数控机床改造方案的选择

1、精品文档你我共享数控机床改造方案的选择近年来，随着国内各种类型机床改造需求的扩大， 机床改造已经逐渐形成了一个产业， 其中绝大部分是数控机床的改造， 也有一部分业务来自非数控机床的升级改造。 作为一个稳步发展的专业公司， 我们在运用西门子系统， 进行数控机床改造以及为机床厂提供设计服务两个方面， 取得了比较大的成果， 已经跻身国内前列，去年，我们公司获得了中机维协颁布的国家 A 级维修改造资质企业认证证书。在改造实践中，我们始终认为一个好的改造方案是改造成功的重要基础，并在这个环节严格把关，保证了改造的成功实施；而且这个环节看似简单，实际包涵了很重要的内容， 对于自己对系统的了解熟悉、 以往维

2、修改造的基础都有很高的要求。本文将就改造方案的选择进行阐述， 分析每一个步骤的具体内容，供大家参考。一、 现代数控驱动产品带来丰富的选择作为西门子数控产品的核心代理和系统集成商， 我们这些年来主要采用西门子产品为广大用户提供服务。西门子产品的更新也在最近几年出现了新气象，改变了过去德国电气产品贵而娇气的形象， 形成了与日本数控产品双雄整天下的局面。表 1西门子主流数控系统对照表802S802C802D810D840D840D840CCCU1NCU 571NCU 572/3测量回路445663130数进给轴3/13/14/16/1+16/631/3130/6主轴驱动步进驱611A/U611U61

3、1D611D611D611A/D系统动线性插补333444/125轴通道11112106精品文档你我共享数PLC64/6464/64144/96768/7682048/20482048/20481024/1024最大I/OPLCS7-300S7-300S7-300编程 S7-200S7-200S7-200CPU 314CPUCPUS5 135WB2315-2DP315-2DP中文YESYESYESYESYESYESNO环境龙门同步NONONONONOYESYES轴同时程序输入YESYESYESYESYESYESYES和执行零件程序区0.25M0.25M0.25M0.25/1.5M0.25/1.

4、5M2.5M2.7MB基本/ 最大手持YESYESYESYESYESYESYES单元等离子单YESYESYESYESYESYESYES显等离子彩NONOYESYESYESYESYES显HMINONONOYESYESYESYES带硬盘3.5'NONONOYESYESYESYES软驱图形NONOYESYESYESYESYES精品文档你我共享模拟屏幕保护NONONO自动自动自动自动程序数字化功NONONONONOYESYES能远程NONONOYESYESYESYES诊断极坐NONOYESYESYESYESYES标性能经济型经济型经济型中档型中档型高档型高档型主要适用车 / 铣车 / 铣车 /

5、 铣车/铣/磨铣/磨/冲镗/ 铣/ 磨/加工中心机床冲类型下面逐一加以剖析1、 SINUMERIK 802S/C 系统：802S和 802C系统标准配置包具备了所有的必要组成单元 : NC, PLC, 操作面板 , 机床控制面板 , 输入 / 输出单元及系统软件 . 操作编程极其简便、免维护、性能价格比高，是专门为低端 CNC机床市场而开发的经济型 CNC控制系统。在中国的销售非常成功。802S/C 两个系统具有同样的显示器， 操作面板，数控功能， PLC编程方法等，所不同的只是 SINUMERIK 802S带有步进驱动系统，控制步进电机，可带3 个步进驱动轴及一个 +/- 10V 模拟伺服主

6、轴； SINUMERIK 802C带有伺服驱动系统 , 它采用传统的模拟伺服 +/- 10V 接口 , 最多可带 3 个伺服驱动轴及一个伺服主轴。最新推出的 802Se/Ce , 更是将 CPU、输入输出点、控制接口等所有部件集成在面板背后， 一体化的设计使得使用维护更为方便。 因此 802S和 802C系统非常适合于普通机床、 数显机床的数控化改造以及低档数控机床的数控配套和改造。我们曾经应用的场合有数控车床、数控镗铣床、数控磨床、枪钻机床、专机等。其中 SINUMERIK802C在车 / 铣加工应用技术上具有优势， 配的是新型的西门子 SIMODRIVE 611U，这种系统甚至可以连接 3

