摘 要：C5225 立式車床在保留右刀架機械結構和手動操作功能不變的基礎上，用 SINUMERIK 828D 數控系統和 S120 驅動系統完成對左刀架進給軸的半閉環控制，使其能夠聯動，完成復雜零件的加工。
關鍵詞：C5225；SINUMERIK 828D；S120 驅動系統；數控改造
1、 C5225 立式車床概況
C5225 立式車床自 1973 年出廠至今，已使用近 40 多年。隨著市場和產品的變化，C5225 立車的功能已不能滿足公司要求。主要表現：機床精度較差，機床使用期間從未進行過大修，只能完成產品的粗加工工序；機床的加工范圍小，刀架系統的進給軸只能互相切換，不能聯動，無法完成具有復雜曲面零件的加工；機床故障率高，機床一直處于超負荷運轉狀態，電控系統故障頻繁，維修困難，造成機床長時間停機維修，嚴重影響生產效率；機床的適應性差，對不同零件的加工，需要先設計工裝刀具設備，增加了生產成本。
2、 C5225 立式車床改造要求
為滿足公司的生產需求，加工具有復雜曲面的產品，改后造的 C5225 立車必須達到 6 項要求。
（1）更換電氣控制系統，全面提高機床性能和穩定性。
（2）實現刀架兩個進給軸的聯動，使其具備直線插補和圓弧插補的功能，滿足公司的加工需求。
（3）利用數控系統的模擬主軸功能，在 NC 系統中通過編程控制機床主軸。
（4）保留一個刀架用于常規加工或者備用。
（5）降低設備故障率，便于維護管理。
（6）增加 Mini 手持單元，使得對刀操作更加方便。
3 、C5225 立式車床數控化改造方案
根據 C5225 立式車床的情況和改造要求，提出改造方案。保留右刀架的機械結構和手動操作功能不變，用 SINUMERIK828D 數控系統對左刀架的兩個進給軸進行半閉環控制，使其可以進行聯動，并且增加變頻器實現主軸安全可靠的控制。
3.1 左刀架控制部分
將 C5225 立式車床左刀架的走刀箱拆除，各軸采用電機通過行星減速器與絲杠直連的方式進行設計，并更換新的滾珠絲杠。數控系統采用 SINUMERIK 828D，左刀架 Z 軸和 X 軸進給伺服驅動系統采用 SINAMICS S120 驅動系統和 1FK7 系列交流伺服電機。數控系統和驅動系統的產品見表 1。數控系統 SINUMERIK 828D 不僅需要和 MCP 模塊、PP72/48D PN 模塊通信，還需要和 S120 驅動系統連接起來，連接方式見圖 1。通信線從 828D 的 Profinet 接口 PN1 連到 MCP483 的 X20 接口，又從 MCP483 的 X21 接口連到 PP72/48 D PN 模塊的Port 接口，這樣 828D PPU 就可以和 MCP、PP 模塊進行通信。
表1 數控系統的組成部件
圖 1 SINUMERIK 828D 的拓撲結構圖
10 kW 的電源模塊 SLM 是沒有 DRIVE_CLIQ 接口的，所以828D 與 S120 的連接是從 PPU 的 X100 接口直接到 DMM 的 X200 接口，Z 軸和 X 軸電機內置的編碼器連接到 DMM 的 X202、X203 接口（圖 1）。
3.2 主軸控制部分
C5225 立式車床的原主電機為三相交流電機，啟動方式為星/ 三角啟動，制動方式為能耗制動。工作臺共有 16 擋，通過機械齒輪傳動進行變擋，而且主軸的操作集成在懸掛面板上。為了使主軸的控制更加方便快捷、安全可靠，增加變頻器控制主軸，并且將機械擋位變為 4 擋，通過變頻器實現主軸在擋位上的無極調速。主軸的操作既可以在懸掛面板上，也可以在 MCP 面板上。
SINUMERIK 828D 數控系統還提供了模擬主軸的功能，即不僅可以手動控制主軸，還可以在 NC 系統中通過編程指令控制主軸。在手動模式下，可以通過懸掛面板和 MCP 面板來控制主軸的正轉、反轉、加速、減速、正點、反點和停止。主軸變擋按鈕是在 MCP 面板上。在編程模式下，可以通過變擋指令和運動指令來實現主軸的變擋控制和運動控制。828D 還提供了主軸擋位顯示功能，無論是手動變擋還是編程變擋，都可以在 HMI 上顯示目前主軸所在的擋位。
