加工中心控制系统的改造研究

李金石 李英硕

摘 要： 企业根据生产的实际需要通过对现有机床全部或局部结构进行升级改造，来提高机床的技术性能指标，已成为一种新兴的经济增长行业，本文以介绍了数控机床控制系统改造的基本流程与方法。对数控机床改造具有借鉴意义。

关键词： 数控机床改造;控制系统;技术改造

1.加工中心改造方案的设计和确定

数控系统的有效使用寿命通常在6～8年，生产商通常在3～5年回会更新一代产品，因此导致老旧机床出现问题后无法找到相对应的维修部件。随着电力电子的发展器件成本逐步降低，因此对原有老旧机床进行改造与新购机床相比，具有成本和周期的优势。

1.1 控制系统改造的基本内容

对数控机床电气控制的改造由以下内容：电气原理图设计、电机选型、选取坐标位置反馈方式。

系统中若有部件进行更换需注意各部件之间的匹配更换，以及已于新系统和客户加工部件的需求进行参数调整。

可编程控制器PLC的设计应使数控系统、伺服系统与机床其他部分之间协调一致工作。机床机电液整体联调，保证达到原有功能并有所提高，以适应数控系统的控制要求。

1.2 控制系统改造的整体方案

机床是由机械和电气两部分组成，在设计总体方案时应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方案，根据对该设备现状的分析了解，总体技术方案如图1.1。

1.3 改造后达到的技术功能及性能

数控刀库控制功能通过编制数控系统与PLC接口控制软件来实现。改造中对机床机械部分进行检修，使机械精度达到出厂或优于出厂标准。改造后机床需具有五坐标五联动功能。各坐标运动采用交流伺服驱动系统，保留原坐标传动方式，X、Y、Z坐标为滚珠丝杠，A、B坐标为蜗轮蜗杆，采用光栅尺作为直线坐标位置的反馈，采用同步感应器作为旋转坐标位置反馈。机床各坐标的控制精度为0.001mm。由PLC程序对主轴系统、润滑系统、冷却系统、工作台系统进行逻辑控制。

改造后机床应具有如下功能：加工程序的图形模拟功能;示教功能;蓝图编程;输入方式具有手动数据输入MDI和DNC输入两种;按用户需求增大程序存储器容量;具有手持操作单元、具有加工程序编辑、检索、单段运行、自动运行、空运行功能，手动操作;具有快进倍率、倍率、坐标轴保持、应急停等功能;主轴可手动及编程控制启、停及高低速转换;冷却液可手动及编程控制开、关。具有开机润滑、手动润滑、自动润滑功能。

2.数控系统的选型

2.1 数控系统的分类

数控系统通常有以下四种类型：

（1）专用型数控系统：数控系统生产厂家自行开发的专用性系统，满足特定目标的使用具有高可靠性。在制造领域有着较大的市场。由于采用封闭的体系因此对市场需求不敏感，且更新较慢。随着开放式体系结构数控系统的不断发展，专用型数控系统的市场份额已经在逐渐减小。

（2）PC嵌入NC结构的开放式数控系统：该类型数控系统与专用型数控系统相比，结构上具备一些开放性，功能十分强大，但系统软硬件结构十分复杂，系统价格也比较昂贵，其结构如图2.1所示。

硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡与PC机构成。运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU具有很强的运动控制和PLC控制能力。

（3）NC嵌入PC结构的开放式数控系统

该类型数控系统的开放性能、性价比也比较好，并且对功能进行改进也比较方便，系统的控制功能主要由运动控制卡来实现。

（4）全软件型的开放式数控系统

这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数控功能（包括插补、位置控制等）全部都是由计算机软件来实现的。全软件型开放式数控系统具有最高的性价比，近几年得到了广泛的应用。

2.2 数控系统的选择

本文所述的项目选择西门子840D数控系统主要基于以下原因

（1）西门子840D系统在多轴的同步功能比FANUC的同步功能要强，可以实现多种方式的同步。

（2）西门子系统在机床领域有着多年应用。国内操作者熟悉Siemens指令编程风格，改造后经过简单培训即可上机操作。

（3）西门子840D系统在机床行业有着广泛的应用，维修维护便利。

3 SINUMERIK 840D 数控系统的特点

SINUMERIK 840D系统适用于钻削，铣削以及车削和磨削机床加工的控制，还可以实现许多特殊的NC功能。采用单元模块式结构，根据配置不同最多可开通10个通道，最多可控制多达31个进给轴。通常选用SINUMERIK 840D、SINUMERIK 611D数字驱动系统和SIMATIC S7可编程控制器一起，组成全数字控制系统，适于各种复杂加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。

3.1 数控及驱动单元

SINUMERIK 840D的数控单元被称作NCU单元。NCU单元中也集成SINUMERIK 840D数控CPU和SIMATIC PLC CPU芯片以及相应的数控软件和控制软件，并且设置了MPI、profibus接口、RS232接口、手轮及测量接口，PCMCIA卡插槽等。840D配置的驱动一般都采用SINUMERIK 611D数字交流驱动系统，分为双轴和单轴模块两种。它包括电源模块和驱动模块。电源模块主要为驱动模块提供600V直流母线电压和为NCU及驱动模块提供各种控制电压。同时监控电源模块和驱动模块的状态。

3.2 PLC模块

840D的PLC使用的是西门子SIMATIC S7-300的软件及模块，在同一条导轨上从左到右依次为电源模块PS，接口模块IM，信号模块SM，CPU与NC的CPU是集成在或中的，如图3.1所示。NCU通过一条通讯电缆与外部I/O的模块进行通迅。

电源模块PS是为PLC和NC提供电源的+24V和+5V，接口模块IM是用于级之间互连的，信号模块SM使用与机床PLC输入/输出的模块，有输入型和输出型两种。

结论

本文詳细介绍了数控系统改造的设计内容流程给出了一个改造的可行性方案，并针对方案对数控系统进行了选型，对数控系统改造有积极的意义。

参考文献

[1]刘荫庭，旧机床大修及数控化改造的技术与趋势[C]，第四届全国设备维修与改造技术交流会，2000，25-27.

[2]刘启中，蔡德福，现代数控技术及应用[M]，北京：机械工业出版社，2000，15-37.