德国W ALDR I CH2COBU R G
5m×15m数控龙门铣床的数控系统技术改造CN C System R em ak ing of5m×15m Gan try M illing M ach ine冰壶制作
凯普奥瑞技术有限公司(100028) 孟琦 齐齐哈尔第一机床厂(161005) 孙伟【摘要】通过对德国W ALDR I CH2COBU R G(瓦德里希-科堡)公司的5m×15m数控龙门铣床进行数控系统技术改造，在国内机床行业首次采用S IE M EN S840D数控系统在同一台机床上实现A nalog ax is(模拟轴)功能和Gan try A x is(龙门轴)功能。解决了S IE M EN S840D数字型数控系统控制模拟信号主轴的技术难题，并对S IE M EN S840D数控系统的Gan try A x is(龙门轴)功能在实际中的具体应用进行了阐述说明。 关键词 数控系统 龙门轴 模拟主轴 数字交流伺服装置 模拟直流调速装置Keywords CN C,gan try ax is,analog ax is,N CU,MM C 24210FP450 1500F数控龙门镗铣床是我国第一重型机器集团公司于1984年从德国W ALDR I CH2COBU R G公司引进的一台特大型数控加工设备，为国家级关键加工设备，主要承担大型工件的加工任务。原机床为简易型数控，后经COBU R G公司改造为S IE M EN S8M系统，改造后该机床无法进行正常的自动加工，只能进行手动加工，因此改造很不成功。近年来由于S IE M EN S8M 系统已停产，系统的电气备件已无处购买，机床处于瘫痪状态。但由于该机床是一重集团的关键加工设备，为此决定
再次进行机械、电气系统的技术改造。
数控改造的技术方案
电气部分全部更换，包括数控系统，驱动装置，伺服电机，以及配电柜中的全部电气元件，机床所有连接电缆。
试管架
1.数控系统选用S IE M EN S公司的S I NUM ER IK840D数字控制系统,5个坐标轴的驱动装置选用S IE M EN S公司的S I M ODR I V E611D 数字式交流驱动装置，伺服电机选用S IE M EN S公司的1FT6系列交流伺服电机。
2.原机床的主轴电机功率较大达到200k W，但S IE M EN S公司的S I M ODR I V E611D交流驱动装置可控制的主轴最大功率为100k W，故只能选用S IE M EN S公司的S I M O R EG26RA24型直流调速装置及相应的直流伺服电机来满足机床的主轴功率要求。但S IE M EN S840D数控系统正常情况下只能控制611D数字式交流伺服单元，要想控制模拟式(+ -10V)的直流调速装置，必须配备N CU端子及DM P数 模转换模块，用来把840D的控制轴的数字信号转换成直流调速装置所能接受的模拟指令电压(+ -10V)。
3.给原机床的W轴,W1轴(一对龙门轴)配置金属光栅尺，实现全闭环控制,840D数控系统另外订购Gan try A x is功能(龙门轴)，以便实现该机床的龙门轴功能。
除位移指针，接着把H SO COM命令和H SO T I M E 时间值装入H SO的保持寄存器CAM中，然后判断是否装完并调整位移量。CAM装载子程序如图4所示，该程序中首先要测试I O S.7位的状态，检查H SO的保持寄存器是否为空，若该位为0方可从命令表中取出命令字，从时间表中取出时间值，装入H SO COM和H SO T I M E，否则会把原来保持寄存器中内容覆盖掉。
为了实现周而复始的顺序控制，在主程序初始化之后，先装入初始的CAM值，即可用编程的准确时间完成第1个H SO.0～H SO.5的时序。在最后的装载命令完成后,H SO.5被置“0”，产生第1个中断。在中断程序中，再次装入下一个控制时序，从而使H SO.0～H SO.5的时序不断重复出现，完成周而复始的顺序控制。
电能收集充电器
参考文献
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4.PL C选用S IE M EN S840D内置的PL C CPU及S72300系列的I O模块，以实现机床的PL C控制。
音调控制电路5.增加机床的手能，配置软盘驱动器，以便于加工程序的传输。