C5225 立式車床主軸的變頻器連接見圖 2。L1 為輸入交流電抗器。可以防止電網高壓輸入而損壞整流部分元器件。S1-S8是開關量輸入端子，通過功能碼設置 S1-S8 的功能來控制主軸的運動。AI1 與 GND 為模擬量輸入接口，與 828D PPU 的 X252.1 和 X252.2 腳連接起來，可以實現模擬主軸功能。RO1 和 RO2為繼電器輸出點，連接兩個中間繼電器，通過功能碼設置中間繼電器指示為變頻器準備好與變頻器過載報警。
圖2 C5225 立式車床主軸變頻器的連接示意
4 、C5225 立式車床的調試
機床通電調試之前，要檢查 DC 24 V 回路有無短路，驅動器進線電源模塊與電機模塊的直流母線連接是否可靠，DRIVECLiQ 電纜和 PROFINET 電纜連接是否正確 。一切正常之后，機 床方可通電。
4.1 驅動系統的調試
828D 數控系統上電之后，首先要進行系統的初始設定。在確保 PLC 控制程序所有的安全功能全部準確無誤后，開始調試驅動。驅動的調試包括配置驅動和分配軸：在 HMI 上通過MENU→調試→驅動系統→驅動設備進入驅動配置界面，按“確認”鍵開始配置驅動；必須用 Startup-tool 軟件來進行軸分配，打開 Startup-tool 軟件，點擊“Drive system”→“Drives”，按照提示就可以完成軸的分配。分配軸的過程中一定要注意各個軸的配置選擇，正確選擇各個軸的電機是否帶抱閘。
4.2 系統的軸控制使能鏈
系統的軸控制使能鏈就是指系統各部分上電順序的先后。SINUMERIK 828D 和 S120 驅動系統上電的第一步是給電源模塊加 EP 使能，即電源模塊 SLM 上的 X21.3 給入 24 V。間隔100 ms 后，可以加 OFF1 使能，即 PPU 的 X122.1 給入 24 V。OFF1 使能加上后，可以加 OFF3 使能，即 PPU 的 X122.2 給入24 V；加 OFF3 的同時可以給各軸加脈沖使能和控制使能，即PLC 接口地址 DB380x.DBX4001.7 和 DB380x.DBx2.1=1。按下急停開關時，首先應該斷掉 OFF3，待所有軸出現靜止信號（PLC：DB390x.DBX1.4）時，可以同時斷開 OFF1、脈沖使能和控制使能，OFF1 斷開后延時 100ms 斷開 EP 使能。可以通過828D PPU 上的按鍵“MENU”→“診斷”→“〉”→“軸診斷”來查看系統各部分的使能是否已加上。
4.3 機床參數的設置
驅動配置之后，還有一些與機械相關的機床數據需要自行設定。只有設定這些參數之后，才可以在 NC 系統中控制左刀架的進給軸和主軸。需自行設定的參數見表 2。
表 2 自行設定的機床參數
4.4 PLC 程序的調試
C5225 立式車床的輸入輸出模塊是采用西門子的 PP72/48D PN 模塊，該模塊提供 72 個輸入點和 48 個輸出點。C5225立式車床左刀架的運動是由數控系統控制的，無需 PLC編程控制。而 MCP 面板、急停、手持單元的程序都是從 828D 子程序庫中調用。油泵電機、橫梁電機、右刀架快速電機、進給電機、主電機的控制程序以及報警文本程序需自己編制。
5 、改造效果
C5225 立式車床改造之后，電氣控制系統運轉正常，左刀架的 Z 軸和 X 軸可以聯動，可以加工球面瓦等類似的工件，而且電控系統穩定，無故障發生，可以實現 9 項功能，達到了數控化改造的預期目標。
（1）左刀架的進給軸 X 軸和 Z 軸可以實現聯動，具備直線插補和圓弧插補的功能，可以加工具有復雜曲面的零件。
（2）可以用 Mini 手持單元控制左刀架的進給軸，使得操作者手動操作更加靈活，對刀變得更加容易。
（3）保留了右刀架的功能，可以作為常規加工使用或備用。
（4）增加變頻器控制主軸，使得主軸的控制更加安全可靠，而且可以實現主軸在擋位上的無極調速。
（5）主軸的操作更加方便，既可以在懸掛面板操作，也可以在 MCP 面板上操作。
（6）可以在 HMI 上看到主軸的擋位顯示。
（7）增加了模擬主軸的功能，可以通過編程指令實現主軸的自動換擋和運動控制。
（8）在 HMI 上創建了報警文本，可以方便快速的發現機床故障，縮短了故障排除時間。
（9）在機床左刀架安裝精密行程開關，使機床運行更加安全可靠。
來源：1.洛陽中重設備工程工具有限責任公司 2.中信重工機械股份有限公司
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