7、 个坐标轴的光栅尺，形成闭环控制，所以我们也曾把它应用在座标镗床、坐标磨床，性能价格比很高。精品文档你我共享2、SINUMERIK 802D系统：西门子公司在新世纪推出了 802D数控系统。该系统属于中低档系统，其特点是：全数字驱动，中文系统，结构简单 ( 通过 Profibus 连接系统面板， I/O 模块和 伺服驱动系统。 ) 调试简单 ( 通过 PCMCIA卡批量调试 ) 。具有免维护性能的 SINUMERIK802D 核心部件 - 控制面板单元（ PCU）具有 CNC、PLC、人机界面和通讯等功能，集成的 PC硬件可使用户非常容易地将控制系统安装在机床上。SINUMERIK802D可控

8、制 4 个数字进给轴和 1 个主轴。主轴完全通过 PCU 控制，既有数字接口，也可通过模拟接口控制。使用 Profibus 总线可非常简洁地将伺服和 I/O 模块等系统各部件直接相连。模块化的驱动装置 SIMODRIVE611UE可以根据数控车床或数控铣床的需要配置各种驱动和电机，强大的 Windows 工具可非常轻松地设置驱动参数， 位置测量可用电机端编码器， 也可以选用光栅尺， SINUMERIK 802D具有功能强大的 PLC-SIMATIC S7-200，其编程工具可运行在任何 PC机上，其诊断功能也非常完善。梯形图编程和经典的 PLC程序举例可非常方便地应用于机床控制。SINUMER

9、IK 802D系统虽属于低档系统但是基本上已经是标准的数控系统，最适合于数控车床、 铣床、磨床和带小型刀库的数控加工中心的配套及改造。3、SINUMERIK 840D/810D/840Di 系统：840D/810D是几乎同时推出的，具有非常高的系统一致性，显示 / 操作面板，机床操作面板STEP7-300PLC输入 / 输出模块， PLC编程语言数控系统操作，工件程序编程，参数设定，诊断等伺服驱动的许多部件由于以上的特点，该系列产品在许多企业应用及其广泛，尤其在汽车，航空，机械等行业。采用 810D/840D系统， S7300，Profibus ，HMI等产品，客户的利益得到了非常好的维护：操

10、作的一致性，编程的一致性，备件的一致性，培训，维修方便等，都可显示中文。A、 SINUMERIK840D，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。 840D与 SINUMERIK 611D数字驱动系统和 SIMATIC S7可编程控制器一起，构成全数字控制系统。它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。 标准控制系统的特征是具有大量的控制功能，如钻削、车削、铣削、磨削以及特殊控制，这些功能在使用中不会有任何相互影响。由于开放的结构， 这个完整的系统也适于其它技术如剪切、冲压和激光加工等。精品文档你我共享SINUMERIK 840D的突出之处在于其不断扩

11、展的特性。其自学习、自优化系统使系统的调整时间大为缩短。精调也可按机床用户的要求简单自动地进行。远程诊断使其故障的分析解决更加方便快捷。SINUMERIK840D最大限度集成在与 SIMODRIVE611 控制模块相同的 50mm宽框架中，将 SINUMERIK840D， SIMODRIVE611D，加上先进的 SIMATICS7 系统，即为机床的自动化提供了全方位的解决方案： 全数字化的系统、革新的系统结构、更高的控制品质、 更高的系统分辨率以及更短的采样时间， 确保了一流的工件质量。840D采用了当今最先进的控制概念、适用于钻削、铣削以及车削和磨削机床加工的控制。 例如，具有数控系统和SI

