1、 C5225 立式车床概况

C5225 立式车床自 1973 年出厂至今，已使用近 40 多年。随着市场和产品的变化，C5225 立车的功能已不能满足公司要求。主要表现：机床精度较差，机床使用期间从未进行过大修，只能完成产品的粗加工工序;机床的加工范围小，刀架系统的进给轴只能互相切换，不能联动，无法完成具有复杂曲面零件的加工;机床故障率高，机床一直处于超负荷运转状态，电控系统故障频繁，维修困难，造成机床长时间停机维修，严重影响生产效率;机床的适应性差，对不同零件的加工，需要先设计工装刀具设备，增加了生产成本。

　　 2、 C5225 立式车床改造要求

　　为满足公司的生产需求，加工具有复杂曲面的产品，改后造的 C5225 立车必须达到 6 项要求。

　　(1)更换电气控制系统，全面提高机床性能和稳定性。

　　(2)实现刀架两个进给轴的联动，使其具备直线插补和圆弧插补的功能，满足公司的加工需求。

　　(3)利用数控系统的模拟主轴功能，在 NC 系统中通过编程控制机床主轴。

　　(4)保留一个刀架用于常规加工或者备用。

　　(5)降低设备故障率，便于维护管理。

　　(6)增加 Mini 手持单元，使得对刀操作更加方便。

　　 3 、C5225 立式车床数控化改造方案

　　根据 C5225 立式车床的情况和改造要求，提出改造方案。保留右刀架的机械结构和手动操作功能不变，用 SINUMERIK828D 数控系统对左刀架的两个进给轴进行半闭环控制，使其可以进行联动，并且增加变频器实现主轴安全可靠的控制。

　　3.1 左刀架控制部分

　　将 C5225 立式车床左刀架的走刀箱拆除，各轴采用电机通过行星减速器与丝杠直连的方式进行设计，并更换新的滚珠丝杠。数控系统采用 SINUMERIK 828D，左刀架 Z 轴和 X 轴进给伺服驱动系统采用 SINAMICS S120 驱动系统和 1FK7 系列交流伺服电机。数控系统和驱动系统的产品见表 1。数控系统 SINUMERIK 828D 不仅需要和 MCP 模块、PP72/48D PN 模块通信，还需要和 S120 驱动系统连接起来，连接方式见图 1。通信线从 828D 的 Profinet 接口 PN1 连到 MCP483 的 X20 接口，又从 MCP483 的 X21 接口连到 PP72/48 D PN 模块的Port 接口，这样 828D PPU 就可以和 MCP、PP 模块进行通信。

表1 数控系统的组成部件

　　10 kW 的电源模块 SLM 是没有 DRIVE_CLIQ 接口的，所以828D 与 S120 的连接是从 PPU 的 X100 接口直接到 DMM 的 X200 接口，Z 轴和 X 轴电机内置的编码器连接到 DMM 的 X202、X203 接口(图 1)。

　　3.2 主轴控制部分

　　C5225 立式车床的原主电机为三相交流电机，启动方式为星/ 三角启动，制动方式为能耗制动。工作台共有 16 挡，通过机械齿轮传动进行变挡，而且主轴的操作集成在悬挂面板上。为了使主轴的控制更加方便快捷、安全可靠，增加变频器控制主轴，并且将机械挡位变为 4 挡，通过变频器实现主轴在挡位上的无极调速。主轴的操作既可以在悬挂面板上，也可以在 MCP 面板上。

　　SINUMERIK 828D 数控系统还提供了模拟主轴的功能，即不仅可以手动控制主轴，还可以在 NC 系统中通过编程指令控制主轴。在手动模式下，可以通过悬挂面板和 MCP 面板来控制主轴的正转、反转、加速、减速、正点、反点和停止。主轴变挡按钮是在 MCP 面板上。在编程模式下，可以通过变挡指令和运动指令来实现主轴的变挡控制和运动控制。828D 还提供了主轴挡位显示功能，无论是手动变挡还是编程变挡，都可以在 HMI 上显示目前主轴所在的挡位。

