基于840D数控系统的旋压机床改造

张玉萍，辛世界

(山东理工大学机械工程学院，山东淄博255049)

此次改造的对象是一台三旋轮强力旋压机床，此机床是20世纪90年代从德国引进的，由于使用时间长，许多电子器件严重老化，数控系统、驱动系统等运行稳定性差，故障率高。但许多器件早已淘汰，购买困难，机床不易维修。此旋压机床的主体仍然保持着较高的机械精度，液压、润滑、冷却等辅助控制系统功能良好，仍然有很高的利用价值。加之旋压机床价值昂贵，所以对机床进行改造势在必行。为此，作者采用西门子高档的SINUMERIK 840D 数控系统、SIMODRIVE 611D 全数字化伺服驱动系统及SIMATIC S7-300 系列中档PLC 对此旋压机床的数控系统、驱动系统等进行升级换代，使这台使用多年的老设备重新焕发了青春［1］。

840D 数控系统与611D 全数字化伺服驱动系统和SIMATIC S7-300 系列PLC 构成的全数字控制系统，能适用于各种复杂加工任务的控制，具有优于其他系统的动态品质和控制精度，适合于卧式加工中心、数字化机床及其他专用机床改造的要求。

1 机床简介

该旋压机床是用于金属筒形件旋压的专用机床，由直流主轴单元(S 轴)、纵向进给轴(A 轴)、横向进给轴(X、Y、Z 轴)组成，通过四轴联动，可进行金属材料旋压。1 个主轴，芯模旋转。主轴转速分高、低两挡，带电动换挡机构。机床主传动采用直流主轴电机驱动。2 个纵向进给轴(A1轴和A2轴)，主轴箱进给，2 台电动机各带1 根丝杠并联驱动A 轴。3 个横向进给轴(X、Y、Z 轴)，旋压轮进给，呈120°分布在一个平面上，Z 轴在顶部垂直位置。X、Y、Z 轴采用具有绝对值编码器的伺服电机驱动。

2 数控系统组成

840D 是西门子公司20世纪90年代推出的数字化的高性能数控系统，具有高度模块化及规范化的结构，840D 数控系统由NCU 模块、MMC 模块、PLC 模块三部分组成。三部分在功能上既相互分工，又互为支持。它在复杂的系统平台上，通过系统设定而适于各种控制技术［2－3］。

2.1 NCU 数字模块

840D 的数控单元称作NCU，NCU 单元集成了840D 的NC-CPU 和PLC-CPU，包括相应的数控软件和PLC 控制软件，它还带有MPI 或Profibus 总线接口、RS232 接口、手轮及测量接口等。根据系统功能配置的要求，作者选择了NCU571.5。NCU 571.5 最多可提供6 根进给轴、2 个加工通道，可满足旋压机床进给运动的需求。

2.2 MMC 模块

MMC 人机通讯模块是数控系统和人进行交流的通道，包括三部分:OP 操作面板，MMC 计算机和MCP 机床控制面板。

2.2.1 OP 操作面板

操作面板OP 带有10.4" TFT 彩色显示屏，并配备键盘，可以显示数据和图形，提供人机界面，并进行各项软功能键操作。

2.2.2 MMC 计算机

西门子常用的MMC 有MMC100.2 和MMC103，对于西门子840D 数控系统配MMC103。中央处理单元PCU50 集成在OP 单元内，与MMC103 对应，带硬盘和软驱，主要完成机床与外界及与PLC-CPU、NC-CPU之间的通信。PCU50 是基于Windows 的软件系统，在此基础上可以完成数控系统的设置、组态和操作，并且可以在此基础上编制加工程序，优化整个系统功能。

2.2.3 MCP 机床控制面板

MCP 是西门子专为数控机床配置的19 英寸标准操作面板，自带用户自定义按键。机床控制面板用来进行机床的相关操作，主要应用于系统的主轴控制和进给控制功能。

2.3 PLC 模块

PLC 模块是实现PLC 与机床外设信息交换的端口。同一导轨上从左到右依次是电源(PS)、接口模块(IM)及信号模块(SM)。电源模块为PLC 和NC单元提供+24 V 和+5 V 电源;接口模块用于级之间互联，最多4 级;信号模块用于机床PLC 输入与输出，输入型为SM321，输出型为SM322，最多8 个SM 模块。

西门子公司提供的工具盒中包含有基本PLC 程序，可完成机床启停、伺服启用、主轴控制等一些基本操作，其输入/输出接口是固定的，用户只能使用不能更改。可在其基础上开发新的用户程序，来实现工件夹紧松开、润滑、冷却、液压等辅助功能。PLC在STEP-7 软件平台上进行编程。

3 机床改造设计

数控系统采用840D 数控系统。进给轴驱动器采用西门子611D 交流驱动装置，电机采用西门子1FT6系列交流伺服电机;主轴驱动采用西门子直流驱动装置6RA70，电机使用西门子直流电机，主轴控制使用ANA 转换模块实现数字/模拟信号的转换来控制主轴转速。多功能MINI 手持单元使得设备的可控性更加灵活。输入输出接口使用S7-300 系列PLC 实现逻辑控制。改造后的系统硬件配置如图1所示。