6.简化原机床的强电电路图，重新绘制机床电路图。
技术改造的具体实施
1.S IE M EN S840D数控系统控制直流调速装置的实施办法
1)S IE M EN S840D数控系统配置模拟主轴所需的硬件
透明口罩
(1)N CU端子模块;
(2)DM P模拟量输出模块;
(3)DM P模拟量输出模块到6RA24直流调速装置的指令电压电缆;
(4)S IE M EN S公司的6RA24直流调速装置;
(5)主轴定向的2500刻线的旋转编码器;
(6)主轴旋转编码器到840D的测量信号电缆;
(7)611D的单轴控制模块用于主轴的位置测量回路。 2)软件要求
(1)用于控制模拟主轴的840D MM C系统软件必须是3.5版本以上;
(2)N CK系统软件卡必须有“A nalog A x is”功能。
3)系统调试
(1)设840D配置模拟主轴的选项数据，因为840D数控系统控制模拟主轴是一个选项功能，必须设置该功能的选项数据才能生效，作N CK R ESET ，系统重新上电后，在相应的模拟主轴的轴参数中会显示出M D63530这一个机床参数;
(2)定义输出模拟量指令电压的DM P模块的物理地址;
(3)在N C系统中通过机床参数定义模拟主轴, 15m龙门铣床共有6个机床轴,X、Y、Z、W1、W11为611D数字驱动控制的数字轴,SP为6RA24直流调速装置驱动的模拟信号主轴，模拟指令信号通过插在N CU端子上的DM P模块输出，主轴编码器的位置测量回路分配到611D的第6个轴控制模块的第2测量系统中，直流主轴电机的最大转速为1 200r m in，主轴电机达到最大速度时840D输出的指令值电压为±8V;
(4)主轴换档，该机床有3个机械档位，靠4个电磁阀来推动主轴档位齿轮的啮合，并有4个档位开关来检测主轴的实际档位。该功能由N C系统发出“M指令”，通过PL C程序来完成具体的动作要求,M41指令控制主轴换到1档,M42指令控制主轴换到2档,M43指令控制主轴换到3档，工作原理图如图1所示
。
图1 主轴换档流程图
2.840D数控系统的Gan try A x is(龙门轴)功能的具体实现
1)Gan try A x is(龙门轴)的定义
Gan try A x is功能是指允许两个或多个机械配对的机床坐标轴不带机械偏差地同步运转。在机床的操作和编程上，定义为龙门轴的几个轴，机床数控系统把它们都当作一个轴进行处理。在龙门轴运行时，数控系统同时检测所配对的轴的实际有效位置是否超出所设定的偏差范围。当随动轴的实际有效位置与主动轴的实际有效位置相比较，偏差大于所设定的偏差范围时，控制系统会自动关闭这一组龙门轴的进给信号使龙门轴停止运转，同时发出相应的报警信号给机床。
S IE M EN S840D数控系统最多可定义3组龙门轴，每一组龙门轴包括1个主动轴和1个或2个随动轴，特别要注意的是任何一个随动轴都不能再定义为其他的龙门轴中的主动轴或随动轴。
2)龙门轴的定义
在此机床中，我们把W轴和W1轴定义为一组龙门轴,W轴为主动轴,W1轴为随动轴。
3)W轴和W1轴进行手动调整(横梁调平)的方法
因为W轴和W1轴是拖动该机床横梁上下的一对龙门轴，因此在W轴和W1轴进行同步运行之前，必须使横梁处于绝对水平位置，一来保证机床的加工精度，二来保证W轴和W1轴在同步运行时，机械传动方面没有抗力及变形。传统的调整方法是采用机械方法进行调整，机床断电之后通过盘旋传
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动丝杠或丝母来调整，使横梁处于水平位置，这种方法既费时间，也很难保证横梁水平的精度。现在我们可以通过龙门轴相应的机床参数的设定，很方便地对横梁的水平位置进行电器调整。方法如下:(1)把水平仪放在横梁的检测位置上;(2)把W轴和W1轴的机床参数M D37140GAN TR Y2BR EA K2U P 设为“1”;(3)机床设置为手动方式;(4)选择“W”轴或“W1”轴生效;(5)按下轴的方向键“+”或“-”;
(6)这时相应的“W”或“W1”轴就会上下移动，观察横梁上的水平仪，直到水平仪指示横梁处于水平位置为止;(7)松开轴的方向键“+”或“-”;(8)把W 轴和W1轴的机床参数M D37140GAN TR Y2 BR EA K2U P设为“0”这时横梁处于水平位置，调整完毕。
