1 数控系统的选择

1. 改造MC340加工中心的意义
   某厂的MC34O加工中心的数控系统遭到意外伤害后，不能修复，而原设计存在着一些问题。为了修复机床，克服原设计的不足，所以提出进行改造。所谓的改造，就是在保持原有功能和性能的基础上，增加新的功能，或者提高性能，或者是提高技术指标，以达到提高生产率，增加经济效益的目的。改造数控机床，首要问题是如何选用数控系统。一台数控设备性能的好坏，主要取决于数控系统的性能。而改造后的设备要比改造前的设备性能有所改进，有所提高，这是其改造的目的。那么要达到这一目的，所选用的数控系统的性能就应有所提高，配置就应有所改进。
   改造工作的第一步，就是要对所改造的设备的性能、功能、各项技术指标全面分析、了解，掌握电气工作原理，初步确定改造工作的目标，依据市场调研情况，拟定改造方案，提出综合指标，再根据综合指标结合市场情况进行论证和审核改造方案，使改造项目的综合指标达到最佳。
2. MC34O加工中心原配置情况简介
   MC340机械加工中心，是一台高精密、高效率、高可靠性的数控机床，系德国STAMA公司1994年研制的最新成果，机床共有8个轴，线性插补4个轴，工作时要求Z、X、Y、A四轴联动，数控系统采用日本FANUC公司的32bit-FS15M数控系统，交流200V驱动系统，S系列伺服系统，通过STAMA公司研制的接口等组件，揉和了德国西门子公司的交流165V模拟驱动和伺服系统。CNC控制1个主轴，4个进给轴，PMC通过接口控制刀库、机械手直线运动和摆式工作台3个模拟轴。这样的配置在1995年以前，可谓领导世界新潮流。FANUC-15系统运算速度较快，程序储存量较大。但是，由它控制1个主轴、4个进给轴，这样造成一台设备有NC轴5个，PLC轴3个，一套控制系统由三家公司产品组合，使结构分散，电气工作原理和逻辑关系复杂化，控制不够严密，故障率较高，不便于维修。
3. MC34O加工中心刀库的特殊性
   MC34O加工中心刀库伺服使用西门子4.5Nm, 输出端轴径为Ø19mm的伺服电机，传动部分采用齿轮交链，主动齿轮齿根缘为Ø30。FANUC伺服电机输出端最小轴径为Ø31，其他公司的产品的轴径都较大，倘若改用其他公司产品，刀库机械结构将要作很大的改动，需要投入很大的人力和物力，直接影响改造周期。机诫手直线运动、摆式工作台也将相应有较大的改动。由于这一特殊性，这3个轴便确定了使用西门子伺服电机。
4. 西门子数控系统基本配置情况
   SIEMENS-805系统可控制1个主轴，4个进给轴，配611A 模拟驱动，3个线性插补轴。SIEMENS-810系统可控制2个主轴，5个进给轴，配611A模拟驱动，3个线性插补轴。SIEMENS-S40D/NCU572、573可控制5个主轴，8个进给轴，配611D全数字驱动，8个线性插补轴。SIEMENS-84OC可控制15个模拟轴，15个数字轴，6个主轴，5个线性插补轴。
5. 改造方案的确定
   根据上述情况，可拟定两个改造方案，第一方案使用FANUC-18数控系统，全数字驱动系统，a伺服电机。由NC控制5个轴，研制接口，PLC通过接口控制3个轴的驱动。这3个PLC轴使用西门子611A驱动系统，交流380V模拟伺服电机。第二方案，使用西门子84OD/NCU572全数字数控系统，611D全数字驱动，1FT6伺服电机和1FH7主轴电机，NC直接控制8个轴。
   通过市场调研，第一方案，FANUC-18数控系统，5个轴的全数字驱动和a伺服电机费用为45万元，其他附件12万，西门子的3个模拟驱动和伺服系统9.6万。研制接口需材料费5万，共计对外支出费用达71.6万。经分析，研制接口工作周期需一年时间，况且成功的可能性较小。第二方案，西门子数控系统包括所有附件，总费用为43万。根据两个方案的对比，第一方案的改造周期长，困难较大，缺陷较多，技术难度大，而且成功率较低。第二方案改造周期短，结构严密，控制集中，电气工作原理比较简单，性能和技术指标较高，成功率高。再则，第二方案比第一方案少开支经费28.6万元，由于改造工作周期短，可节约大量的人力和物力。根据当前数控系统发展的动态，预测SIEMENS-840D数控系统五年之内不会落后。经过反复论证，最终确定第二方案。

