控制工程师论坛

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。

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SINUMERIK 802C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。

    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SINUMERIK 802D 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。  
    SINUMERIK 802D可控制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SIMODRIVE 611 UE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。 
    SINUMERIK 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、 SINUMERIK 840D，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。 
    SINUMERIK 840D的突出之处在于其不断扩展的特性。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。 
&    SINUMERIK 840D最大限度集成在与SIMODRIVE 611控制模块相同的50mm宽框架中，将SINUMERIK 840D，SIMODRIVE 611D，加上先进的SIMATIC S7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SIMODRIVE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、 SINUMERIK 810D是840D的CNC和驱动控制集成型，NC CPU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SINUMERIK 810D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： 

    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、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，SINUMERIK 840D与SINUMERIK ８４０Di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PLC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SINUMERIK 840Di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PROFIBUS DP接口接和I/O。可连接SIMODRIVE611通用型驱动装置。SIMATIC DP 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2  SINUMERIK 840C功能表

显示  屏幕显示  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	操作  分为5个操作范围(区域)  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
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S.T.M.H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  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	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+/-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  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
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  每轴可存4个附加零点偏置  每轴有2个可编程零点偏置	外部附加的零点偏置  刀具补偿包括819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
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	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0-999 1024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256个定时器256个计数器
存储器结构  在硬盘中可存32000个程序(取决于存储器结构)  CNC-用户存储器中1MbyteRAM为加工子程序使用  硬盘上5Mbyte中央用户存储器  PLC用户程序存储器32Kbyte(RAM)  PLC-用户数据存储器8Kbyte(RAM)	数据交换  通用串行接口RS232C(V-24)TTY(20mA),参数可设置9600波特  在加工时可同时读入和输出程序及PLC报警信息  功能全面的文件管理方式  根据工件的数据处理  用一条指令存入/取出一个工件的所有数据和程序  用一条指令存入多个的工件  通过文字提示来设置接口
安全功能  测量回路,温度,电池,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，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：

     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

    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 802C、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：SINUMERK 802C、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，也要比国产的甚至是合资的元器件状态好，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信息不完全是正确的。国外机床厂有的提供的是系列型号的通用图纸，有的时候机床出厂前的电气硬件改动没有在电气资料上体现，这就要求我们一定要对照机床实物，把关键环节的每个细节一一落实，避免犯错误。

    7） 控制要求和特殊选件

    对于一台要改造的机床，控制要求、主轴数、坐标轴数、测量元件、机床现状几大要素基本可以确定改造可以选择的系统和相应的驱动和测量系统方案。但是这并不是绝对的，有些特殊类型机床或者用户需要的一个特殊功能往往就决定了系统的选择。比如：

（1） 图形显示和图形模拟；
（2） 双/多通道功能，用于双车、车削中心和其他具有两个加工单元的机床
（3） 龙门轴功能：龙门式镗铣床、加工中心，要求两个龙门轴能够完全实现同步，只有这个功能才能做到实时监控两个坐标的跟随误差，实现同步。
（4） 配对轴功能：两个坐标可以实现要求不是很高的同步；
（5） 激光加工的距离控制；
（6） 同步主轴功能：用于车削中心两个主轴之间的工件交接；
（7） 砂轮恒线速控制；
（8） 砂轮的在线修整和补偿；
（9） 斜轴磨床；
（10） DNC功能；
（11） 前馈控制；
（12） 进给轴齿轮插补：用于齿轮加工机床；
（13） 凸轮插补；
（14） 镗床镗杆低头补偿；
（15） 网络和远程诊断功能；

    用户提出的特殊功能，系统厂家一般都有相应的选件满足需要，从而也就决定了用户需要的相应档次的数控系统及选件，然而一般令用户比较难受的问题主要是这些选件往往价格很高，同时有的时候由于某个选件只有在高一个档次的系统上才提供，也使用户必须选购高一挡的系统，而付出相应的代价。

    这个时候，我们作为熟练应用系统从事改造的公司，站在用户立场上，我们一般都会采取这样的立场：系统选用尽量以够用为限，能用低档不用中档，能用中档不用高档，能够自己开发的特殊功能尽量自主开发，一切为用户考虑。

    近几年来，我们在数控瓦楞辊磨床的双辊特殊加工、数控强力磨床的修整补偿和恒线速度控制、龙门式大型加工中心改造等项目上，投入开发力量，取得了很好的效果，赢得了用户的认可。

   三、 正确的方案是改造成功的一半

    在每一个改造课题被提出来之后，我们的工程人员会对改造的对象进行充分深入的调查研究，为此我们一方面采用标准的机床状况调查表来做机床的信息的收集，充分利用用户对机床熟悉的实际情况；另一方面我们挑选最有经验的人员做好这第一个环节的工作，保证方案的合理和准确。

    良好的开端是成功的一半。这几年，我们在改造市场闯出了一片天地，我们的经验告诉我们，只有把好这一关，改造的成功才有保障。