西门子数控840D五轴联动加工中心的改造

0 引言

　　20世纪80年代我国大批引进的高档数控机床已经进入电子元件老化期，但其机械部分往往仍然保持良好的性能状态。为了降低成本，获得最大化的使用价值，通过较简单的数控系统置换和技术处理来进行的升级改造，就成了一种必然之选。

　　一般数控机床的数控系统在使用15年左右后就进入了产品老化期，故障率和维修成本会显著增加。这时用新的数控系统进行升级改造，与购买动辄上千万元的新设备相比，具有投资少、周期短、风险小等优点。而且又能与时俱进，增加原系统的功能，改善和提高设备整体性能，最终为用户创造最大化的经济效益。

1 设备现状与改造需求

　　MC-B74是本公司90年代初，从瑞士WYSS—BROD公司引进的五轴联动卧式加工中心。该机床原数控系统配置的是BOSH Micr08，主轴和进给驱动都采用SIEMENS的直流调速系统。驱动系统有6个：主轴(S轴)旋转、x轴横向进给、z轴纵向进给、y轴升降运动、以及曰、c轴的旋转运动。配有32个刀位的盘式刀库及机械手自动换刀系统。x、y、Z三个直线轴的位置检测装置为光栅尺，日、C两个旋转轴的则为圆感应同步器。目前BOSH Micr08系统早已停产，虽然公司早先购买了几十万元的备件，但由于老化、缺损等原因而无力保证其继续运行，机床在2006年故障后，因无法修复而闲置了较长的一段时间，经过调研，公司最终决定对其进行数控系统的升级改造。

2 整体改造方案

　　由于是全进口设备，经检测其机械性能仍然保持良好，液压系统也工作正常。所以总的改造方案是：在保留原机械结构的基础上，用目前国内广泛应用的SIEMENS 840D数控系统替代原BOSH Micr08数控系统；采用配套的SIEMENS 611D数字交流伺服系统替代原可控硅直流调速系统；用SIEMENS当前流行的交流主轴与伺服电机替代原直流的电机；刀库旋转由1FT6全数字交流伺服电机驱动，实现半闭环控制；各轴的检测装置则采用德国HEIDENHAIN的LB382C型直线光栅和RON285圆光栅分别进行替换。整体控制系统组成原理，如图1所示。

图1改造后控制系统简图 

3 改造中的重点事项

　　3.1 数控系统的配置

　　SIEMENS 840D系统是西门子公司90年代中期推出的一款纯数字化的高档数控系统，也是国内应用于五轴以上机床的典型系统，考虑到其市场的广泛性及品牌的信誉度，公司最终选择了840D系统进行改造。并根据相关技术要求进行了系统的配置。具体配置情况见表1所示。

　　3.2 自动换刀动作的PLC编程设计

　　此次改造使用的是西门子公司的s7．300 PLC模块。在PLC程序设计中，自动换刀编程是重要的外围动作设计任务。该加工中心的刀具交换装置采用可双向旋转的盘式刀库，通过单臂双爪的机械手用16个步骤将刀库中的刀具装到主轴上，每个动作我们都用M代码进行设定，如表2所示。

　　具体的换刀步骤为：①M42——刀库定位销松开；②M37——根据T代码刀库正转或反转到换刀点；③M43——刀库定位销锁紧；④M32——刀塔向前移动；⑤M40——卡刀器拉开，换刀点刀座旋转90度；⑥M34——机械手向刀塔移动，左爪握住刀库上的新刀；⑦M19——主轴定向；⑧M33——机械手向主轴动移，右爪抓住主轴上的旧刀；⑨M44——主轴松刀；⑩M36——机械手臂伸出，两爪同时拔出新、旧刀；⑩M38——机械手臂正转(或反转)180度，新、旧刀交换；⑥M35——机械手臂退回，两爪同时装上新刀、旧刀；⑩M45——主轴拉刀；⑩M41——卡刀器退回，换刀点刀座复位；⑩M46——机械手复位；⑩M31——刀塔向后运动复位。

　　为防止某个动作不到位，在编程过程中加入了到位信号互锁。另外，主轴换档、坐标运动、紧急停止、冷却液开关、转台夹紧、松开等其它动作的PLC编程设计跟一般卧式加工中心的类似，在此不再介绍。