進口大型數控落地鏜銑床的數控改造

隨著時間進入21世紀，我國大部分在20世紀80年代引進的大型數控鏜銑床都已進入大修時期，由于數控系統的更新換代，原機床上所配的數控系統都已停產，系統的備件相當昂貴，因此大部分的用戶都會利用機床大修的時機進行數控系統的改造。鑒于這種情況，覺得有必要結合自己的實踐經驗對此類機床的系統改造作一個總結，以利于大家今后的工作。

    1. 改造方案的選擇

    1.1 數控系統的選擇

    從國內的現實情況來看，這一類的機床基本上都是從歐洲進口的，所配的數控系統幾乎全部是西門子公司的8M系統，PLC則是西門子公司的S5-150 系列， 而驅 動部分大部分是西門子的直流驅動。

    在確定改造方案時，由于經費等方面的原因，大部分用戶都會選擇驅動及電機部分保留而只更換系統的方案，這樣出于系統的延續性和兼容性的原因，用戶多會選擇西門子公司SINUMERIK 840C系統。該系統是西門子公司在九十年代初推出的高檔系統，功能強大，使用靈活，適用于各種類型的機械加工設備，目前在國內也擁有大量的用戶。如果用戶在經費方面沒有問題，則還可以有另一種選擇，即選用SINUMERIK840D系統，這樣的話，則驅動和電機都需要更換。SINUMERIK840D系統是西門子公司九十年代中期推出的一款純數字的高檔數控系統，與之匹配的驅動和電機也都是數字的，從發展趨勢看，該系統已進入成熟期，現已成為西門子公司高檔系統中的主流機型。

    1.2 PLC的選擇

    根據所選系統的不同，也就相應選擇了不同的PLC。

    SINUMERIK840C系統所配的PLC是S5-135WD，在這里可供用戶選擇的是PLC 硬件的形式。一種選 擇是分布式I/O (DMP)，另一種選擇是擴展單元185U；兩種 選擇相比較而言，DMP的接線比較麻煩 ，但價格便宜，而185U接線簡單，原150的前連接器都可保留，但價格較貴。從使用的角度來講，兩種方案都可以滿足系統的功能要求。

    SINUMERIK840D系統所配的PLC是S7-300，相對來講接線的工作量與840C系 統選擇DMP類似。

    2. 機床電氣系統的處理

    在電氣系統的處理上，要以"少動"為原則，基本上保留原機床的電氣系統，只將跟系統有關的部分進行重新設計。對于外圍輸入輸出點的處理，則以保留原地址為原則，即使有不用的點，也最好保留它的地址，不要被其它點占用，這樣在 PLC程序的處理上要有利的多。這一點在后面再作解釋。

    3. PLC程序的處理

    在此僅以8M系統更換為SINUMERIK840C系統為例來說明PLC程序處理時要注意的問題。

    對PLC程序的處理，一個基本原則是盡量保留原PLC程序，只是在原程序的外圍加一個轉換程序，將與系統有關的部分作必要的轉換，這樣可最大限度地減少工作量，同時又最大限度地保留了原PLC程序中的一些安全保護措施。從我的經驗來看，這種方法是這類系統改造項目最好的處理辦法。

    3.1 系統功能塊（Function Block）的處理

    在西門子的PLC產品中，不同的系統有不同的系統功能塊，因此在進行系統更新時，必須要對系統功能塊進行相應的處理。

    在將8M系統更新為840C系統時，對于跟數據塊有關的功能塊（FB11，FB60）要更新為新的FB11和FB60，對于其它的系統功能塊則可以刪除。

    3.2 系統接口信號的處理

    在西門子的系統中，NC與PLC之間的通訊都是通過接口信號實現的，而接口信號又包括NC→PLC和PLC→NC兩大部分， 其中PLC→NC屬于控制信號，通過 這些信號可以完成對系統動作的控制； NC→PLC屬于系統給出的狀態信號，可用 于判斷系統是否正確執行了控制信號的要求。因此，如何處理這部分PLC程序是系統改造中的重點，也是本文要著重介紹的部分。

    在8M系統中，所有的接口信號都是占用的標志位（Flag），而840C系統中，接口信號基本上都在數據塊（DB）中，因此在新的PLC程序中要增加信號轉換這部分程序。由于接口信號是雙向的，因此在設計轉換程序時要設計兩個程序塊，一個用于處理 NC→PLC的信號，一個用于處理 PLC→NC的信號。下面就分別加以論 述。

    3.2.1 標志位（Flag）的處理

    在SINUMERIK840C系統中，FY0－FY24是被系統占用的，而在8M系統中，這部分信號則是接口信號中的一部分，因此在作PLC程序的轉換時首先要處理這部分信號。具體方法是：在調用原8M系統OB1之前，將FY0－FY24保存到數據塊中，在調用之后，再將FY0－FY24恢復，以便840C系統能正常工作。

    3.2.2 手動方式（Manual Control）的處理

    在這種類型的機床上幾乎都配置了手動操作方式，這種操作方式與840C有較大差別，而操作者對這種操作方式又比較習慣，因此在系統更新時最好予以保留。這樣的話，就牽扯到了機床控制面板的處理，從我的經驗來看，最好保留原機床操作面板，這樣會最大限度地保留原操作風格，使操作者易于接受，同時也易于掌握。

