进口大型数控落地镗铣床的系统改造

舒芹

　　随着时间进入21世纪，我国大部分在20世纪80年代引进的大型数控镗铣床都已进入大修时期，由于数控系统的更新换代，原机床上所配的数控系统都已停产，系统的备件相当昂贵，因此大部分的用户都会利用机床大修的时机进行数控系统的改造。鉴于这种情况，觉得有必要结合自己的实践经验对此类机床的系统改造作一个总结，以利于大家今后的工作。
# H7 C% S. }2 l$ @! V9 p% V　　1.改造方案的选择
$ T& O% `8 p5 y* ?8 K　　1.1数控系统的选择
1 N  C5 \' C5 P  i/ s. [. I　　从国内的现实情况来看，这一类的机床基本上都是从欧洲进口的，所配的数控系统几乎全部是西门子公司的8M系统，PLC则是西门子公司的S5-150系列，而驱动部分大部分是西门子的直流驱动。
　　在确定改造方案时，由于经费等方面的原因，大部分用户都会选择驱动及电机部分保留而只更换系统的方案，这样出于系统的延续性和兼容性的原因，用户多会选择西门子公司SINUMERIK 840C系统。该系统是西门子公司在九十年代初推出的高档系统，功能强大，使用灵活，适用于各种类型的机械加工设备，目前在国内也拥有大量的用户。如果用户在经费方面没有问题，则还可以有另一种选择，即选用SINUMERIK840D系统，这样的话，则驱动和电机都需要更换。SINUMERIK840D系统是西门子公司九十年代中期推出的一款纯数字的高档数控系统，与之匹配的驱动和电机也都是数字的，从发展趋势看，该系统已进入成熟期，现已成为西门子公司高档系统中的主流机型。
　　1.2 PLC的选择
( w5 M! l  n: T& y0 I　　根据所选系统的不同，也就相应选择了不同的PLC。
7 u% @) K$ ~; p0 D　　SINUMERIK840C系统所配的PLC是S5-135WD，在这里可供用户选择的是PLC硬件的形式。一种选择是分布式I/O (DMP)，另一种选择是扩展单元185U；两种选择相比较而言，DMP的接线比较麻烦，但价格便宜，而185U接线简单，原150的前连接器都可保留，但价格较贵。从使用的角度来讲，两种方案都可以满足系统的功能要求。
　　SINUMERIK840D系统所配的PLC是S7-300，相对来讲接线的工作量与840C系统选择DMP类似。
$ C1 v# j7 t# w0 P. a; K& K　　2.机床电气系统的处理
　　在电气系统的处理上，要以"少动"为原则，基本上保留原机床的电气系统，只将跟系统有关的部分进行重新设计。对于外围输入输出点的处理，则以保留原地址为原则，即使有不用的点，也最好保留它的地址，不要被其它点占用，这样在PLC程序的处理上要有利的多。这一点在后面再作解释。
( G# {. J: [- Y' [& {' o　　3. PLC程序的处理
0 {6 q  }2 _& Y8 v$ k. J  u5 P　　在此仅以8M系统更换为SINUMERIK840C系统为例来说明PLC程序处理时要注意的问题。
　　对PLC程序的处理，一个基本原则是尽量保留原PLC程序，只是在原程序的外围加一个转换程序，将与系统有关的部分作必要的转换，这样可最大限度地减少工作量，同时又最大限度地保留了原PLC程序中的一些安全保护措施。从我的经验来看，这种方法是这类系统改造项目最好的处理办法。
" I8 c0 X, ?! R$ i% H, N　　3.1系统功能块(Function Block)的处理
　　在西门子的PLC产品中，不同的系统有不同的系统功能块，因此在进行系统更新时，必须要对系统功能块进行相应的处理。
" H' [  n6 O5 z7 j# G  |$ ]　　在将8M系统更新为840C系统时，对于跟数据块有关的功能块(FB11，FB60)要更新为新的FB11和FB60，对于其它的系统功能块则可以删除。
1 X* A; r/ ^& s& m% o　　3.2系统接口信号的处理
　　在西门子的系统中，NC与PLC之间的通讯都是通过接口信号实现的，而接口信号又包括NC→PLC和PLC→NC两大部分，其中PLC→NC属于控制信号，通过这些信号可以完成对系统动作的控制；NC→PLC属于系统给出的状态信号，可用于判断系统是否正确执行了控制信号的要求。因此，如何处理这部分PLC程序是系统改造中的重点，也是本文要着重介绍的部分。
