采用先進的西門子802D數控系統和體積小、性能好、調試方便的數字式交流伺服系統，對某企業的一臺瑞士生產的老式數控凸輪銑床進行了數控化改造，達到了舊設備充分利用、節約資金的目的。本文主要介紹了數控凸輪機床的改造步驟和改造過程中的關鍵技術問題。 1 引言 機床數控化改造涉及機械、電氣、計算機、伺服系統等諸多技術，是一項綜合性較強的工作。機床的數控改造在國外已形成產業，在國內，傳統機床的數控化改造也得到高度重視并已開始實施。在機械制造領域，機床的數控化改造具有非常重要的意義，一方面能夠提高機床的數控化程度，另一方面可以節約資金。本文針對某企業的凸輪銑床的數控系統和伺服系統進行改造。原數控凸輪銑床為瑞士Strausak公司生產，其數控系統采用GE公司生產的控制系統。由于該控制系統為20世紀70年代產品，技術上相對落后，操作編程繁瑣，故障頻繁，工作不可靠，已經不能正常加工零件。原凸輪銑床的主要技術參數如表1所示。 在改造前，首先進行了經濟性分析，如果購置一臺新的具有同種功能的機床，需資金30-50萬元人民幣，而對該機床進行改造，所需成本為10萬元人民幣以下，不到新設備的1/3，因此，值得改造。同時，可以減少閑置設備。其次，我們對該機床的機械傳動部分即主軸、導軌、絲杠進行了檢測，發現基本上沒有磨損，具有良好的精度，通過改造完全可以達到精度要求。 2 制定改造方案 對于一臺數控機床，它的功能有兩類：一類是數控系統制造商提供的功能，如人機界面、程序輸入、編輯、存儲、圖形功能，刀補以及坐標系零點設置功能。另一類功能是機床廠或系統集成商根據數控系統制造商提供的窗口二次開發后形成的功能。它主要通過機床操作面板和可編程控制器軟件提供。例如，啟動、停止、手動操作、速度超調、主軸啟停、冷卻潤滑開關等。對最終用戶而言，往往沒有必要分清到底是哪一類功能。應該說第一類功能是剛性的，而第二類功能是柔性的，是可以增刪的。數控化改造的過程其重點是第二類功能的形成過程。通過數控系統提供的PLC應用軟件，結合實際的控制要求，聯接機床及操作面板上的按鈕到PLC的I/O口。對機床進行正確的控制，才是數控化改造的關鍵問題。 2.1 硬件系統分析與改造方案 對原機床的操作過程、控制順序、邏輯關系進行深入的剖析是確定改造方案的前提。原控制系統的主軸是通過變頻器控制的，其它輔助功能是通過繼電器控制的，控制部分體積大，電氣老化，不能正常工作。經過分析，保留機床的冷卻、潤滑系統。主軸仍采用原變頻器控制。只是把冷卻潤滑及變頻器的控制按鈕接人新的數控系統的I/O口，使控制一體化。對于進給軸，決定采用德國SIEMENS公司SINUMER-IK802D數控系統和SIMODRIVE611驅動系統進行控制。 SINUMERIK802D將所有CNC、PLC、HMI和通訊任務集成于一體。免維護的硬件集成了PROFIBUS接口用于驅動和I/O模塊并具有速裝結構的超薄操作面板。SINUMERIK802D是基于PROFIBUS總線的數控系統。輸入輸出信號是通過PROFIBUS傳送的，位置調節（速度給定和位置反饋信號）也是通過PROFIBUS完成的。SINUMERIK802D可控制最多4個數字進給軸和1個主軸。 SIMODRIVE611是一種功能可配置的驅動系統，具有模塊化設計和PROFIBUS接口，因而各軸驅動的功率可獨立配置，與SINUMERIK802D能夠構成理想的組合。使用SIMODRIVE611，能夠提供一種全數字化的驅動系統來滿足機床在動態響應、速度調整范圍和旋轉精度特性等方面的要求。由于驅動系統為模塊化設計，各驅動器可獨立優化至其最佳狀態。進給軸選用1FK6電機驅動。1FK6交流伺服電機是永磁同步電機，帶有內裝光電編碼器，電機按照無外部冷卻設計，熱量通過電機表面散發。 [align=center] 表1 凸輪銑床的主要技術[/align] 數控凸輪銑的運動如圖1所示，3個進給軸X、Y、Z既可以單獨運動又可以聯動，其中X、Z實現直線運動，Y軸實現旋轉運動，共同實現凸輪銑床加工所要求的運動。