某鋼廠輥環磨型號為 HSF2CNC，磨削工件規格為Φ100 ～ Φ320 mm，由德國赫克力斯( Herkules) 公司 1994年制造。該機床目前機械部分性能良好，加工效率明顯高于其它同類機床，是關鍵設備。但是該設備近年控制系統故障較多，已進行多次維修。由于電氣元件更新換代太快，原系統采用的元件都已淘汰，備件供應十分困難。現在面臨無件可換的問題，機床隨時可能故障停機。為解決上述問題，我們針對磨床的結構特點，對其進行改造。

1 改造選型設計

　　該機床控制軸數: 4 軸精密進給控制，分別是: 旋轉軸 w，傾斜微進給軸 c，橫向進給 z 軸及垂向進給 x軸。這 4 軸采用交流永磁同步電動機驅動，可精密調速。機床主軸為三相交流異步電動機驅動，不調速結構。還有磨削冷卻、液壓驅動、主軸潤滑、液壓油冷卻等輔助功能驅動電動機共 4 臺。

　　根據輥環磨床的特點，并結合現場的運行環境、伺服電動機等條件，提出性價比相對較高的方案，采用支持深度用戶定制的西門子 840Di 數控系統，按照原機功能和操作習慣對標準 840D 數控系統進行二次開發，使通用系統變成專用系統。這一方案秉承了赫克力斯( Herkules) 公司對機床的設計理念，讓新的控制系統與原機床良好匹配; 保持了機床專用的特性，能夠和原系統一樣將機床的加工效率發揮到理想狀態。同時該機床還可以成為一臺通用的數控磨床。采用這一方案有以下特點:

　　(1) 只能選用高檔的 840Di 數控系統，費用較高。

　　(2) 二次開發工作量較大，準備時間需增加 50 ～60 天。

　　(3) 系統更新后是一臺專用數控機床，有加工輥環的專用程序和工藝畫面，對不同工件只需在屏幕上選對應的加工菜單即可，對操作人員要求較低。

　　(4) 無需編制工件加工程序，對小批量多品種加工效率較高。

　　(5) 操作方便性基本與原設備一致，對有金屬切削機床操作經驗的操作人員只需進行簡單操作培訓即可上崗。

　　(6) 無需計算機編程基礎。

　　新系統取代原有電氣控制元件，重新配制電氣控制柜。改造后磨床有兩個主軸和兩個進給軸，并重新編寫 PLC 邏輯控制程序和 NC 加工程序，保證了機床動作順序，能很好地進行磨加工。具體原理圖如圖 1所示。

2 西門子 840Di 數控系統

　　西門子數控系統 SINUMERIK 840Di 是 1 個完整的 PC 集成式數控系統。就硬件和軟件而言，控制都是開放式的。可以使 PLC 和驅動分布式自動化解決。SINUMERIK 840Di 應用技術領域覆蓋了從簡單的運動控制功能( 定位和直線插補) 到木材加工、機床搬運組裝以及與機床有關的功能等領域。SINUMERIK840Di 由工業 PC PCU 50、MCI 板卡和用于 6、10 或 18根軸的系統軟件組成。MCI 板卡上的 PROFIBUS DP接口可以允許連接驅動裝置和 I/O。具有運動控制功能的 PROFIBUS DP( 等時模式和等距) 以 12 Mbit/s 傳輸速率運行。SINUMEＲIK 840Di Startup 包括在系統軟件內。Startup 是一種 Windows 程序，易于熟悉 SINUMERIK 840Di，可簡化操作步驟以及用戶程序的創建和選擇，極大地方便了機床的操作與維護。機床老的軟件系統為赫克力斯公司在 DOS 操作系統的基礎上開發的，使用的硬盤為 IBM 公司506 硬盤。這一套系統目前已淘汰，修復困難。新的軟件系統為西門子公司基于Windows XP 開發的最新的840Di 標準軟件，與老軟件系統相比，新的軟件系統具有以下優點:

　　(1) 新系統以 SINUMERIK 840Di 標準軟件為基礎，在此基礎上進行高針對性的二次開發，使用全中文人機對話界面，機床在系統更新后的操作界面友好、直觀、方便。

　　(2) 經過二次開發后的操作系統，加工特定工件時，不需要操作人員進行G 代碼編程，操作人員在HMI 上直接輸入工件加工數據，機床即可自動完成工件的加工。

　　(3) 在 SINUMERIK 840Di 標準軟件系統上，開發機床加工工件庫系統，對于常用工件，操作人員從工件庫文件內調出工件號，無需編輯工件加工數據，即可直接對工件進行加工。

　　(4) 數控系統選用 840Di，顯示器件選用 OP012，操作面板選用 HCP 型，帶手輪，方便對刀操作。

3 技術實現和功能描述

　　在整個設備系統改造的過程中，不能因為控制系統的更新而損壞設備的機械精度。設備的機械精度是工件加工精度得以保證的關鍵，對于磨床來說，主軸精度尤其重要。不論使用哪種系統更新方案，對機床機械部分的改動和拆卸均是越少越好。原設備采用的是西門子的伺服電動機和驅動器，選用西門子數控系統，其電動機結構和控制原理與原機基本一致，可使電路改動最少，可最大限度減少對機床機械部分的改動。為延續赫克力斯( Herkules) 公司輥環專用磨床的設計思路，在西門子 840Di 的基礎上開發出輥環磨床專用的控制系統，這一系統操作簡單，功能專一，穩定性高。我們在同類機床上使用 840Di 系統開發后的機床，一般具有的基本功能如圖 2 所示。

　　在輥環加工專用功能模式下，操作人員僅需要將所要加工的工件文件調出，再根據系統屏幕顯示，輸入幾個必需的加工參數，系統即可自動對工件進行加工。新系統正常啟動完成后，直接進入輥環工件加工畫面。系統自動調出上一次加工完成的工件加工工藝及工件編號、工件圖等數據，如操作人員確認該工件為當前需要加工的工件，按相應的按鍵后，即可進行對刀和工件加工。工件加工完成后，系統自動停機。在系統啟動界面下，按相應的功能鍵，可以進入和實現圖 2 所示的功能樹所描述的功能。所有功能中，參數調用指直接調用已編輯好的工件加工數據，進入參數編輯功能，可以編輯工件號及工件加工工藝數據。

　　用戶可以在參數編輯畫面內編輯工件加工要素。各個功能下對應的工件加工要素不同，系統顯示的畫面也不同，這樣做的目的是保證機床在調用工件加工參數時，所調用的文件與待加工的工件加工工藝相一致，不會出現銑削加工時調用了磨削加工的工件參數。相同的工件在編輯“磨削形式 － 深研磨 － 研磨”與“磨削形式 － 外圓磨 － 研磨”的加工參數時，系統顯示的編輯畫面不同，如圖 3 所示。

4 結語

　　由于數控系統和伺服驅動部分必須匹配，在更新時數控系統和伺服驅動一起全部更換。數控系統和伺服驅動采用 SINUMERIK 840Di 系列產品，該產品是西門子公司近年推出的高性能控制系統，近 10 年不會被淘汰，西門子公司保證該產品 20 年的備件供應。磨床經過數控改造后通過一段時間的運行證明，應用 SINUMERIK 840Di 數控系統是成功的，生產達到了預期效果，為工廠創造了很大的經濟效益。