西门子802D数控系统在车轮车床数控改造上的应用

西门子802D数控系统在C8011B车轮车床数控改造上的应用长久以来，铁路系统在镟修客货车车轮时，使用的设备绝大部分都是某重型机床厂在八九十年代生产的C8011B车轮车床，该车床有两个刀架，每个刀架带两个坐标轴（X轴和Z轴），采用电子仿型的方法对火车轮对的轮缘和踏面进行加工，踏面形状如图1：图1由于电子仿型的加工方法精度不高，因此加工出来的轮缘踏面形状较差。另外机床的动作控制方面采用老式的继电器电路控制，电路复杂，故障率高，给维修带来了一定的困难。随着我国铁路事业的发展，为适应铁路实施提速和发展高速列车的需要，车轮轮缘踏面的制造精度和镟修标准越来越高，而原有的用仿型方法加工车轮已经远远不能满足精度要求，对该机床实行数控化改造是满足这一要求最经济、最有效的方法。近两年来，各铁路车辆段和车轮厂纷纷对其原有的C8011B车轮车床进行数控改造，我们在使用西门子的802系列数控系统对该机床的改造过程中，先后使用了西门子的802S、802C、802D数控系统，其中，采用802D数控系统的设备改造方案较具典型性。选择设备的改造方案时，首先需要考虑的是满足改造要达到的几个要求：1、刀架X轴和Z轴的控制由原仿型控制改由数字轴控制。2、将原机床的所有动作控制由原继电器电路控制改为PLC控制。3、切削后的踏面形状满足精度要求，同时操作尽量简单。为满足以上条件，我们选用了西门子的802D数控系统，该系统是西门子公司近年来推出的数字化数控系统，它的车床版标准配置中带了一块PP72/48模板，可以实现72点输入和48点输出的PLC控制，同时驱动模块为一个双轴功率模块，可以带两个线性轴和一个主轴，在伺服电机中内置了速度反馈和位移反馈传感器可以和主机一起形成一个半闭环控制系统从而能达到很高的机床精度。而且价格适中，具有很高的性价比，可以很好的满足设备数控改造的要求。由于C8011B车轮车床采用两个刀架对火车轮对的左右踏面同时加工，因此我们采用了两套802D系统分别控制左右刀架的运动。而机床所有动作控制则全部由左刀架802D系统的PLC控制单元来控制。左侧802D系统的主要硬件配置为：1、PCU主机1块2、全功能竖直键盘1块3、PP72/48模板1块4、611UE驱动电源5KW1块5、611UE双轴闭环控制单元1块6、611UE双轴功率模块1块7、1FK6电机3000RPM18NM2个8、外接2500P/旋转编码器1个9、连接电缆和PROFIBUS数据总线若干左右两侧系统的硬件配置相同，使用一个SIMODRIVE611UE双轴控制模块来控制两个伺服电机分别驱动X轴刀架和Z轴刀架。右侧系统的PLC单元只处理系统本身的PLC指令。而MCP（机床控制面板）则和机床动作按钮面板集成在一起自制。在硬件配置中，我们选用了一个标准配置之外的外接旋转编码器，选用原因如下：因为数控改造的条件所限，虽然我们将原X轴和Z轴的丝杆换成了滚珠丝杆，但中间的传动机构仍为旧的传动机构，在伺服电机带动X轴和Z轴滑台的传动过程中，X轴和Z轴的传动结构如图2所示：图2由上图可见，对于X轴来说，由于齿轮传动级数不多，传动间隙不大，因此可以采用标准配置使用伺服电机内置的速度反馈和位移反馈，此时X轴的滑台运动精度也能满足要求。而对于Z轴来说，传动级数多，而且还有两级锥齿轮传动，因此传动间隙大大增加，如果我们仍采用伺服电机端的位移反馈的话，那么Z轴的滑台运动精度就得不到保障。解决的方法虽然有很多，比如更换齿轮传动或是在Z轴导轨上加装光栅尺等等，但因条件所限和价格等原因都不是很好的解决办法。对于这特殊情况，为了解决这一问题，最终我们考虑采用了在Z轴滚珠丝杆端连接一外接旋转编码器的办法，连接方法如图3。图3此时Z轴的位移反馈信号直接检测的是Z轴滚珠丝杆端的位移信号，而电机和滚珠丝杆间齿轮传动的传动间隙都被包含在了闭环链中，因此Z轴滑台的运动精度得到了很大提高，满足了精度要求。但是在802D系统的驱动配置中，线形轴的控制接口里并没有象802S或802C系统一样有一个专门的编码器接口，它只有两个接收电机反馈信号的X412和X411接口。