某鋼廠輥環(huán)磨型號(hào)為 HSF2CNC，磨削工件規(guī)格為Φ100 ～ Φ320 mm，由德國(guó)赫克力斯( Herkules) 公司 1994年制造。該機(jī)床目前機(jī)械部分性能良好，加工效率明顯高于其它同類機(jī)床，是關(guān)鍵設(shè)備。但是該設(shè)備近年控制系統(tǒng)故障較多，已進(jìn)行多次維修。由于電氣元件更新?lián)Q代太快，原系統(tǒng)采用的元件都已淘汰，備件供應(yīng)十分困難?，F(xiàn)在面臨無(wú)件可換的問(wèn)題，機(jī)床隨時(shí)可能故障停機(jī)。為解決上述問(wèn)題，我們針對(duì)磨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行改造。

1 改造選型設(shè)計(jì)

　　該機(jī)床控制軸數(shù): 4 軸精密進(jìn)給控制，分別是: 旋轉(zhuǎn)軸 w，傾斜微進(jìn)給軸 c，橫向進(jìn)給 z 軸及垂向進(jìn)給 x軸。這 4 軸采用交流永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可精密調(diào)速。機(jī)床主軸為三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不調(diào)速結(jié)構(gòu)。還有磨削冷卻、液壓驅(qū)動(dòng)、主軸潤(rùn)滑、液壓油冷卻等輔助功能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)共 4 臺(tái)。

　　根據(jù)輥環(huán)磨床的特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境、伺服電動(dòng)機(jī)等條件，提出性價(jià)比相對(duì)較高的方案，采用支持深度用戶定制的西門子 840Di 數(shù)控系統(tǒng)，按照原機(jī)功能和操作習(xí)慣對(duì)標(biāo)準(zhǔn) 840D 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使通用系統(tǒng)變成專用系統(tǒng)。這一方案秉承了赫克力斯( Herkules) 公司對(duì)機(jī)床的設(shè)計(jì)理念，讓新的控制系統(tǒng)與原機(jī)床良好匹配; 保持了機(jī)床專用的特性，能夠和原系統(tǒng)一樣將機(jī)床的加工效率發(fā)揮到理想狀態(tài)。同時(shí)該機(jī)床還可以成為一臺(tái)通用的數(shù)控磨床。采用這一方案有以下特點(diǎn):

　　(1) 只能選用高檔的 840Di 數(shù)控系統(tǒng)，費(fèi)用較高。

　　(2) 二次開(kāi)發(fā)工作量較大，準(zhǔn)備時(shí)間需增加 50 ～60 天。

　　(3) 系統(tǒng)更新后是一臺(tái)專用數(shù)控機(jī)床，有加工輥環(huán)的專用程序和工藝畫面，對(duì)不同工件只需在屏幕上選對(duì)應(yīng)的加工菜單即可，對(duì)操作人員要求較低。

　　(4) 無(wú)需編制工件加工程序，對(duì)小批量多品種加工效率較高。

　　(5) 操作方便性基本與原設(shè)備一致，對(duì)有金屬切削機(jī)床操作經(jīng)驗(yàn)的操作人員只需進(jìn)行簡(jiǎn)單操作培訓(xùn)即可上崗。

　　(6) 無(wú)需計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)。

　　新系統(tǒng)取代原有電氣控制元件，重新配制電氣控制柜。改造后磨床有兩個(gè)主軸和兩個(gè)進(jìn)給軸，并重新編寫 PLC 邏輯控制程序和 NC 加工程序，保證了機(jī)床動(dòng)作順序，能很好地進(jìn)行磨加工。具體原理圖如圖 1所示。

2 西門子 840Di 數(shù)控系統(tǒng)

　　西門子數(shù)控系統(tǒng) SINUMERIK 840Di 是 1 個(gè)完整的 PC 集成式數(shù)控系統(tǒng)。就硬件和軟件而言，控制都是開(kāi)放式的?？梢允?PLC 和驅(qū)動(dòng)分布式自動(dòng)化解決。SINUMERIK 840Di 應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域覆蓋了從簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制功能( 定位和直線插補(bǔ)) 到木材加工、機(jī)床搬運(yùn)組裝以及與機(jī)床有關(guān)的功能等領(lǐng)域。SINUMERIK840Di 由工業(yè) PC PCU 50、MCI 板卡和用于 6、10 或 18根軸的系統(tǒng)軟件組成。MCI 板卡上的 PROFIBUS DP接口可以允許連接驅(qū)動(dòng)裝置和 I/O。具有運(yùn)動(dòng)控制功能的 PROFIBUS DP( 等時(shí)模式和等距) 以 12 Mbit/s 傳輸速率運(yùn)行。SINUMEＲIK 840Di Startup 包括在系統(tǒng)軟件內(nèi)。Startup 是一種 Windows 程序，易于熟悉 SINUMERIK 840Di，可簡(jiǎn)化操作步驟以及用戶程序的創(chuàng)建和選擇，極大地方便了機(jī)床的操作與維護(hù)。機(jī)床老的軟件系統(tǒng)為赫克力斯公司在 DOS 操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，使用的硬盤為 IBM 公司506 硬盤。這一套系統(tǒng)目前已淘汰，修復(fù)困難。新的軟件系統(tǒng)為西門子公司基于Windows XP 開(kāi)發(fā)的最新的840Di 標(biāo)準(zhǔn)軟件，與老軟件系統(tǒng)相比，新的軟件系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

