基于西门子 828D 的数控铣床改造控制系统及电气应用的配置应用设计
2020-6-18 来源： 平高集团有限公司 作者：李超 李晓辉 谭恺阳 刘晓可 崔文霞
摘要：由于数控加工机床设备对系统稳定性要求很高，因此本文采用德国西门子公司的SINUMERIK；828D PPU 241.3 Basic M水平型；伺服驱动部分采用与 828D 配套的 S120 伺服驱动及配套的电机，内置 PLC,以使用梯形图编程方式的 SIMATIC S7-200 指令组为基础，所选输入/输出点数满足机床控制要求，设计 PLC 程序及报警文本，确保机床工作稳定可靠，监控报警全面有效，方便操作及维护。
关键词：西门子 828D；数控铣床；控制系统改造；电气控制
0 引言
许多电器设备都要求运行在特定的环境条件下，温度过低、温度过高、过大都会对电力设备的安全运行构成威胁。为了提高设备运行的可靠性，本文采用德国西门子公司的 SINUMERIK；828D PPU241.3 Basic M 水平型，整套装置由西门子公司提供。
允许环境温度：贮存及运输-20~70℃，工作 0~55℃。I/O 模块与 PROFIBUS 连接，提供 72 点数字输入和 48点数字输出 （24V，0.25A），I/O 可扩展。SINUMERIK；828D PPU 241.3 Basic M 水平型采用机电一体化设计结构，机床的所有操作均可在机床控制面板上实现。
机床采用三相 380V 交流电源供电，机床电气总功率约 10KW，机床总电流 50A。
1 、总体方案设计
本文采用德国西门子公司的 SINUMERIK；828DPPU241.3 Basic M 水平型；
①主要系统系统配置：SINUMERIK828D 是基于面板的数控系统（Panel processing unit）。CNC、PLC、操作面板和 5 轴驱动控制（标配）都集成在一个单元中。这种结构可以省去 CNC 电路板和操作面板之间的硬件接口, 从而大大提高系统的耐用度。
并且为了确保免维护运行,系统没有使用如风扇和缓冲蓄电池等易损件。CNC 操作面板配备了专用于车铣工艺的系统软件: BASIC M PPU24x，适用于水平型的操作面板外壳内置 QWERTY CNC 全键盘，带有短行程机械按键。因此可以直接输入零件程序文本、刀具名称以及明码文木语言指令，无需按下 Shit 输入双档键的第二行字符。
键盘的防护等级达到 IP65。操作面板正面有 USB、CF 卡和以太网接山此外，背面也有以太网接凵，用于接入工）网络。基于 PROFINET 技术的 PLC I / O 接口 1，用于连接 PLC 外设和机床控制而板。PP72/48DPN 和PP72/48D2/2APN，用作 PLC 外设模块。可连接 2 个手轮，铣削应用中可最多使用 5 根进给轴/主轴。 1 个加工通道及运行方式组。内置 PLC以使用梯形图编程方式的SIMATIC S7-200 指令组为基础，所选输入/输出点数满足机床控制要求，设计 PLC 程序及报警文本，确保机床工作稳定可靠，监控报警全面有效，方便操作及维护。
②SINAMICS S120 驱动系统。本机床采用s120 驱动系统，整套装置由西门子公司提供。允许环境温度：贮存及运输-20~70℃，工作 0~55℃SINAMICS 驱动系统之一的 SINAMICS S120 具有模块化设计，可以提供高性能的单轴和双轴驱动，具有广泛的工业应用价值。
1）进给轴驱动模块配置。X、Y、Z、各轴进给驱动采用 Smart Line Module; 16.00k W（智能线路模块；16 千瓦）18 A 双电机模块；9 A 双电机模块；进线电抗器等驱动装置组件，实现机床各轴的进给控制。其中 Z 轴电机内置抱闸。各伺服电机防护等级IP67。
2）主轴单元模块配置。主轴部分采用 7KW 的 1PH8 伺服主轴电机及 S120驱动替代原主轴变频器及电机。重新编写本机床的换挡程序，结合换挡指令的变化而实现自动换挡功能。
3）机床的 X、Y、Z、SP 供电系统及伺服电机模块配置。X 轴电机供电电缆：5 米无制动电缆，快速连接（固定安装）；5 米 DRIVE-CLi Q 电缆；DRIVE-CLi Q 电缆、防护等级 IP20 / IP67（固定安装）；同步伺服电机；功率 2.29 千瓦；轴高度 63 毫米。
y 轴电机供电电缆：5 米运动连接无制动电缆，快速连接（固定安装）；5 米 DRIVE-CLi Q 电缆；DRIVE-CLi Q 电缆、防护等级 IP20 / IP67（固定安装）；同步伺服电机；功率2.29 千瓦；轴高度 63 毫米。Z 轴电机供电电缆：10 米与制动电缆，快速连接（固定安装）；10 米 DRIVE-CLi Q 电缆；DRIVE-CLi Q 电缆、防护等级 IP20 / IP67（固定安装）；同步伺服电机；功率 2.29 千