此时Z轴的外接编码器的信号该如何连接呢？在611UE双轴闭环控制单元上，我们看到有一个X472接口，此接口是用来接收主轴的编码器信号的，而在我们的数控改造中并没有用到主轴控制，因此通过修改系统内部参数后我们就可以使用这个接口来接受Z轴的外接编码器反馈信号了。将外接编码器的连接电缆如图3连接后，我们只需要修改802D系统内部的系统数据和双轴功率模块中的驱动数据，将Z轴的伺服电机内置的位移反馈信号屏蔽而采用外接编码器的反馈信号就可以了。这种在滚珠丝杆端安装外接编码器的方法安装方便，增加的成本不多但使用效果很好，因此性价比极高。需要注意的只是在安装调试过程中要仔细的设置相关的机床数据。对于原机床的继电器控制电路的改造，虽然机床动作并不是很多，但是控制较复杂，动作之间的安全互锁较多，因此在原电柜中的电路显得十分复杂，而全部换成了由802D系统的PLC单元控制之后，外部控制电路得到了极大的简化。802D系统标准配置中的PP72/48模板能够提供72位的输入点和48位的输出点，输入输出点足够机床使用，不用象其它的一些数控系统那样要额外增加I/O输入输出点模块。在数控加工程序的编制上，802D采用的是数控系统通用的G代码编程。程序简洁，在本机床的程序编制上，由于加工出的踏面形状的精度要求较高，而且对操作的简单性用户也提出了很高的要求，因此在程序的编制中我们特别考虑了这一点。如图1所示，由于加工轮对时操作者使用的是直径测量，而一般情况下我们在车床的切削加工编程时在X轴方向上的进刀是采用相对坐标的方式或是设定机床工件坐标，采取零点偏移的方法进行加工，但是在这一机床中并不适用。为了简化操作，我们采用了西门子系统中的R参数来设定切削量，在程序中对相应的R参数编程之后，操作者在加工时只需在R参数中输入要加工的轮对直径值，那么程序会自动换算出切削量并进行切削，极大的方便了操作。另外由于轮对左右轮径加工后的尺寸要求较严，加工后的左右轮径差不能大于0.5mm。因此我们在R参数中设置了一个初始的对刀参数来调整切削基准。在刀杆长度或数控系统的参考点发生变化时可以十分快捷方便的修改基准，使得输入的直径值和实际切削出的轮对直径值保持完全一致。还有一点是在切削轮对时，对于其他数控系统，Z轴方向通常操作者在内侧面对刀后需要将Z轴的当前坐标值输入参数中，而802D数控系统中的可读取当前坐标值的功能可以使操作工不用输入数据，我们只需在加工程序中添加“R0=$AA-IM[Z]”后，系统就可以把当前的Z轴坐标值直接读入到R参数的R0中，这样操作者在操作时就只需要输入每对轮对要加工的轮径值就可以直接加工了，十分简单方便。在一台设备的数控改造过程中，电磁干扰现象一直是一个在安装调试现场中经常困扰调试人员的很大问题，由于使用旧设备的车间和场地一般来说工作环境比较恶劣，强干扰源多，而且电网的电压波动较大，零线、地线质量不是很高，因此在调试过程中经常碰到干扰现象。为了消除干扰，设计和调试人员不得不付出额外的很多精力。例如我们曾在一台使用其它系统进行数控改造的车轮车床中遇到以下情况：平时数控系统都工作正常，但每天总有一两次数控系统在工作中突然急停，屏幕显示报警为X轴编码器硬件故障，重新上电后机床又恢复正常，对此我们开始怀疑是位移编码器损坏或是线路接触不良，但查了很长时间，采取了很多措施都未能消除这一现象的产生，最终的检查结果确定是系统受到了车间电压瞬间波动的干扰，后来不得不在设备电源进线端加装了一个稳压变压器，并单独安装了一条质量很好的地线。虽然最终解决了问题，但是浪费了很多的时间和精力。采用了西门子的802D系统之后，由于该系统采取了当前十分流行的使用Profibus数据总线将各个功能模块相连的通讯方式，因此不但结构简单，而且抗干扰性大大增加，减少了数控设备因电磁干扰而产生各种不明故障现象的可能性。在我们对铁路系统多个单位的C8011B车轮车床用西门子的802D数控系统进行了数控改造后，改造后的机床性能可靠、加工精度高、操作简单、维护方便，因此得到了用户的广泛认可和高度评价。