　　C5225 立式车床主轴的变频器连接见图 2。L1 为输入交流电抗器。可以防止电网高压输入而损坏整流部分元器件。S1-S8是开关量输入端子，通过功能码设置 S1-S8 的功能来控制主轴的运动。AI1 与 GND 为模拟量输入接口，与 828D PPU 的 X252.1 和 X252.2 脚连接起来，可以实现模拟主轴功能。RO1 和 RO2为继电器输出点，连接两个中间继电器，通过功能码设置中间继电器指示为变频器准备好与变频器过载报警。

　　4 、C5225 立式车床的调试

　　机床通电调试之前，要检查 DC 24 V 回路有无短路，驱动器进线电源模块与电机模块的直流母线连接是否可靠，DRIVECLiQ 电缆和 PROFINET 电缆连接是否正确 。一切正常之后，机 床方可通电。

　　4.1 驱动系统的调试

　　828D 数控系统上电之后，首先要进行系统的初始设定。在确保 PLC 控制程序所有的安全功能全部准确无误后，开始调试驱动。驱动的调试包括配置驱动和分配轴：在 HMI 上通过MENU→调试→驱动系统→驱动设备进入驱动配置界面，按“确认”键开始配置驱动;必须用 Startup-tool 软件来进行轴分配，打开 Startup-tool 软件，点击“Drive system”→“Drives”，按照提示就可以完成轴的分配。分配轴的过程中一定要注意各个轴的配置选择，正确选择各个轴的电机是否带抱闸。

　　4.2 系统的轴控制使能链

　　系统的轴控制使能链就是指系统各部分上电顺序的先后。SINUMERIK 828D 和 S120 驱动系统上电的第一步是给电源模块加 EP 使能，即电源模块 SLM 上的 X21.3 给入 24 V。间隔100 ms 后，可以加 OFF1 使能，即 PPU 的 X122.1 给入 24 V。OFF1 使能加上后，可以加 OFF3 使能，即 PPU 的 X122.2 给入24 V;加 OFF3 的同时可以给各轴加脉冲使能和控制使能，即PLC 接口地址 DB380x.DBX4001.7 和 DB380x.DBx2.1=1。按下急停开关时，首先应该断掉 OFF3，待所有轴出现静止信号(PLC：DB390x.DBX1.4)时，可以同时断开 OFF1、脉冲使能和控制使能，OFF1 断开后延时 100ms 断开 EP 使能。可以通过828D PPU 上的按键“MENU”→“诊断”→“〉”→“轴诊断”来查看系统各部分的使能是否已加上。

　　4.3 机床参数的设置

　　驱动配置之后，还有一些与机械相关的机床数据需要自行设定。只有设定这些参数之后，才可以在 NC 系统中控制左刀架的进给轴和主轴。需自行设定的参数见表 2。

　　 表 2 自行设定的机床参数

　　C5225 立式车床的输入输出模块是采用西门子的 PP72/48D PN 模块，该模块提供 72 个输入点和 48 个输出点。C5225立式车床左刀架的运动是由数控系统控制的，无需 PLC编程控制。而 MCP 面板、急停、手持单元的程序都是从 828D 子程序库中调用。油泵电机、横梁电机、右刀架快速电机、进给电机、主电机的控制程序以及报警文本程序需自己编制。

　　 5 、改造效果

　　C5225 立式车床改造之后，电气控制系统运转正常，左刀架的 Z 轴和 X 轴可以联动，可以加工球面瓦等类似的工件，而且电控系统稳定，无故障发生，可以实现 9 项功能，达到了数控化改造的预期目标。

　　(1)左刀架的进给轴 X 轴和 Z 轴可以实现联动，具备直线插补和圆弧插补的功能，可以加工具有复杂曲面的零件。

　　(2)可以用 Mini 手持单元控制左刀架的进给轴，使得操作者手动操作更加灵活，对刀变得更加容易。

　　(3)保留了右刀架的功能，可以作为常规加工使用或备用。

　　(4)增加变频器控制主轴，使得主轴的控制更加安全可靠，而且可以实现主轴在挡位上的无极调速。

　　(5)主轴的操作更加方便，既可以在悬挂面板操作，也可以在 MCP 面板上操作。

　　(6)可以在 HMI 上看到主轴的挡位显示。

　　(7)增加了模拟主轴的功能，可以通过编程指令实现主轴的自动换挡和运动控制。

　　(8)在 HMI 上创建了报警文本，可以方便快速的发现机床故障，缩短了故障排除时间。

　　(9)在机床左刀架安装精密行程开关，使机床运行更加安全可靠。