基于西門子 828D 的數控銑床改造控制系統及電氣應用的配置應用設計
2020-6-18 來源： 平高集團有限公司 作者：李超 李曉輝 譚愷陽 劉曉可 崔文霞
摘要：由于數控加工機床設備對系統穩定性要求很高，因此本文采用德國西門子公司的SINUMERIK；828D PPU 241.3 Basic M水平型；伺服驅動部分采用與 828D 配套的 S120 伺服驅動及配套的電機，內置 PLC,以使用梯形圖編程方式的 SIMATIC S7-200 指令組為基礎，所選輸入/輸出點數滿足機床控制要求，設計 PLC 程序及報警文本，確保機床工作穩定可靠，監控報警全面有效，方便操作及維護。
關鍵詞：西門子 828D；數控銑床；控制系統改造；電氣控制
0 引言
許多電器設備都要求運行在特定的環境條件下，溫度過低、溫度過高、過大都會對電力設備的安全運行構成威脅。為了提高設備運行的可靠性，本文采用德國西門子公司的 SINUMERIK；828D PPU241.3 Basic M 水平型，整套裝置由西門子公司提供。
允許環境溫度：貯存及運輸-20~70℃，工作 0~55℃。I/O 模塊與 PROFIBUS 連接，提供 72 點數字輸入和 48點數字輸出 （24V，0.25A），I/O 可擴展。SINUMERIK；828D PPU 241.3 Basic M 水平型采用機電一體化設計結構，機床的所有操作均可在機床控制面板上實現。
機床采用三相 380V 交流電源供電，機床電氣總功率約 10KW，機床總電流 50A。
1 、總體方案設計
本文采用德國西門子公司的 SINUMERIK；828DPPU241.3 Basic M 水平型；
①主要系統系統配置：SINUMERIK828D 是基于面板的數控系統（Panel processing unit）。CNC、PLC、操作面板和 5 軸驅動控制（標配）都集成在一個單元中。這種結構可以省去 CNC 電路板和操作面板之間的硬件接口, 從而大大提高系統的耐用度。
并且為了確保免維護運行,系統沒有使用如風扇和緩沖蓄電池等易損件。CNC 操作面板配備了專用于車銑工藝的系統軟件: BASIC M PPU24x，適用于水平型的操作面板外殼內置 QWERTY CNC 全鍵盤，帶有短行程機械按鍵。因此可以直接輸入零件程序文本、刀具名稱以及明碼文木語言指令，無需按下 Shit 輸入雙檔鍵的第二行字符。
鍵盤的防護等級達到 IP65。操作面板正面有 USB、CF 卡和以太網接山此外，背面也有以太網接凵，用于接入工）網絡。基于 PROFINET 技術的 PLC I / O 接口 1，用于連接 PLC 外設和機床控制而板。PP72/48DPN 和PP72/48D2/2APN，用作 PLC 外設模塊。可連接 2 個手輪，銑削應用中可最多使用 5 根進給軸/主軸。 1 個加工通道及運行方式組。內置 PLC以使用梯形圖編程方式的SIMATIC S7-200 指令組為基礎，所選輸入/輸出點數滿足機床控制要求，設計 PLC 程序及報警文本，確保機床工作穩定可靠，監控報警全面有效，方便操作及維護。
②SINAMICS S120 驅動系統。本機床采用s120 驅動系統，整套裝置由西門子公司提供。允許環境溫度：貯存及運輸-20~70℃，工作 0~55℃SINAMICS 驅動系統之一的 SINAMICS S120 具有模塊化設計，可以提供高性能的單軸和雙軸驅動，具有廣泛的工業應用價值。
1）進給軸驅動模塊配置。X、Y、Z、各軸進給驅動采用 Smart Line Module; 16.00k W（智能線路模塊；16 千瓦）18 A 雙電機模塊；9 A 雙電機模塊；進線電抗器等驅動裝置組件，實現機床各軸的進給控制。其中 Z 軸電機內置抱閘。各伺服電機防護等級IP67。
2）主軸單元模塊配置。主軸部分采用 7KW 的 1PH8 伺服主軸電機及 S120驅動替代原主軸變頻器及電機。重新編寫本機床的換擋程序，結合換擋指令的變化而實現自動換擋功能。
3）機床的 X、Y、Z、SP 供電系統及伺服電機模塊配置。X 軸電機供電電纜：5 米無制動電纜，快速連接（固定安裝）；5 米 DRIVE-CLi Q 電纜；DRIVE-CLi Q 電纜、防護等級 IP20 / IP67（固定安裝）；同步伺服電機；功率 2.29 千瓦；軸高度 63 毫米。
y 軸電機供電電纜：5 米運動連接無制動電纜，快速連接（固定安裝）；5 米 DRIVE-CLi Q 電纜；DRIVE-CLi Q 電纜、防護等級 IP20 / IP67（固定安裝）；同步伺服電機；功率2.29 千瓦；軸高度 63 毫米。Z 軸電機供電電纜：10 米與制動電纜，快速連接（固定安裝）；10 米 DRIVE-CLi Q 電纜；DRIVE-CLi Q 電纜、防護等級 IP20 / IP67（固定安裝）；同步伺服電機；功率 2.29 千
