SIEMENS 840D SL系统在HAGEMATIC S201数控龙门铣 改造中的应用

       作者：张锦
摘要：以南车株机HAGEMATIC S201数控龙门铣为研究对象，对其进行改造。在论述该机床存在的问题后，确定改造的总体技术方案，选择西门子840D SL数控系统作为控制系统，并对设备进行系统设计，编制PLC程序，对机床各轴进行组态，参数设置，激光补偿，试加工后对该机床进行验收。结果表明该机床的性能和精度超过改造前的精度，完全满足高精度、高效率、高可靠性的要求。
　　关键词：数控改造 数控龙门铣 840D SL数控系统
　　一、引言
　　HAGEMATIC S201数控龙门铣是奥地利HAGE机床厂90年代的产品，采用西门子840C数控系统，具有一个主轴、一个C轴、一个A轴、三个控制轴，具有较强的型材加工能力。但由于该设备使用年限已久，电气、机械等方面都存在一定的老化和磨损，导致设备的故障率、停机率升高，严重威胁生产的质量和效率。
　　考虑到该机床的功能较齐全，主要功能部件完好。对其采用技术改造，不仅设计风险小，节省大量投资且更能充分地体现企业的使用意愿。本课题以此为研究背景，采用西门子840D SL数控系统对其进行改造。
　　二、改造技术方案[1，2]
　　机床是由机、电、液三个部分组成，在设计总体方案时应从这三方面来考虑机床的各种功能和使用情况。
　　1.电气部分[3]
　　1.1用840D sl系统替代原来的840C系统。
　　1.2用10.4寸液晶显示器和全键盘MCP操作面板。
　　1.3选择PCU50.3B-C+60G串口硬盘。
　　1.4驱动系统采用S120+1FK7伺服电机+1PH7电机代替原驱动系统。
　　1.5更新各轴外制编码器，增加四个SMC20模块。
　　1.6将各轴由开环改为半闭环控制。
　　1.7制作新的操作站。
　　2.机械部分
　　对机械损坏的部分进行修复，损坏部件更新，并制作电机连接部分。
　　三、系统硬件设计
　　1.数控系统选型
　　根据该设备的电气控制和机械加工特点，考虑性价比、技术方面、操作方面的因素。我们采用西门子840D SL数控系统，具体选型归纳如下：
　　1.1PCU模块：PCU50.3B-C.
　　1.2OP单元：OP 010.
　　1.3MCP单元： MCP483C PN.
　　1.4NCU模块：NCU720.2.
　　1.5电源模块：ALM.
　　1.6驱动装置：S120.
　　1.7进给轴伺服电机：1FK7.
　　1.8主轴伺服电机：1PH7.
　　2.电气系统改造设计
　　2.1根据数控系统软硬件功能，结合HAGE数控车床的实际情况，对原电气控制线路进行重新设计。
　　2.2机床辅助系统电路设计，包括自动换刀装置、润滑等辅助电路设计。
　　2.3对机床液压系统控制重新设计。
　　四、系统的调试软件、机床参数[4]设置及调整、程序设计
　　1.调试软件
　　在PCU上安装840D SL的HMI软件， 840D SL数控系统NCU中集成了S7-300PLC和CNC单元。对PLC程序设计和调试采用STEP7_V5.5_CN，该软件安装完成后再安装NCU中自带的光盘Toolbox for 840D Sl，其中集成了840D SL的硬件组态[5]信息，同时也集成了NC-VAR Selector等软件。
　　接下来我们需要安装S120的调试软件STARTER和一些附助工具vncviewer、WinSCP等。
　　2.机床参数设置及调整
　　数控机床电气改造的一项重要工作就是在机床硬件安装完成后进行CNC系统和伺服系统的参数设定。NC调试就是要完成机床的参数匹配工作。机床数据设定包括：
　　2.1通道MD数据设定。它用来实现各个伺服轴的定义和通道命名等工作。
　　2.2轴相关MD数据设定。它完成对针对各个轴的特征参数的设定，如主动编码器、限位、速度设定等。
　　2.3坐标轴的试运行及优化。在坐标轴的参数设定完成后，灌入基本的PLC程序，轴就可以运行了。如果轴的运动状态不理想，如抖动、响应速度等就需要对轴进行参数优化，有条件的最好做一次激光补偿。
　　2.4在轴数据调整过程中也可以使用STARTER软件进行调整、监控等。
　　3.系统程序设计
　　在840D SL系统中NCU与PLC、PLC与CPU50之间的通讯都是通过接口信号DB来实现的，因此我们在进行设计过程中必须清楚的了解每个DB块的含义。每个DB接口[6]的说明在《840D SL简明调试手册》和DOCONCD中都有阐述。当PLC程序调试完成后我们需要对编制报警文本。
　　本设备设计的重点和难点是在换刀程序上，它需要NC和PLC相互配合才能完成换刀动作，本文以此为例来说明PLC程序的编制过程。
　　床的刀库是旋转刀库，总共有36个刀位，通过A轴进行控制。现在以2号刀为设计对象，设计出换刀程序。为了在以后的加工过程中方便用户使用，故编写了L22换刀子程序，其子程序设计如下所示：
　　3.1执行换刀指令 T02 L22；
　　3.2PLC对实际刀号和目标刀号进行比较，如果不同执行换刀程序，反之则完成换刀动作；
　　3.3各轴运动到换刀位置，刀库旋转到实际刀号所要放置的位置；
　　3.4执行换刀动作，PLC通过各外部信号对换刀动作进行监控，如果不对则报警结果换刀，反之则执行后面的动作；
　　3.5换刀动作完成，各轴回到安全位置；
　　3.6换刀动作结束。
　　五、结束语
　　改造后机床几何精度、定位精度、机床综合性能等方面检验后，得出结论：HAGE数控龙门铣符合《数控定梁龙门雕铣床》第1部分：精度检验（JB/T 10818.1-2008）标准要求，机床的定位、几何精度总体超过改造前的水平，机械、电控系统工作稳定可靠，资料齐全，达到了改造目标，验收合格，而且改造总费用控制在同档次进口机床价格的25%以内。
　　参考文献
　　[1]王爱玲.现代数控机床结构与设计[M].北京：兵器工业出版社，2005.
　　[2]孔昭永.数控机床控制系统的选配[J].机械工人（冷加工），2002（6）：28-30.
　　[3]SIEMENS.SINUMERIK&SINAMICS 机床设备 样本NC61？2010.
　　[4]SIEMENS.SINUMERIK 840D solution line简明调试手册，2012：21-1-21-27.
　　[5]SIEMENS.SIMATIC S7 STEP7 V5.0使用入门，1998：61-67.
　　[6]SIEMENS DOCONCD2010，2010.

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2019-08-03