2 数控系统的配置

1. 原机床主轴使用P_e=18kW，N=1500～600Or /min主轴电机。改用西门子1PH7-133 , P_e=20kW，N=2000～8O00r/min主轴电机。
2. X、Y轴伺服，原机床使用M_d=22Nm，N=3000r/min伺服电机。改用西门子1FT6086 M_d=3ONm , N=3000r/min(不带制动器)伺服电机。
3. Z轴伺服，原机床使用M_d=30N/m, N=3000r/min伺服电机。考虑到Z轴为重负荷启动，直接影响到换刀时间，只能选用M_d等于或大于3ONm，且带制动器的伺服电机，所以选用西门子1FT6105, M_d=50Nm，n=3000r/min带制动器的伺服电机。
4. 分度头伺服电机原采用M_d=12Nm, ，n=3000r/min的模拟伺服。而分度头的机械参数最大负载转矩小于45ONm ，其机械传动比为180:1。若传动效率按90%计算，那么最大驱动扭矩应为M_d=450×1/180÷90%=2.8Nm
   所以选用西门子IFT6044, M_d= 4.5Nm, n=3000r/min的伺服电机。
5. 刀库、机械手、摆式工作台原配西门子IFT5064 , M_d= 4.5Nm, n=2O00r/min，改用IFT6044, M_d=4.5Nm，n=300or/min的伺服电机。
6. 电源模块的配置：由于机床工作要求主轴、Z轴、X轴、Y轴、A轴同时动作，其余二轴不与主轴同步运行。故电源模块：
   P=(P_s+P_z+P_x+P_y+P_a)÷92%=(20+13+7+7+1.3)÷92%=52.5kW
   所以选用西门子6SN1145-55kW，进线为交流380V的电源模块。
7. 取消原80kW隔离变压器，增设西门子6SN1155kW电抗器，用来阻隔非正弦波的侵入。
8. 驱动系统使用611D全数字交流驱动系统，使用60OV直流母线，及总线连接。
9. 系统选用西门子84OD-NCU572。
10. 取消原机床操作面板，改用西门子MMC100.2机床操作面板，简化电气控制线路。
11. 利用840D 的功率显示取代原主轴转矩显示，使显示集中在显示屏中。
12. 取消精密电位器，利用高精密增量编码器实现粗、精定位。

3 系统配置的结果

1. 840D-NCU572性能特点
   1. 测量回路为8个；
   2. 进给轴8个，可控制主轴5个，线性插补轴8个；
   3. PLC最大I/0点384个；
   4. 零程序存储(扩展)256kB;
   5. 位置控制器最小采样时间1/0.5ms;
   6. 插补器最小采样时间4/2ms；
   7. 块循环时间10/5ms；
   8. 最大进给率999 ;
   9. 具有中文环境，同时程序输入和执行；
   10. 具有图形模拟和极坐标。
2. 优越性
   1. 原机床数控系统为分散装配，占用空间大，线路多而复杂。84OD数控系统全部为模块化，配置灵活，装配方便，结构严密，安装连接线少。
   2. 原NCU控制5个轴，PLC通过STAMA接口板控制3个轴。840D-NCU572数控系统直接控制8个轴，实现8轴全数字化处理，运算速度快，功能强大。
   3. 原操作控制使用普通按钮，线路复杂，故障率高。西门子MM100.2机床控制面板具有高集成化，结构紧凑，无需连接控制线。
   4. 保留了原系统的所有功能，增加了蓝图编程、图形模拟、背景操作功能，并且840D具有前视功能和友好的人机界面，及611D全数字驱动优异的动态特性，可提高加工精度、表面质量及加工效率。

4 结语