瓦；軸高度 63 毫米。
主軸電機供電電纜：10 米無制動電纜（固定安裝）；10米 DRIVE-CLi Q 電纜；DRIVE-CLi Q 電纜、防護等級 IP20 /IP67（固定安裝）。
③機床電氣控制單元。電源模塊配置滿足主軸及進給要求，并配相應的進線電抗器與電源濾波器制作分體式主電柜柜體，更換電氣柜內所有低壓電氣元件。電柜內的斷路器、接觸器、繼電器、
主令電器等電氣元件采用施耐德品牌，主要接插件、電線電纜、接頭等均為國內優質品牌件。
柜內器件采用封閉式線槽走線方式，布線符合電氣走線工藝標準，同時也便于檢測維修；接線端線號管用打號機打印，標號清晰、耐油不脫落。用國內品牌電纜更換失效的機床外部電纜。采用歐姆龍或安士能產品更換失效的限位開關、壓力開關。
1） 機床供電的基本要求。本機床必須采用交流電源（三相四線制）供電。電線直徑不得小于推薦截面積，端部必須采用額定容量的冷壓接線端子牢固壓接。否則易導致局部過熱引發火災。
本機床必須有牢固可靠專用接地螺釘接地。機床工作廠地不許具有高頻發生器之類的設備。
2）機床通電前的檢查。必須確認保護接地線已經牢固可靠的接在機床指定的螺釘上。檢查配電箱內的接觸器、空氣開關、繼電器，確認無松動、脫落。檢查數控系統的電源模塊、驅動模塊、IO
模塊，確認接線無松動、脫落。
3） 機床送電。機床通電前的檢查工作全部做完切無誤，機床具備送電條件可以送電。合上總電源開關，操作面板上的電源指示燈點亮，若電源指示燈不亮，請檢查三相電源，如電源正常請檢查電源指示燈是否損壞。首次通電必須確認電源相序。電源相序錯誤會引發一系列不應發生的故障：如冷卻泵不上水、潤滑油位。
4）數控系統送電。確認電氣箱門完全關上，若在開啟狀態，注意是否在檢修中。確認所有冷卻風扇動作正常。合上總電源開關，數秒鐘后顯示屏亮，等系統完全啟動后，系統處于參考點操作方式，此時請松開急停，然后按按鈕加載驅動使能。數控系統上電完成并進入可操作狀態。如有報警存在，請查清故障原因清除報警后再操作機床。
5）機床斷電。確認機床的所有操作停止，機床處于停止狀態。按下急停開關。關斷電源總開關。
6）冷卻控制。本機的工件冷卻有自動和手動兩種控制方式。在 AUTO 和 MDA 方式下，可用 M08 指令接通冷卻電機，M09 指令斷開冷卻電機；手動可以通過機床控制面板上的“冷卻”啟停；床頭箱操作板上的冷卻按鈕也可控制冷卻的啟停。另外急停和復位也可以使冷卻停止。
7）潤滑控制。本機床采用集中自動潤滑，請定期檢查機床的潤滑情況。當潤滑液面低的時候，機床會發出潤滑液面低的提示信息，這時請添加潤滑油。
8）機床超程和解除。在操作過程中，由于某種原因（如操作失誤、編程錯誤）可能會使機床刀臺在某一方向的移動位置超出由機床數據 MD36100、MD36110 設定的機床行程，數控系統會顯示報警并停止軸的移動，此時沿著反方向移動即可消除報警。
9）緊急停止操作。不管在哪種工作方式下，如有急緊情況需要立即停止機床的運轉，請按下急停開關。按下操作面板上的急停開關后，不論在何工作方式下，機床所有軸的進給，主軸的旋轉都會立即減速停止，并在顯示器上顯示 3000 急停報警信息。提示處于急停狀態，解除急停時，請順時針方向旋轉急停開關，當機床恢復到正常狀態時，按下復位鍵報警信息會自動消除。引起急停的原因有：拍下了急停開關、驅動器出現故障，當引起急停的原因排除后，按復位可退出急停。
10）復位。當系統處于自動或數據輸入方式時按下機床操作面板上的復位按鈕，機床所有坐標軸減速停止，主軸轉動停止，此時 NC 系統處于復位狀態，可重新選擇工作模式，進行其它操作。
④系統 CF 卡的使用。828D 系統的 PPU 上具備兩個 CF 卡插槽；用戶 CF 卡插口位于面板正面的保護蓋下面，帶有系統軟件的 CF 卡槽位于后保護板上。保存系統軟件的 CF 卡；提供的系統軟件 CF 卡是自引導啟動式存儲卡。在運行 PPU 時必須使用系統軟件 CF 卡。除了工藝專用的 SINUMERIK828D 系統軟件和 SINAMICS 固件外，系統軟件 CF 卡上還包含版本信息（序列號、版本、型號名稱）許可證密鑰。
因此，CF 卡可以插入到其它 PPU 中，無需更改許可證。
2 、結論
針對老系統存在的故障多、穩定性差等問題，對老系統機床進行數控系統更新改造是提高生產效率和設備穩定性重要手段。本文提出了采用西門子 D828D 數控系統來改造 ZK7640 數控鏜銑床，主要完成了 ZK7640 數鏜銑床改造中的數控裝置、伺服裝置驅動系統側選型和配置，系統連接和各部接口的連接，常用參數、主軸參數、伺服參數的設定。改造后的機床運轉正常穩定達到了改造目的。
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