4)龙门轴回机床零点及同步运行的具体步骤
(1)W轴回机床参考点 在机床回参考点方式下，按W轴的手动方向键“+”，这时W轴自动寻自己的机床零点,W1轴随着W轴同步运行，直到W轴的“参考点信号”为高电平，表明W轴到了机床零点。
(2)W1轴回机床参考点 当W轴到了机床零点后,W1轴自动寻自己的机床零点。这时控制系统把W1轴变成了主动轴，而W轴变成了随动轴，随着W1轴进行运转，直到W1轴的“参考点信号”为高电平，表明W1轴到了机床零点。当W1轴的机床零点到之后，控制系统把W1轴变成随动轴，而W轴变成主动轴，恢复原机床的设置。
(3)W轴和W1轴实现同步 当龙门轴中W 轴和W1轴均到各自的机床零点后,W轴和W1轴必须从机床零点位置开始实现同步运转。而且要比较W1轴和W轴的实际位置，当W轴和W1轴的实际位置出现偏差时，可进行以下操作:
a.当偏差值小于设定在机床参数M D37110 GAN TR Y2PO S2TOL2W A RN I N G中的值 W轴和W1轴自动实现同步运转，而且在W轴和W1轴同步运转时，在机床显示屏上显示信息“龙门轴2W 轴和W1轴实现同步运转”。W轴和W1轴的坐标位置都以W轴的机床零点为基准，当W轴和W1轴都达到目标位置时，信号“龙门轴已同步”变为高电平，表明W轴和W1轴同步运行完成。
b.当偏差值大于设定在机床参数M D37110 GAN TR Y2PO S2TOL2W A RN I N G中的值 信号“龙门轴同步运行准备启动”变为高电平，且在机床显示上显示信息“等待龙门轴W轴和W1轴进行同步启动”，在这种情况下,W轴和W1轴不能实现同步运行。这时必须通过PL C程序把信号“启动龙门轴同步运行”置为高电平，使机床处于回参考点方式下,W轴和W1轴就可自动调整到同步运行状态。
5)在W轴和W1轴回机床零点时必须注意的问题
因为W轴和W1轴的回零开关位置在安装时不可能严格一致，保证安装在同一坐标位置，因此W轴和W1轴的机床零点就有一定的偏差，这个偏差的范围设定在W轴和W1轴的机床参数M D 37130GAN TR Y2PO S2TOL2R EF=4mm中，只要W轴和W1轴的回零开关位置的偏差值在4mm的范围内,W轴和W1轴都可以到各自的机床零点。但W轴和W1轴的机床零点的坐标差值必须通过两个轴回零时的实际坐标显示值进行计算，并把这一差值输入到W1轴的机床参数M D34090 R EFP2M OV E2D IST2CO(机床零点偏差值)中，以此来保证W轴和W1轴都以同一个机床零点为坐标基准，实现同步运行。
结 语
经过两个多月紧张的调试工作，顺利地完成了用S IE M EN S840D数控系统对德国W ALDR I CH2 COBU R G(瓦德里希2科堡)公司的5m×15m数控龙门铣床进行数控系统的技术改造。采用S IE M EN
S840D数控系统在同一台机床上实现A nalog A x is(模拟轴)功能和Gan try A x is(龙门轴)功能这在国内机床行业也是首次。这次技术改造有效地解决了S IE M EN S840D数控系统控制模拟驱动装置的技术难题，使840D数字式控制系统可用于一些带大功率主轴的数控机床的技术改造中，并且较为完善地实现了840D数控系统Gan try A xes功能在实际中的具体应用，提高了龙门轴的运行精度及可靠性，从而大大降低了机床的停机时间，提高了机床的工作效率。
参考文献
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彩相纸
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4.S I NUM ER IK S I M ODR I V E840D 611D L ists
5.S I NUM ER IK840D 810D D escri p ti on of Functi on s2 Gan try A x is
6.S I NUM ER IK840D 810D D escri p ti on of Functi on s2
A nalog A x is
7.S IE M EN S6RA24直流调速装置调整手册
责任编辑 黄进平
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