之配套使用的变频器，可实现无级调速。伺服驱动系统采用与西门子828D配套的S120伺服驱动单元及交流伺服电动机，由于伺服电动机内配有编码器，X轴、Z轴可构成半闭环控制，从而提高了控制精度，编写PLC程序。

该实训设备的整体设计主要解决了维修实操教学、编程设计、模拟仿真以及安装调试。它将构建成集维修操作、编程设计、模拟仿真以及安装调试四位一体的流程式实训环境。

2 系统设计

西门子系统实装训置主要是由车床数字控制器、变频主轴控制模块、进给轴交流伺服控制模块、电动刀架控制模块、冷却控制模块等五个模块组成。

2.1 车床数字控制器

车床数字控制器是基于面板的西门子828D是一款紧凑型数控系统，集CNC，PLC，操作界面以及轴控制功能于一体，通过Drive-CLiQ总线与全数字驱动SINAMICSS120实现高速可靠通讯，PLC I/O模块通过PROFINET连接，可自动识别，无需额外配置。大量高档的数控功能和丰富、灵活的工件编程方法使它可以自如地应用于世界各地的各种加工场合。如图4所示为数字控制器接口图。

图4 数字控制器接口图

2.2 变频主轴控制模块

变频主轴控制模块主要是由变频器组成，变频器的接线图如图5所示，变频器是一个交流电机的控制电源，输出一定比例的电压和频率值，达到控制电机转速和扭力的目的，品牌不同，预置的功能参数会有差异，不同场合应用，调制的参数也会有不同，从原理而言，它是围绕着“操控电机，输出合适电压和频率，保证一定电流和转速上限，逻辑关联等几大目的来设计功能参数。

图5 变频器的接线图

2.3 进给轴交流伺服控制模块

进给轴交流伺服控制模块由西门子S120伺服驱动单元（西门子S120功率模块与电源构成）组成（如图6所示），为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，接地点与动力设备（如电动机）的接地点分开。

图6 西门子S120伺服驱动单元

2.4 电动刀架控制模块

电动刀架控制模块主要由正反转的主电路和PLC控制电路及霍传感装置组成（如图7所示）。

2.5 冷却控制模块

冷却控制模块主要由主电路和控制电路组成如图 7（a）（b）所示。

图7 电动刀架电路

3 系统参数设置

系统参数设置见图8。

图8 冷却电路图

3.1 总线配置

SINUMERIK 828D是通过现场总线profibus对外设模块（如驱动器和输入输出模块等），profibus的配置是通过通用参数MD11240来确定的。

3.2 驱动器模块定位

数控系统与驱动器之间通过总线连接，系统根据下列参数与驱动器建立物理联系。对于配置非调节电源模块SLM的系统，由828D驱动接口X100连接到的第一台电动机模块的轴号为1，且以此类推。

3.3 位置控制

使能系统出厂设定各轴均为仿真轴，系统既不产生指令输出给驱动器，也不读电动机的位置信号。按设定参数可激活该轴的位置控制器，使坐标轴进入正常工作状态。

4 应用效果

本教学设备可用于课程设计、毕业设计和实训，有利于提高学生设计数控机床电气控制系统、诊断数控设备故障的能力，使受训对象最大限度地适应和满足市场需求。该装置也可以帮助科研技术人员进一步了解数控车床结构，同时也为技术人员进行数控车床系统的二次开发提供了必要条件。适合职业培训学校的数控机床维修中、高级工、维修电工高级工、维修电工技师、维修电工高级技师的培训和鉴定。

该实训装置参加2017年第十四届中国—东盟博览会，在中国—东盟职业教育联展上获得专家好评，多所大中专院校的数控维修专业教师表达了设备购买与合作意向。我们一共制作10台实训装置，从2018年初投入使用，共计有8个专业班级300多名学生进行教学实训，学生通过学习，掌握了西门子828D的数控车床系统安装、调试、设置故障、排除故障。这批学生在毕业时参加高级工技能考核通过率100%，其中30%为优秀。教学效果显著，学生专业能力大幅提升，毕业生大受企业青睐。

通过开发该实训装置，我们培养了一支技术精湛、专兼结合的数控机床装调与维修专业教学团队。其中参与装置开发成员卢辉生、迟鑫还在2018年第八届全国数控技能大赛获数控机床装调维修工团体赛教师组一等奖，全国第三名，是广西历届最好成绩。

我们开发的10套设备成本为100万元，市场相似性的设置设备价值为20万元以上，为学院节约经费100万元以上。

5 结束语

该实训装置是集教学、培训、职业技能鉴定为一体的多功能高技能人才实训设备。一套可满足4人同时进行维修操作或数控编程模拟练习训练。设置有数控系统的维修与调试、伺服驱动器的维修与调试、变频器维修与调试、数控车床强电及控制电路等综合性的教学。学生可在设备上进行技能实训操作练习，也能够模拟工业生产现场，根据各自情况对系统的控制要求，进行自行设计、组合安装、调试，从而更好地培养学生的动手能力和分析能力。优化实训资源配置，构建流程式实训环境，营造工程氛围，改革培训方式，创新评价方式。