12、MODRIVE间数字通讯的车床可以达到磨床的加工精度。SINUMERIK 840D还可以实现许多特殊的NC功能，这在同类系统中是难以看到的。B、 SINUMERIK810D是 840D的 CNC和驱动控制集成型， NCCPU和驱动集成在在一块板子上， 驱动的功率部分又可提供 3 个坐标和 2 个坐标两种。简单来说，也就是 SINUMERIK 810D系统没有驱动接口， SINUMERIK 810D NC软件选件的基本包含了 840D的全部功能，例如：1） 同样的钻、铣、车等加工循环；2） 提前预测功能，可以在集成控制系统上实现快速控制；3） 坐标变换功能；4） 固定点停止可以用来卡紧工件或定义

13、简单参考点；5） 模拟量控制控制模拟信号输出；6） 刀具管理也是另一种功能强大的管理软件选件；7） 样条插补功能 (A， B， C样条 ) 用来产生平滑过渡；8） 压缩功能用来压缩NC记录；9） 多项式插补功能可以提高SINUMERIK 810D/810DE运行速度；10） 温度补偿功能保证您的数控系统在这种高技术、高速度运行状态下保持正常温度；由此可见 SINUMERIK810D的功能和选件非常强大，并不低于 840D，只是它的应用场合有其特殊性， 合理的利用它内部集成的驱动系统， 可以减少成本并且获得高性能。 因而它不仅仅局限于数控机床配套， 在木加工、 石材处理或包装机械等行业也有广阔的

14、应用前景。在我们的改造实践中，近 2 年来，运用最多的就是 SINUMERIK 840D/810D，尤其是 810D在强力磨床、外圆磨床、瓦楞辊磨床等机型应用上，颇有心得。最近随着采用 PROFIBUS-DP现场总线结构西门子 840Di 系统的推出，我们又多了一种颇有竞争力的选择：精品文档你我共享1） 全 PC集成的 SINUMERIK 840Di数控系统为您提供了一个基于PC的新潮的控制概念。得益于此概念的主要用是那些以某种方式使用了PC的场合或者使用分布式驱动和 I/O 的自控方案。应用领域包括木制品，玻璃，制陶，包装，贴片机，冲压机，弯曲机，以及各种机床和类似机床的机械。 除了高度的软

15、、硬件开放性， SINUMERIK 840Di的显著特点是， CNC控制控制功能与 HMI 功能一起都在 PC处理器上运行。 也就是说，可以省略传统控制系统中所需的 NC处理单元。这种控制系统包含大量的标准化部件： 带接口卡的工业 PC机，PROFIBUS-DP， Windows NT操作系统， OPC（用于过程控制的 OLE）用接口和 NC控制软件。2） SINUMERIK 840Di可提供给您的还很多。特别有利的是其在SINUMERIK家庭中的地位。例如， SINUMERIK840D与 SINUMERIK Di 的 NC 和 PLC功能，操作者功能和机床数据是兼容的。相应的 NC程序和 P

16、LC程序在这两个系统上都可运行。而且由于系统高度开放， 软件应用可同样适用于两个系统。 SINUMERIK 840Di是 SIMATIC和 SIMODRIVE自动化控制环境的一部分。3） 利用 PROFIBUS-DP实现分布式配置。 如今系统朝着分布式方向发展的趋势是十分明显的。 而 SINUMERIK840Di 的另一个重要特点就是带有位置控制的 PROFIBUS-DP。這是一种用于驱动和 I/O 的统一的现场总线。它允许数个系统实现分布式配置。4） SIMATIC ProTool/Pro 配置工具加上附属的“ SINUMERIK ProTool/Pro 选件”为您提供了特殊便利。即，用户可

17、利用其来生成自己专用的用户界面而不必掌握额外的软件技能。5） 全部功能集于同一模块，实现最佳通讯。 MCI板是一块 PCI 式的插板。该模块包含了集成的 SIMATIC S7 315-2 DP PLC-CPU及用于 MPI( 多接口 ) 和PROFIBUSDP接口接和 I/O 。可连接 SIMODRIVE611通用型驱动装置。 SIMATICDP ET200模块则可作为 I/O 。4、SINUMERIK 840C系统：SINUMERIK 840C系统一直雄居世界数控系统水平之首，内装功能强大的 PLC 135WB2，可以控制 SIMODRIVE 611A/D模拟式或数字式交流驱动系统，适合于高