图1 系统硬件配置图

3.1 进给伺服控制系统设计

伺服电机使用1FT6 系列进给伺服电机，该电机转矩大、体积小，控制灵活，精度高。其内装位置反馈编码器和速度反馈编码器，配有专业编码器连接电缆。使用方面，西门子611D 数字伺服驱动系统通过驱动总线与NCU 相连，接收数控系统的指令信号并向数控系统提供各种反馈信号。驱动控制模块和驱动功率模块一起构成位置、速度、电流的闭环控制，进而控制伺服电机的运行，电可以用来实现高精度的位置和速度控制(定位精度可以达到1 μm)。

3.1.1 横向进给伺服系统设计

旋压机的横向进给伺服系统采用全闭环的控制系统［4］，由伺服电机、驱动转换电路、电流调节、速度调节、位置调节单元及相应的检测装置等组成。611D 驱动横向进给系统的原理框图如图2所示，其中，位置调节器是数字比例调节器，速度和电流调节器是数字比例积分调节器;速度检测装置使用伺服电动机内置增量式编码器，位置检测使用光栅尺。

图2 横向进给伺服系统原理图

3.1.2 纵向进给伺服系统设计

机床纵向进给传动采用双电机驱动，需要解决两台电动机的同步问题［5］。通过对多种常用的同步驱动方式的分析，作者采用主从控制方法，通过速度调节和电流调节来实现双电机的同步。控制单元同时向主从控制回路发出指令，通过检测两电机的转速差，将偏差值作为速度补偿信号反馈给从电机，改变从电机的输入，从而与主电机保持速度同步;电流给定信号与电流反馈信号比较后输入电流调节器，同时加入两电机电流差调节信号，来调节电机电流，从而实现平衡两电机转矩的作用。此方法可以有效解决电机进给方向上的由于外界干扰、系统参数变化等因素造成的同步控制问题，可以实现高精度、高可靠性同步运转。双机驱动控制原理如图3所示。

图3 纵向进给伺服系统原理图

3.2 主轴驱动系统设计

从成本考虑，保留原主轴电机，主轴驱动采用西门子6RA70 系列直流调速装置。新的主轴驱动装置6RA70 只接受模拟控制信号，而新的数控系统840D只能提供数字信号，因此采用ANA 转换模块实现数字/模拟信号的转换来控制主轴转速，ANA 模块将840D 输出的数字调速信号转换成±10 V 模拟信号提供给6RA70［6］。主轴控制原理如图4所示。

图4 主轴控制原理框图

主轴上安装一个编码器既做速度反馈又做位置反馈，位置反馈给ANA 并通过总线反馈给840D，速度反馈给6RA70。因主轴编码器信号为1Vpp 信号，而与6RA70 相匹配的编码器信号为TTL 信号，因此，使用主轴编码器信号转换器将正弦1Vpp 信号转化成TTL 信号送给6RA70。

4 调试及改造结果

系统调试的主要步骤如下:

(1)按照840D 系统的硬件连接说明书和设计的电气原理图完成硬件安装，然后对CNC 系统和伺服系统的参数进行设定，对机床的系统数据、通道数据等进行配置。

(2)伺服系统的调试。对电机的参数进行调整，使控制性能达到最优。

(3)上电调试。西门子840D 数控系统输入电压为24 V，伺服系统输入电压为AC 220 V。确认数控系统各器件的连线正确后接通电源，进行调试。

改造后，机床所达到的参数指标为:

主轴转速范围:80 ～450 ～920 r/min;

纵向进给速度:0 ～1 500 mm/min;纵向快移速度:最大7.5 m/min;

横向进给速度:0 ～1 500 mm/min;横向快移速度:最大4 m/min;

纵向进给力:最大480 kN;

每个旋压轮的径向进给力:最大320 kN。

改造后，旋压机床运行稳定，系统功能强大，增加了机床的可靠性，减少了故障时间，系统易维护，生产效率大大提高。事实证明:旧机床改造不仅实用性能好，而且周期短，还可以节省大量资金。840D数控系统在机床改造领域的应用将会越来越广泛。

【1】陈平信.西门子系统与数控机床改造［J］.中国设备工程，2008(12):12－16.

【2】郝越邦，焦亮，化春雷，等.基于SIUMERIK 840D 的数控机床控制系统设计［J］.机械制造，2011(6):6－8.

【3】杨斌.西门子SIUMERIK 840D 数控系统介绍［J］.CAD/CAM 与制造业信息化，2004(6):87－89.

【4】闵惠芬，蒋伟.伺服系统在数控中的应用［J］.机械制造与研究，2007(2):10－13.

【5】刘福才，张学莲，刘立伟.多级电机传动系统同步控制理论与应用研究［J］.控制工程，2002，9(4):87－90.

【6】谭红.用西门子840D 数控系统改造4.5 ×17 m 龙门铣镗床［D］.重庆:重庆大学，2007:38－40.