西门子数控系统在机床改造中的应用

HEATS

　　一般一台数控机床的控制系统在使用到15年左右就进入产品老化期，故障开始显著增加，这时需对旧机床进行改造，用新数控系统替换老数控系统。改造老机床与购买新机床相比，投资较低，而且又能增强系统功能，提高机床设备的技术水平与性能，提高原机床设备的生产效率，给用户带来巨大的经济效益。这些已成为人们的共识，因此近几年来国内从事机床改造工作的企业越来越多。

) V/ B% }' X* r2 E) S5 G

　　西门子工厂自动化工程有限公司是德国西门子股份有限公司在中国自动化领域投资的第一家合资公司，独家负责西门子公司在中国的机床改造业务。采用西门子数控系统与驱动系统对老设备进行改造是公司的主要业务之一。公司成立7年来，已对国内100多家企业的200多台数控机床进行了成功的改造，改造过的机床有数控车床、铣床、磨床、冲床、加工中心到深孔钻床、落地镗床、龙门铣床和自动化生产线，为用户取得了良好的社会效益和经济效益，深受广大用户的欢迎。

% U% g3 ^0 m( i4 j$ o# A1 Z

　　1数控机床改造的步骤

5 E/ J2 t" t7 v/ o- i2 E

　　1、对一台机床的成功改造一般分为3个阶段。

　　调研及系统选型

　　改造前必须对机床的结构、性能、运行状态、现有加工精度、特殊功能以及用户对系统改造后要求达到的性能进行详细了解。数控系统主要由控制、驱动和测量系统3部分组成。究竟是整体改造还是局部改造取决于上述3大系统的状况以及用户的经费。

3 @' ^! H9 k" ^0 y9 J) {6 y

　　系统的选型与配置需综合考虑机床状况、用户对功能的要求、改造经费及各种数控系统的特点。系统配置时，需对电缆长度、电机扭矩及额定转速、主轴功率、系统安装空间等细节予以充分考虑。

% K6 `0 s. J- Q4 F- S% ?0 A/ t6 e# L

　　2、准备阶段

' e2 ~. ]" O+ W6 n

　　准备阶段的工作包括改造部分电路设计、控制程序编制及技术培训。电路设计主要是设计新系统硬件与非改造部分的接口，然后根据加工时机床动作的控制逻辑，对PLC进行编程，确保机床动作正确并实现最佳控制，在可能的条件下进行实验室模拟。为了保证用户能正确使用、编程与简单的维修，需要对用户进行操作、编程、维修等培训。

　　3、安装、调试、验收

' V6 f. M5 V! p% D, E # u6 z5 X8 g N4 H& f) Z" M

　　现场安装指安装新系统，部分或全部更换强电回路，重新设计机床操作面板，制作新法兰盘与联轴节，输入输出线改接等。

　　完成上述工作后，即可通电调试机床，优化机床参数，调试各轴动作及辅助动作等。调试结束后，应进行试加工，考机并最终验收。2西门子数控系统简介

' ?9 h# ~7 W( U

　　我们推荐西门子数控系统SINUMERIK 840C，840D，810D，802S，FM/NC，WF以及驱动系统SIMODRIVE 611A，611D，6RA24用于老系统的改造，它们能满足各种要求。

# x- a% N; a; |" \) g* ?

　　1、SINUMERIK 840C+SIMODRIVE 611A/D。840C是西门子公司的超级全功能数控系统，最多控制30个轴(其中最多6个主轴)，具有5轴联动，蓝图编程，三维图形模拟，6个CNC通道，多CPU，网络接口等功能，PLC为功能强大的PLC135WB2。可控制模拟驱动、数字驱动或两者混合控制，特别适合于高级复杂数控系统的改造。

, K- i/ ]% X8 Q: E; y0 [

　　2、SINUMERIK 840D+SIMODRIVE 611D。840D是先进的全功能数字式数控系统，整个CNC(包括集成式PLC)缩小为单个模块并集成于驱动系统中，中英文操作显示，最多控制31个轴(最多31个主轴)，PLC为S7-300，强大的插补功能使它能轻易完成多轴非线性插补，适合于卧式加工中心、龙门镗铣床、磨床、数字化机床及其他专用机床改造的要求。