18、复杂度的数控机床。 虽然已经推出很多年， 但依然表现良好， 深受用户欢迎。我们的应用主要是在复杂的数控镗铣床、 加工中心、龙门加工中心、 五面体加工中心、高档磨床。表 2SINUMERIK 840C功能表显示操作屏幕显示分为 5 个操作范围 ( 区域 )精品文档你我共享运行状态文字显示机床控制面板和带 LED的用户按键图形编程 ( 固定循环参数编程 )多通道显示显示器暗置双溜板显示铣削程序模拟运行方式自动中断或暂停后继续自动运行方式在自动或调整方式下存入 参数在自动运行方式下 , 下述操作操作的影响JOG方式 ( 调整 )示数MDA(手动输入 )预置 , 设定新的坐标参考点运行方式可通过机床功

19、能补充机床主轴配量主轴功能软件包主轴变换通道和运行方式组的机床配置一个 CNC通道一个运行方式组通道结构 : 和 NC轴或插补轨迹同时异步运行把插补通道分成运行方式组热起动适应于运动过程的机床配置14 个软件按键支持的软件菜单操作操作面板禁止操作面板转换机床操作面板的钥匙开关不用操作面板和NC全键盘操作内装文本编辑器 , 可方便地进行文字编辑机床进给轴配置车、铣加工输入系统 : 公制或英制；机床 : 公制或英制公制或英制转换输入单位可选测量系统精度可由适配因子和位置控制精度相适应位置控制精度和输入单位无关并可选择程序范围为 +/-8 位数取决于输入单位和位置控制精度 ,位置控制输出：最大+/-

20、10v/2mA进给和快进：最小进给量mm/分 $10X 输入单位5 个测量回路功能用于伺服轴和主轴15 个测量回路功能用于伺服轴和主轴 ( 最大 6 个主轴 )轴的地址可由机床数据位选择轴特殊的采样时间轴的特殊精度根据程序钥匙对轴任意编址轴的跟随运行程序试运行 , 不启动机床或仅带一个轴运行程序扩展地址 , 例如用 Q1$, Q2$, Q3$标记辅助轴精品文档你我共享直线与圆弧插补3D插补 , 螺旋线插补和独立的进给轴同时定位加权因子校正和补偿进给修调0%-120%(0%-130%内部 )快进修调 0%-100%主轴速度修调50%-120%(0%-150%内部 )每轴可存 4 个零点偏置每轴可

21、存 4 个附加零点偏置每轴有 2 个可编程零点偏置CNC编程在加工过程中同时编程在加工过程中可同时进行程序和 PLC报警文本复制 , 删除和编辑在程序中加注释主程序号 4 位 +进制数每个程序段 ,3 个 M功能子程序技术子程序号 4 位 +进制数扩展地址方式程序跳转 GOTO, CASE, IF THEN ELSE, WHILE图形支持的轮廓编程图形支持的车削和铣削标准循环圆弧半径直接编程灵活的平面选择绝对地址与相对地址编程极坐标编程参数技术坐标变换 TRANSMIT用于车床上的车 / 铣方式变换无限制转动的旋转轴双溜板或双主轴结构高精度的旋转轴轴变换外部附加的零点偏置刀具补偿包括 819

22、个刀补段 , 包括刀具号 , 刀具类型 , 几何长度 , 磨损情况 , 基本尺寸5 轴刀具长度补偿 ( 和 5 轴线性插补相关 )切削半径 / 铣削半径轨迹补偿每个轴的间隙补偿补偿PLC编程STEP 5 编程语言 , 具有丰富的指令库编程方式可用AWL,KOP,FUP和 GRAPH 5在 CNC和 PLC之间宽接口用于数据快速交换所有线性轴路径镜象1024 个输入点1024 个输出点128 个计时器 , 时间范围0.01 秒 -9990 秒128 个计数器 , 计数范围0-9991024 个标志程序结构通过 PLC给出 CNC轴路径通过 PLC进行换刀和刀库控制备用刀具功能块调用PLC中 25