主軸由變頻器單獨控制。控制面板實現急停、啟動、停止、潤滑冷卻等功能。具體實現時考慮以下幾個方面： （1）改造后的機床界面友好，方便操作； （2）對原機床電器柜內的繼電器、直流電源、空氣開關、熔斷器和接線排等予以保留，并根據需要稍作變動； （3）在設計新的機床面板時盡量考慮保持原機床面板操作開關及按鈕的功能設置，以方便操作人員使用。 [align=center] 圖2 電氣連接簡圖[/align] 機床的電氣系統如圖2所示，其中SIMODRIVE 611驅動器聯接3個型號為1FK6、帶有光電編碼器的交流伺服電機，控制凸輪銑床的X、Y、Z軸的進給運動。該數控系統是一個半閉環系統，因為伺服電機上的編碼器將信號直接反饋給CNC系統，既作為位置反饋，又作為速度反饋，CNC發出的速度指令送人SIMODRIVE611驅動單元。 2.2 系統軟件設計 系統軟件如插補、伺服、譯碼、數據處理等模塊由西門子802D提供，用戶只需在機床調試時輸入相關的參數。PLC應用程序是軟件開發的關鍵，它完成數控機床的MST功能，即除了主運動以外的輔助功能。PLC軟件結構如圖3所示。 [align=center] 圖3 PLC軟件結構圖[/align] 2.3 機床調試 調試是數控化改造的最后一個步驟，一般包括功能性調試及試切兩個方面。 2.3.1 功能性調試 在面板制作完畢，所有硬件安裝到位，PLC應用程序及機床參數編制完畢后就可以開始調試。調試的目的是數控系統和機床的適配。數控原理中把控制分為主運動（坐標軸）控制和輔助功能控制兩部分，相應地功能性調試亦可分為坐標軸運動的調試和輔助功能調試兩部分。 對于西門子802D系統，當各個部件連接完畢后，則需開始調試PLC的控制邏輯。 至關重要的是必須在所有有關PLC的安全功能全部準確無誤后，才能開始調試驅動器和802D參數的調試。 當PLC應用程序正確無誤后，即可進入驅動器的調試。其中調試過程包括下列內容：首先利用準備好的驅動器調試電纜將計算機與611UE的X471連接起來，然后調用驅動器調試工具，最后配置電機參數并調試。驅動器調試完成后，必須對NC系統即802D進行調試。首先對802D基本參數設定，參數包括線配置、驅動器模塊定位、位置控制使能、傳動系統參數配比、驅動器參數優化、坐標速度和加速度、位置環增益。 在進行坐標軸運動（主運動）調試前，考慮到安全性，我們做了以下工作： （1）檢查緊停開關和各坐標軸限位開關，確保其處于工作正常狀態。 （2）使各坐標軸運動部件處于中間。 （3）將刀具、卡具和部件均卸下。 （4）將主軸和進給速度超調開關位置調低，避免高速運動發生危險。 坐標軸運動的調試首先從手動開始，注意各坐標軸運動方向及其坐標值的大小和定義的量是否一致，不一致時應調整機床參數。在主軸和坐標軸運動前，應檢查潤滑系統和冷卻系統是否正常工作，以免損壞機床，在所有功能及手動運動正常后才能進行自動方式運行。 2.3.2 試切 試切零件應選擇能反映機床性能的形狀，該機床為凸輪銑，我們用它加工一批7級精度的凸輪，加工完后用三坐標測量機對工件進行檢查。通過試切，證明了該數控系統的功能完備，能夠滿足凸輪加工的精度要求。 2.3.3 數據備份 在系統調試完畢后，進行數據備份是十分重要的。Sinumerik802D提供了多種數據備份的方法。首先將數據備份在系統內部，同時可將數據外部備份。 2.4 機床驗收 經過調試后，對機床進行精度檢驗。精度記錄如表2。 [align=center] 表2 機床改造后的精度[/align] 3 結束語 運用西門子Sinumerik802D數控系統以及SIMODRIVE611驅動系統，對瑞士Strausak公司生產的凸輪銑床進行了數控改造，不僅使這臺舊設備能重新投入使用，而且使機床的操作更加方便。到目前為止，該設備工作穩定，能夠滿足凸輪加工要求，不僅為企業節約了成本，而且為企業帶來了一定的經濟效益。