　　在8M系统中，所有的接口信号都是占用的标志位(Flag)，而840C系统中，接口信号基本上都在数据块(DB)中，因此在新的PLC程序中要增加信号转换这部分程序。由于接口信号是双向的，因此在设计转换程序时要设计两个程序块，一个用于处理NC→PLC的信号，一个用于处理PLC→NC的信号。下面就分别加以论述。
( e+ ~. V4 [2 k; Q% D. v　　3.2.1标志位(Flag)的处理
　　在SINUMERIK840C系统中，FY0-FY24是被系统占用的，而在8M系统中，这部分信号则是接口信号中的一部分，因此在作PLC程序的转换时首先要处理这部分信号。具体方法是：在调用原8M系统OB1之前，将FY0-FY24保存到数据块中，在调用之后，再将FY0-FY24恢复，以便840C系统能正常工作。
　　3.2.2手动方式(Manual Control)的处理
4 V. z4 g2 _$ c7 K& y1 ^% `7 f& x/ }　　在这种类型的机床上几乎都配置了手动操作方式，这种操作方式与840C有较大差别，而操作者对这种操作方式又比较习惯，因此在系统更新时最好予以保留。这样的话，就牵扯到了机床控制面板的处理，从我的经验来看，最好保留原机床操作面板，这样会最大限度地保留原操作风格，使操作者易于接受，同时也易于掌握。
. y0 D; i* W! v0 {　　3.2.3系统操作方式的处理
  h8 Q" h5 v* ?" t" |$ A　　在对系统操作方式的处理上，有两种方式要注意：第一是8M系统中的"手动数据输入"(Manual Data Input)方式，这种方式在840C中是没有的，因此在PLC程序中要删除与之相关的部分；第二是"增量"(Incremental)方式，这种方式在8M的接口信号中只有一位(F25.5)，而在840C中则有1INC/10INC/100INC/1000INC/10000INC/VAR六个信号属于增量方式，因此在PLC程序中要将这六个信号对应到原程序中的F25.5。
1 R. R+ d3 l! m, `$ M　　3.2.4轴信号的处理
　　3.2.4.1 PLC→NC信号的处理
　　在这部分的处理中，要将原8M系统PLC程序中所用到的所有PLC→NC信号对应到840C系统的接口信号上，而对840C专有的信号也要作相应的处理。下面给出部分信号的对应关系以便大家更容易理解：8M：F*.0 ------840C: DB32/Dk+2.9(Limit Switch plus)F*.1 ------840C: DB32/Dk+2.8 (Limit Switch minus)F*.2 ------840C: DB32/Dk+1.10(Controller enable)
　　其它信号也同样处理。
2 {& t6 z& M3 O$ j) S% h6 p　　3.2.4.2 NC→PLC信号的处理
　　在这里信号的处理方法与PLC→NC信号的处理是一样的，唯一要注意的是信号的对应方向。在PLC→NC信号的处理中，是将8M的信号对应到840C系统的信号上，而在处理NC→PLC的信号时，则是将840C系统的信号对应到8M上。举例如下：840C：DB32/Dk.10 ------8M：F*.1(Motion command -)DB32/Dk.11 ------8M：F*.0(Motion command +)DB32/Dk.12 ------8M：F*.2(Reference point reached)
　　3.2.5主轴信号的处理
; q2 n3 y% y% S7 ~  p) f2 q, k　　3.2.5.1 PLC→NC信号的处理
　　在这里要注意的是主轴摆动信号(Oscillation)的处理。在8M中摆动动作只要一个信号F14.2即可完成，而在840C中摆动动作则必须有DB31/Dk+2.6(Reciprocation speed)及DB31/Dk+2.0(PLC spindle control)两个信号才可完成该动作，因此在程序中必须将F14.2同时对应到DB31/Dk+2.6和DB31/Dk+2.0，即：----C DB 31 ----AN F 14.2 ----= D 2.6 ----= D 2.0 ----3.2.5.2 NC→PLC信号的处理----这部分信号中一般用到的只有主轴停(Spindle at standstill)信号。