23、6 个定时器 256 个计数器精品文档你我共享存储器结构数据交换在硬盘中可存 32000 个程通用串行接口序( 取决于存储器结构 )RS232C(V-24)TTY(20mA),参CNC用-户存储器中数可设置 9600 波特1MbyteRAM为加工子程序使在加工时可同时读入和输用出程序及 PLC报警信息硬盘上 5Mbyte 中央用户功能全面的文件管理方式存储器根据工件的数据处理PLC用户程序存储器用一条指令存入 / 取出一32Kbyte(RAM)个工件的所有数据和程序PLC-用户数据存储器用一条指令存入多个的工8Kbyte(RAM)件通过文字提示来设置接口安全功能测量回路 , 温度 , 电池 ,

24、 电压 , 存储器 , 极限开关 , 通风设备进行永久性的安全监控接口诊断存储所有硬件报警服务记录( 带日期和时间 )5、与数控系统相配套地西门子先进的交流驱动系统SIMODRIVE交流驱动系统采用了统一的伺服控制技术， 进给伺服电机扭矩从 0.33Nm至 185Nm,交流主轴电机从 3.7KW-100KW。适应不同的驱动系统解决方案。SIMODRIVE611A:模拟式伺服，配合1FT5 系列进给驱动电机 (600V) 和1PH7主轴电机 ,可控制主轴，进给轴，及普通异步电机。SIMODRIVE 611D:数字式伺服，配合 1FT6/1FK6 系列进给驱动电机和1PH7主轴电机， 可控制主轴，

25、进给轴等。 只能配合 810D、840D、840C数控系统。SIMODRIVE 611U:可接收模拟信号或数字信号 (Profibus), 可以进行位置控制，速度控制及转矩控制。配合 1FT6，1FK6和 1PH7电机。是理想的驱动系统解决方案之一。二、改造对象的全面调查：精品文档你我共享1 、 机床的来源及改造需求1） 进口数控机床： 80 年代以来我国政府为满足军工生产需要，进口了大量的数控机床， 尤其在航空、兵器等行业，这些机床基本都是精密高档设备，绝大部分是当时的所谓部管设备。 这些机床已经到了电气升级换代的时候， 前几年由于机械行业的不景气， 改造工作欠债很多， 大部分此类机床面临电

26、气备件的匮乏，甚至已经处于停机状态，不改造是没有出路的。2） 进口二手数控机床： 近年来，这类机床由于多为企业考虑生产实际需要，自筹资金进口，相对采购成本较低，进口量比较大，其中有些机床进口时就考虑了改造的要求，有些则是进口后，运行了一段时间候就面临着改造的需求。3） 国产数控机床：我国自 90 年以后生产的数控机床，大多为中低档数控机床，也同样面临电气系统老化，需要改造，4） 普通机床：我国大量的普通机床应用于生产第一线，这几年，国家加大了对这类机床的改造力度，国防科工委更是推行了万台机床数控化计划，车床、铣床的数控化改造需求量很大。另外则是有些特殊类型或者大型普通机床，由于本身特点以及良好

27、的机械基础，具有生机改造的价值。上述 4 大类中， 1、 2 类的改造需求大多是中高档系统， 3、4 类则是中低档数控系统比较理想的改造对象。2、 改造对象的现状调查对于数控机床的改造， 我们将从以下几个方面加以详细调查， 以制定相应的改造方案：1） 数控系统的分析：数控机床改造，首当其冲的是系统的改造， 根据我们的调查，老系统有：西门子： SINUMERIK 7，3，8，850/880 ，810（早期型号）发那科： FANUC ，7 6， 3这两大品牌的系统占有了目前我国目前老数控机床的绝大多数， 目前多数系统的电气备件已经停止供货， 改造时候基本上不考虑保留老系统， 我们采取的方案是根据机