　　3、SINUMERIK 810D+SIMODRIVE 611D。810D是全新数字化构造的控制器，包括NC，PLC和5轴(1个主轴)数字闭环系统控制(3个已内装的功率部件)。适合于小型车床、铣床、磨床或加工中心的全面改造，性能可靠。

; `! ^9 ]* X8 ]$ Q. B2 }% y

　　4、SINUMERIK FM-NC+SIMODRIVE 611A。与SIMATIC S7-300一起使用，体积最小，最多控制5轴(1个主轴)，可配用步进电机，中英文操作显示。特别适合于只改造数控系统而保留模拟驱动的场合，广泛用于数控车床、铣床、磨床及立式加工中心的改造。

　　5、SINUMERIK 802S，是步进电动机控制系统，专门为经济型的数控车床、铣床、磨床及特殊用途的其他机床而设计的。

1 I: O1 }0 y! y2 I0 x

　　6、SIMATIC S7-300，M7-300。在一些PLC逻辑控制的机床改造中，S7-300及模块化工业计算机M7-300以配置灵活、使用方便、价格低廉的特点得到了广泛应用。

" W. p; p5 B: j1 D4 L

　　3数控系统改造的类型

. E; F$ ]+ L) Y2 y2 S" {

　　按照原机床所使用的系统的情况，数控系统的改造可分为以下几种类型。

+ _1 y/ K- l- S7 q0 |; i: N ! G4 m+ t9 b5 i5 [1 E. t6 e0 A0 S

　　1、原机床为普通机床

# I" X' k k" {

　　普通机床价格便宜，操作方便，但其所能进行的加工工序简单，效率低，对操作者的熟练程度要求较高。将普通机床改造成数控机床，不但可提高加工效率，增加加工复杂型面等功能，还可实现多台机床与上位机的联网，利用CAD等技术增强机床的加工能力。

" X6 L, r# T. X. V' P. `9 Z E

　　将普通机床改造为数控机床，要同时进行机械改装和增加数控系统的工作，其中机械改装的工作量相对要大一些。

' P% S3 O1 t; E+ j% h5 N h) U

　　机械改装包括：

　　a拆除原机床的部分齿轮传动链；

, ?% R8 ]( \& C% N

　　b将普通丝杠换为滚珠丝杠；

/ ^5 `5 K1 B5 C8 a # N7 E; H1 i; a

　　c制作法兰盘，安装新电机。

: X5 s# a3 ], x n& T

　　这种类型的改造由于原机床价格本身就已很便宜，改造所选用的数控系统一般为步进电机或低档次的交流伺服系统。如西门子的802S就是一种很适合于这种改造类型的步进电机控制系统。802S系统的特点是：

G, n' v8 w$ ^3 h( B1 @+ @ ' A( t0 ]9 W9 v" u$ X

　　a中英文菜单显示，安装调试简便、快捷，操作编程简单；

) A% c# @: [. E

　　b目前使用的步进电机扭矩最大可到25N·m，适用于绝大多数普通机床；

- u# k/ b; j' z, `

　　c有车床型、铣床型等多种类型。

4 T* L; @( @% s$ l6 \6 g3 V$ E . O" _0 V7 t0 F' u: j9 n: d

　　这种类型的改造周期短，现场调试时间1至2天即可，价格便宜，难度小，适合于对大批量机床的改造。2、原机床使用的是西门子公司的老数控系统

$ ~) n3 k( a7 z

　　西门子公司作为世界上最早开发研制数控系统的公司之一，在七八十年代陆续推出了SYSTEM5，SYSTEM6，SYSTEM7，SIN3，SIN8，SIN850，SIN880等多种数控系统，在世界范围内得到了广泛应用。随着时间的推移，这些系统逐渐进入了老化阶段，故障率逐年上升，所需备件越来越难于及时供应且价格较高。

( P' r5 S# w5 g6 R# b

　　对使用以上西门子系统的机床，若能用西门子新数控系统如SINUMERIK FM-NC，840C，840D等来进行改造，不但可以大大降低故障率，免去备件供应的后顾之忧，而且由于新系统具有的一些新功能，如中文界面，网络接口，远程诊断等，可以使老机床经改造之后上一个档次。