　　(1) 新系統(tǒng)以 SINUMERIK 840Di 標(biāo)準(zhǔn)軟件為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高針對(duì)性的二次開(kāi)發(fā)，使用全中文人機(jī)對(duì)話界面，機(jī)床在系統(tǒng)更新后的操作界面友好、直觀、方便。

　　(2) 經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)后的操作系統(tǒng)，加工特定工件時(shí)，不需要操作人員進(jìn)行G 代碼編程，操作人員在HMI 上直接輸入工件加工數(shù)據(jù)，機(jī)床即可自動(dòng)完成工件的加工。

　　(3) 在 SINUMERIK 840Di 標(biāo)準(zhǔn)軟件系統(tǒng)上，開(kāi)發(fā)機(jī)床加工工件庫(kù)系統(tǒng)，對(duì)于常用工件，操作人員從工件庫(kù)文件內(nèi)調(diào)出工件號(hào)，無(wú)需編輯工件加工數(shù)據(jù)，即可直接對(duì)工件進(jìn)行加工。

　　(4) 數(shù)控系統(tǒng)選用 840Di，顯示器件選用 OP012，操作面板選用 HCP 型，帶手輪，方便對(duì)刀操作。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)和功能描述

　　在整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)改造的過(guò)程中，不能因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的更新而損壞設(shè)備的機(jī)械精度。設(shè)備的機(jī)械精度是工件加工精度得以保證的關(guān)鍵，對(duì)于磨床來(lái)說(shuō)，主軸精度尤其重要。不論使用哪種系統(tǒng)更新方案，對(duì)機(jī)床機(jī)械部分的改動(dòng)和拆卸均是越少越好。原設(shè)備采用的是西門子的伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，選用西門子數(shù)控系統(tǒng)，其電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和控制原理與原機(jī)基本一致，可使電路改動(dòng)最少，可最大限度減少對(duì)機(jī)床機(jī)械部分的改動(dòng)。為延續(xù)赫克力斯( Herkules) 公司輥環(huán)專用磨床的設(shè)計(jì)思路，在西門子 840Di 的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出輥環(huán)磨床專用的控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，功能專一，穩(wěn)定性高。我們?cè)谕悪C(jī)床上使用 840Di 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)后的機(jī)床，一般具有的基本功能如圖 2 所示。

　　在輥環(huán)加工專用功能模式下，操作人員僅需要將所要加工的工件文件調(diào)出，再根據(jù)系統(tǒng)屏幕顯示，輸入幾個(gè)必需的加工參數(shù)，系統(tǒng)即可自動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行加工。新系統(tǒng)正常啟動(dòng)完成后，直接進(jìn)入輥環(huán)工件加工畫面。系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)出上一次加工完成的工件加工工藝及工件編號(hào)、工件圖等數(shù)據(jù)，如操作人員確認(rèn)該工件為當(dāng)前需要加工的工件，按相應(yīng)的按鍵后，即可進(jìn)行對(duì)刀和工件加工。工件加工完成后，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)。在系統(tǒng)啟動(dòng)界面下，按相應(yīng)的功能鍵，可以進(jìn)入和實(shí)現(xiàn)圖 2 所示的功能樹(shù)所描述的功能。所有功能中，參數(shù)調(diào)用指直接調(diào)用已編輯好的工件加工數(shù)據(jù)，進(jìn)入?yún)?shù)編輯功能，可以編輯工件號(hào)及工件加工工藝數(shù)據(jù)。

　　用戶可以在參數(shù)編輯畫面內(nèi)編輯工件加工要素。各個(gè)功能下對(duì)應(yīng)的工件加工要素不同，系統(tǒng)顯示的畫面也不同，這樣做的目的是保證機(jī)床在調(diào)用工件加工參數(shù)時(shí)，所調(diào)用的文件與待加工的工件加工工藝相一致，不會(huì)出現(xiàn)銑削加工時(shí)調(diào)用了磨削加工的工件參數(shù)。相同的工件在編輯“磨削形式 － 深研磨 － 研磨”與“磨削形式 － 外圓磨 － 研磨”的加工參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)顯示的編輯畫面不同，如圖 3 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

　　由于數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)部分必須匹配，在更新時(shí)數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)一起全部更換。數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)采用 SINUMERIK 840Di 系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品是西門子公司近年推出的高性能控制系統(tǒng)，近 10 年不會(huì)被淘汰，西門子公司保證該產(chǎn)品 20 年的備件供應(yīng)。磨床經(jīng)過(guò)數(shù)控改造后通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行證明，應(yīng)用 SINUMERIK 840Di 數(shù)控系統(tǒng)是成功的，生產(chǎn)達(dá)到了預(yù)期效果，為工廠創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟(jì)效益。