28、床的现有控制等级、 产品生产要求、 企业资金状况， 选择相应的低、中、高档系统。这些系统大部分带有老型号的 PLC逻辑控制系统，在改造方案的制定中，要考虑新老系统替换时候的差别， 对 PLC部分输入输点的数量和性质作出比较精确的估算。2） 老主轴伺服系统的价值分析和改造方案改造对象的主轴系统有两大类：直流伺服主轴和交流伺服主轴精品文档你我共享改造方案如下：保留驱动装置和电机： 老的主轴伺服采用的基本都是 +/-10V 的模拟信号接口，对于状态良好、价值很高的主轴可以采用保留的方案，适用的系统有： SINUMERK 802C、802D、810D、840D、840Di， 840C。只保留直流主轴电

29、机：有些大型机床主轴电机功率相当大， 价格比较贵、安装比较麻烦，同时电机状况良好， 这个时候可以采用保留电机， 改造驱动系统，采用西门子新的直流伺服控制装置 6RA70替代劳驱动装置，适用的系统有：SINUMERK 802C、802D、810D、840D、840Di， 840C。不保留驱动装置和电机： 采用西门子新型 1PH系列主轴电机和相应的驱动装置替代老电机和驱动装置。3） 老进给伺服系统的价值分析和改造方案：保留驱动装置和电机： 同样，老的进给伺服采用的基本都是 +/-10V 的模拟信号接口，对于状态良好、价值很高的进给装置和电机可以采用保留的方案，适用的系统有： SINUMERK 80

30、2C、802D、810D、840D、840Di， 840C。不保留驱动装置和电机： 采用西门子新型 1FK6/7 1FT6 1FE1 系列进给轴电机和相应的驱动装置替代老电机和驱动装置。4） 测量系统系统的价值分析和改造方案：旋转变压器： 基本不能保留，可以采用新型旋转编码器替代感应同步器 / 尺：感应同步器 / 尺的情况略为复杂一些， 我们采取的对策是能够改掉尽量改掉，用新型海德汉光栅尺和圆光栅加以替代。 但是在某些场合，如精密转台，会面临新的圆光栅安装不能实施的难题。 西门子为此提供了感应同步器 / 尺信号到新系统的转换装置，但是这个装置的价格比较昂贵，非到万不得已不选用。光栅尺：我们接触

31、的进口机床大部分采用海德汉光栅尺， 对于这些老尺子，其中方波信号可适用的新系统有： SINUMERK 802C、840C、电压信号适用的新系统有： SINUMERK802C、802D、810D、840D、840Di， 840C。但是大量的老尺子的信号是电流信号： 西门子和海德汉分别提供了电流信号到电压信号的转换装置，而且价格不太贵。5） 其他电气相关部件电气柜、操作站：很多情况下，用户会提出电柜改造的问题，对此我们和用户会做充分的交流，按照电气控制柜以及柜内元器件的状态作出合理的选择。一般来讲，进口数控机床电气柜以及柜内的元器件即便使用了相当年限，也精品文档你我共享要比国产的甚至是合资的元器件

32、状态好， 所以在改造高档进口数控机床一般电气柜不作大拆大改。一些二手机床的电气柜状态比较差， 或者用户认为电气柜元器件故障率太高都可以采取全套更换的方式，采用 RITTAL或者相当的国际名牌还是国产合资品牌，取决于用户的投入。数控操作站可以是改造给人的第一印象，所以在用户资金许可的前提下，尽量选用西门子配套的国际名牌，如MECANO等品牌，质量和外观都能与进口机床匹敌。电缆：在方案指定初期就按照电气相应方案测定需要的电缆长度， 在我们的改造项目中， 凡是与数控驱动测量系统直接相关的电缆， 我们只选择原装电缆，但是大型主轴电机的电力电缆由于价格过于高昂，而不考虑原装电缆。外围元器件：除了老化和损坏的外围元器件， 一般我们不建议用户更换外围元器件。有个情况除外，少部分机床采用了交流 110V 电气元件，而新系统又无法与之匹配。6） 原始资料：机床的原始资料是我们了解机床出厂状况的最基本资料， 其中电气原理图、电气维修手册、控制程序，都是我们需要仔细研究的。特别需要注意的是原始资料提供的