7 K! J: M5 S& c3 Z) r 9 J4 D. z+ L+ ^( X" f

　　这种类型的改造我公司已完成了数十台，都取得了圆满成功，如在哈尔滨某工厂用SINUMERIK 820替换SYSTEM7系统的车床改造，在上海某公司用SINUMERIK 840C替代SIN8系统的深孔钻改造，在南京某汽车公司完成的WF723+OP27替代WF726+WF785的专用镗床改造等等。

3 H. n. H# }7 z `- k

　　这种类型改造的特点是：

' s4 b7 i) P" Z( k& a7 m* P

　　a由于西门子产品结构、性能、使用的延续性，改造时除了将新、旧系统的接口进行转换外，原机床的PLC程序设计思想将被完全保留，原机床厂家的控制逻辑不会被改变，这一点对大型、复杂机床的改造特别重要。如我们在某厂完成的一台SINUMERIK 840C改造SIN8系统的项目，原机床有9根伺服轴，极其复杂的冷却控制，自动测量，五轴联动，附件头更换，手动、自动两套控制逻辑切换等，如果我们重新编制PLC程序，若没有原厂家工程师的帮助是难以完成的。

+ S% L& ^! [5 I- c+ e5 V/ c0 Q% W * @7 |# y2 M6 `

　　b可以采用只改控制部分或控制部分、驱动系统全部改造两种方式，灵活性较大。

. D8 f/ q: z0 O+ o6 p : ]. A9 K. F6 B5 s" G

　　c可以充分利用原有的器件，如电缆、插头等，从而减少这部分改动所需的时间。这种类型的改造一般周期不会太长，把握性大。

　　3、原机床使用的是非西门子数控系统

) R+ W) R1 [% m' b" D* q1 \# l% v : S+ B0 ^" A! S0 ~' @0 d. k

　　在国内早期购进的数控机床中数控系统种类比较多，有些数控系统由于生产厂家实力有限，产品不成熟，问题较多；有些数控系统的生产厂家已经不存在了，无备件供应；有些厂家的新数控系统控制部分和驱动部分是一体的，不能满足有些用户只想改造其中某一部分的愿望。

. x$ U0 j. t( Q

　　西门子的新数控系统功能强大，档次齐全，可以解决以上所有问题。

* M/ B' J. @2 z0 j9 `( P

　　这种类型的改造特点是：

　　a改造对象一般为数控车床、加工中心等通用、不特别复杂的机床。我们曾改造过一台美国产MCN20加工中心，该机床有X、Y、Z、B、主轴等5根轴，48把刀链式刀库，双工作台，数控系统及驱动系统均为机床厂开发的产品，1981年产，1995年作为二手设备引进，因无备件已停机一年。改造采用西门子SINUMERIK 840C，原驱动系统保留，安装、调试及验收共4周时间，投入使用后效果良好。

! l9 `. H9 M, }* @) P6 F

　　b由于重新设计机床的整个控制逻辑，改造所需时间稍长。

( b: L2 ~" s* ^ K- p8 X! a2 R9 m) I; ^" J

　　4原机床使用的是专用控制系统,

+ t4 r1 Q7 w8 C ]6 M/ C6 f

　　专用控制系统由于控制对象单一，需要专门设计，一般价格比较昂贵。用西门子通用数控系统进行改造可降低成本，提高可靠性。不过专用控制系统的控制对象一般是冲床、磨床等，这类机床本身就属于复杂机床类，加上专用控制系统，改造难度大。

$ J9 z* s D: b( {

　　我公司近年来完成了多台这种改造项目，如珠海某厂的专用冲床改造、南京某汽车厂的开卷线改造等。

1 a; i. ~" p7 T, M4 i- Q . @/ |& a8 w) B; S- g

　　这种类型的改造特点是：

8 w( z/ ^1 N6 {$ ]0 n) e

　　a改造后的机床可以达到原机床的性能，但很难超过。

! s W* u- x9 ]4 g4 p' Y$ a

　　b有一定的风险。专用系统可对某些信号进行特殊处理，实现某些特殊功能。如果改造前对原系统认识不足，性能了解不全面，很可能导致整个改造项目的失败。

　　c用通用系统替代专用系统，费用可大大降低，如我公司在南京做的开卷项目用WF通用模块，改造费用不足专用系统的1/2。

* S$ t. `& S# E" b

　　总体来讲，西门子数控系统由于它本身所具有的优势，在国内的机床改造市场中占有了领先地位，得到了广泛应用，正受到越来越多用户的欢迎。【MechNet】