0 [$ q: O' l  O) F! ^' D3 n　　3.2.6辅助功能的处理
' B/ Z3 S; [: u0 z8 C　　在这种类型的机床中，使用最多的是M功能，也有个别机床使用H功能，在这部分处理中只需将相关的信号互相对应即可，具体对应如下：840C：DB10/DL18 ------ 8M：FY225 DB10/DL19 ------ FY226 DB10/DL20 ------ FY227 …… DB10/DL30 ------- FY237
　　以上是M功能(M0-M99)的对应关系，下面的是H功能的对应：840C：DB10/DR45 ------ 8M：FY32 DB10/DL45 ------ FY33 DB10/DR44 ------ FY34
　　除此之外，还有两个修饰信号要处理：840C：DB10/D17.13 ------ 8M：F31.0 DB10/D17.8 ------ 8M：F31.3
- m2 G  T* L/ [3 [　　3.2.7报警的处理
9 d# t+ b, C( \2 E　　3.2.7.1接口信号的处理
　　在8M系统中，有关报警的接口信号被安排在FY188-FY219中，而在840C系统中则被安排在DB58中，具体对应关系如下：8M：FY188 ------ 840C：DB58/DL3 FY189 ------ DB58/DR3 FY190 ------ DB58/DL4 …… FY219 ------ DB58/DL19
　　3.2.7.2报警文本的处理
　　由于8M系统对报警文本的处理比较特殊，因此在系统更新时这部分的处理比较麻烦。在此有必要将8M系统的报警文本处理作一介绍。----在8M系统中，报警文本按照主谓结构存放在两个数据块中(DB4、DB5)，而文本的组合关系则存放在另一个数据块DB7中，每个报警信号对应DB7中的一个数据字，而这个数据字则确定了相应的报警文本是由数据块DB4及DB5中哪两个文本构成的。例如，F188.0对应DB7/DW0，若DW0的内容为KY=000,000，则对应的报警文本就是由DB4及DB5的第一段文本组合而成的。----在进行系统更新时，首先要根据DB7、DB4及DB5的内容生成每个报警信号对应的报警文本，然后再将该文本按照840C系统报警文本的格式输入到系统中，这样就完成了报警文本的对应。
　　3.2.8模拟量的处理
# J" g9 Y( w" Y4 i0 L* ~3 l6 K　　因为这一类机床都属于大型设备，造价都比较高，因此机床厂商在生产时对安全防护措施都考虑得相当全面，而在这些安全防护措施里面有一部分就是通过系统的模拟输入及模拟输出模块来完成的。因此，当我们进行系统改造时，对这一部分一定要仔细研究，使用新的模块来实现原来的功能，而不能简单地套用原程序，因为原来所用的模块与新的模块在数据格式、字长等方面有较大的不同，这一点是必须要注意的，否则可能就起不到防护的作用了。
　　4.新系统的调整
　　新系统的调整主要是指坐标轴和主轴的调整。
+ S/ D# l$ W) {4 o　　坐标轴的调整分为速度环和位置环。速度环的调整是指速度的匹配，即坐标轴的实际速度与系统指令电压的匹配，这里需要调整的参数是最大指令电压所对应的最高速度。另外，也可能要调整驱动部分测速机的反馈电位计。位置环的调整主要是调整轴的特性，包括跟踪特性及加/减速特性，需要调整的参数就是轴的位置环增益及加速度。在这里有一点要特别强调的，那就是各插补轴在相同速度下跟踪误差要基本保持一致，这样才能加工轮廓的圆整。
. p& I4 S& L& a; l: D) ^5 D　　主轴的调整主要是速度环的调整，即各档速度的调整。这里只需掌握一个基本原则，即各档的最高速度都对应10V的指令电压。
　　以上内容是根据自己几年来对此类机床进行改造而获得的经验整理而出的，笔者使用这种方法改造了多台机床，如哈尔滨汽轮机有限责任公司意大利进口INNSE数控落地镗铣床、富春江富士电机有限公司德国进口SCHIESS数控镗铣床、哈尔滨电机厂有限责任公司德国进口WOTAN数控镗铣床，均获得成功，由此可证明该方法是切实可行、行之有效的，特在此整理成文，希望对大家有所启发和帮助。【MechNet】
$ H8 F+ L! F6 K文章关键词： 数控