瓦；轴高度 63 毫米。
主轴电机供电电缆：10 米无制动电缆（固定安装）；10米 DRIVE-CLi Q 电缆；DRIVE-CLi Q 电缆、防护等级 IP20 /IP67（固定安装）。
③机床电气控制单元。电源模块配置满足主轴及进给要求，并配相应的进线电抗器与电源滤波器制作分体式主电柜柜体，更换电气柜内所有低压电气元件。电柜内的断路器、接触器、继电器、
主令电器等电气元件采用施耐德品牌，主要接插件、电线电缆、接头等均为国内优质品牌件。
柜内器件采用封闭式线槽走线方式，布线符合电气走线工艺标准，同时也便于检测维修；接线端线号管用打号机打印，标号清晰、耐油不脱落。用国内品牌电缆更换失效的机床外部电缆。采用欧姆龙或安士能产品更换失效的限位开关、压力开关。
1） 机床供电的基本要求。本机床必须采用交流电源（三相四线制）供电。电线直径不得小于推荐截面积，端部必须采用额定容量的冷压接线端子牢固压接。否则易导致局部过热引发火灾。
本机床必须有牢固可靠专用接地螺钉接地。机床工作厂地不许具有高频发生器之类的设备。
2）机床通电前的检查。必须确认保护接地线已经牢固可靠的接在机床指定的螺钉上。检查配电箱内的接触器、空气开关、继电器，确认无松动、脱落。检查数控系统的电源模块、驱动模块、IO
模块，确认接线无松动、脱落。
3） 机床送电。机床通电前的检查工作全部做完切无误，机床具备送电条件可以送电。合上总电源开关，操作面板上的电源指示灯点亮，若电源指示灯不亮，请检查三相电源，如电源正常请检查电源指示灯是否损坏。首次通电必须确认电源相序。电源相序错误会引发一系列不应发生的故障：如冷却泵不上水、润滑油位。
4）数控系统送电。确认电气箱门完全关上，若在开启状态，注意是否在检修中。确认所有冷却风扇动作正常。合上总电源开关，数秒钟后显示屏亮，等系统完全启动后，系统处于参考点操作方式，此时请松开急停，然后按按钮加载驱动使能。数控系统上电完成并进入可操作状态。如有报警存在，请查清故障原因清除报警后再操作机床。
5）机床断电。确认机床的所有操作停止，机床处于停止状态。按下急停开关。关断电源总开关。
6）冷却控制。本机的工件冷却有自动和手动两种控制方式。在 AUTO 和 MDA 方式下，可用 M08 指令接通冷却电机，M09 指令断开冷却电机；手动可以通过机床控制面板上的“冷却”启停；床头箱操作板上的冷却按钮也可控制冷却的启停。另外急停和复位也可以使冷却停止。
7）润滑控制。本机床采用集中自动润滑，请定期检查机床的润滑情况。当润滑液面低的时候，机床会发出润滑液面低的提示信息，这时请添加润滑油。
8）机床超程和解除。在操作过程中，由于某种原因（如操作失误、编程错误）可能会使机床刀台在某一方向的移动位置超出由机床数据 MD36100、MD36110 设定的机床行程，数控系统会显示报警并停止轴的移动，此时沿着反方向移动即可消除报警。
9）紧急停止操作。不管在哪种工作方式下，如有急紧情况需要立即停止机床的运转，请按下急停开关。按下操作面板上的急停开关后，不论在何工作方式下，机床所有轴的进给，主轴的旋转都会立即减速停止，并在显示器上显示 3000 急停报警信息。提示处于急停状态，解除急停时，请顺时针方向旋转急停开关，当机床恢复到正常状态时，按下复位键报警信息会自动消除。引起急停的原因有：拍下了急停开关、驱动器出现故障，当引起急停的原因排除后，按复位可退出急停。
10）复位。当系统处于自动或数据输入方式时按下机床操作面板上的复位按钮，机床所有坐标轴减速停止，主轴转动停止，此时 NC 系统处于复位状态，可重新选择工作模式，进行其它操作。
④系统 CF 卡的使用。828D 系统的 PPU 上具备两个 CF 卡插槽；用户 CF 卡插口位于面板正面的保护盖下面，带有系统软件的 CF 卡槽位于后保护板上。保存系统软件的 CF 卡；提供的系统软件 CF 卡是自引导启动式存储卡。在运行 PPU 时必须使用系统软件 CF 卡。除了工艺专用的 SINUMERIK828D 系统软件和 SINAMICS 固件外，系统软件 CF 卡上还包含版本信息（序列号、版本、型号名称）许可证密钥。
因此，CF 卡可以插入到其它 PPU 中，无需更改许可证。
2 、结论
针对老系统存在的故障多、稳定性差等问题，对老系统机床进行数控系统更新改造是提高生产效率和设备稳定性重要手段。本文提出了采用西门子 D828D 数控系统来改造 ZK7640 数控镗铣床，主要完成了 ZK7640 数镗铣床改造中的数控装置、伺服装置驱动系统侧选型和配置，系统连接和各部接口的连接，常用参数、主轴参数、伺服参数的设定。改造后的机床运转正常稳定达到了改造目的。
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