    3.2.3 系統操作方式的處理

    在對系統操作方式的處理上，有兩種方式要注意：第一是8M系統中的"手動數據輸入"（Manual Data Input）方式，這種方式在840C中是沒有的，因此在PLC 程序中要刪除與之相關的部分；第二 是"增量"（Incremental）方式，這種方式 在8M的接口信號中只有一位（F25.5），而在840C中則有1INC/10INC/100INC/1000INC/10000INC/VAR六個信號屬于增量方式，因此在PLC程序中要將這六個信號對應到原程序中的F25.5。

    3.2.4 軸信號的處理

    3.2.4.1 PLC→NC信號的處理

    在這部分的處理中，要將原8M系統PLC程序中所用到的所有 PLC→NC信號對 應到840C系統的接口 信號上，而對840C專有的信號也要作相應的處理。下面給出 部分信號的對應關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）

    其它信號也同樣處理。

    3.2.4.2 NC→PLC信號的處理

    在這里信號的處理方法與 PLC→NC信號的處理是一樣的，唯一要注意的是信 號的對應方向。在 PLC→NC信號的處理中，是將8M的信號對應到840C系統的信 號上，而在處理 NC→PLC的信號時，則 是將840C系統的信號對應到8M上。舉例如下： 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 主軸信號的處理

    3.2.5.1 PLC→NC信號的處理

    在這里要注意的是主軸擺動信號（Oscillation）的處理。在8M中擺動動作只要一個信號F14.2即可完成，而在840C中擺動動作則必須有DB31/Dk+2.6（Reciprocation speed）及DB31/Dk+2.0（PLC spindle control）兩個信號才可完成該動作，因此 在程序中必須將F14.2同時對應到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信號的處理

----這部分信號中一般用到的只有主軸停（Spindle at standstill）信號。

    3.2.6 輔助功能的處理

    在這種類型的機床中，使用最多的是M功能，也有個別機床使用H功能，在這部分處理中只需將相關的信號互相對應即可，具體對應如下： 840C： DB10/DL18 ------ 8M：FY225

 DB10/DL19 ------ FY226

 DB10/DL20 ------ FY227

 ……  

 DB10/DL30  ------- FY237

    以上是M功能（M0－M99）的對應關系，下面的是H功能的對應： 840C： DB10/DR45 ------ 8M：FY32

 DB10/DL45 ------ FY33

 DB10/DR44 ------ FY34

     除此之外，還有兩個修飾信號要處理： 840C： DB10/D17.13 ------ 8M：F31.0

DB10/D17.8  ------ 8M：F31.3

    3.2.7 報警的處理

    3.2.7.1 接口信號的處理

    在8M系統中，有關報警的接口信號被安排在FY188－FY219中，而在840C系統中則被安排在DB58中，具體對應關系如下： 8M： FY188 ------ 840C：DB58/DL3

 FY189 ------ DB58/DR3

 FY190 ------ DB58/DL4

 ……  

 FY219 ------ DB58/DL19

    3.2.7.2 報警文本的處理

    由于8M系統對報警文本的處理比較特殊，因此在系統更新時這部分的處理比較麻煩。在此有必要將8M系統的報警文本處理作一介紹。

----在8M系統中，報警文本按照主謂結構存放在兩個數據塊中（DB4、DB5），而文本的組合關系則存放在另一個數據塊DB7中，每個報警信號對應DB7中的一個數據字，而這個數據字則確定了相應的報警文本是由數據塊DB4及DB5中哪兩個文本構成的。例如，F188.0對應DB7/DW0，若DW0的內容為KY=000,000，則對應的報警文本就是由DB4及DB5的第一段文本組合而成的。

----在進行系統更新時，首先要根據DB7、DB4及DB5的內容生成每個報警信號對應的報警文本，然后再將該文本按照840C系統報警文本的格式輸入到系統中，這樣就完成了報警文本的對應。

    3.2.8 模擬量的處理

    因為這一類機床都屬于大型設備，造價都比較高，因此機床廠商在生產時對安全防護措施都考慮得相當全面，而在這些安全防護措施里面有一部分就是通過系統的模擬輸入及模擬輸出模塊來完成的。因此，當我們進行系統改造時，對這一部分一定要仔細研究，使用新的模塊來實現原來的功能，而不能簡單地套用原程序，因為原來所用的模塊與新的模塊在數據格式、字長等方面有較大的不同，這一點是必須要注意的，否則可能就起不到防護的作用了。

    4. 新系統的調整

    新系統的調整主要是指坐標軸和主軸的調整。

    坐標軸的調整分為速度環和位置環。速度環的調整是指速度的匹配，即坐標軸的實際速度與系統指令電壓的匹配，這里需要調整的參數是最大指令電壓所對應的最高速度。另外，也可能要調整驅動部分測速機的反饋電位計。位置環的調整主要是調整軸的特性，包括跟蹤特性及加/減速特性，需要調整的參數就是軸的位置環增益及加速度。在這里有一點要特別強調的，那就是各插補軸在相同速度下跟蹤誤差要基本保持一致，這樣才能加工輪廓的圓整。

    主軸的調整主要是速度環的調整，即各檔速度的調整。這里只需掌握一個基本原則，即各檔的最高速度都對應10V的指令電壓。

    以上內容是根據自己幾年來對此類機床進行改造而獲得的經驗整理而出的，筆者使用這種方法改造了多臺機床，如哈爾濱汽輪機有限責任公司意大利進口INNSE數控落地鏜銑床、富春江富士電機有限公司德國進口SCHIESS數控鏜銑床、哈爾濱電機廠有限責任公司德國進口WOTAN數控鏜銑床，均獲得成功，由此可證明該方法是切實可行、行之有效的，特在此整理成文，希望對大家有所啟發和幫助。