摘要：MC340/TWIN是德國STAMA公司生產的雙主軸加工中心，由于燒毀嚴重，無法恢復原系統。技術改造工作采用德國SIEMENS-840D控制系統更換原機床配置的日本FANUC-15M系統，涉及到大量的硬、軟件技術，文章簡略地介紹了有關的改造方法和技術。
MC340/TWIN雙主軸加工中心是1994年從德國STAMA公司進口的數控機床，因意外事故幾乎報廢。我們除對損壞的機械部件修理復原外，還對其控制系統進行了更新式設計、改造。
1 CNC八軸控制
- 原八軸的控制
- 現八軸的控制
- PLC控制軸改為CNC控制軸的一些特殊性
- 原控制系統是日本FANUC-15M系統，其CNC部分直接控制兩個主軸(一個電動機驅動兩個主軸，即C軸)和X、Y、Z、A四個軸，并通過PLC和STAMA公司自制的接口控制回轉工作臺(C2軸)、刀庫軸(Q軸)和直線運動式機械手軸(V軸)。PLC共占用I/O點為288/192點。C2軸(回轉式工作臺)分為兩個工作區，在一個工作區進行加工的同時，另一個工作區可以裝卸工件，兩個工作區每循環一次就可以加工出八個工件。另外原機床的換刀有其特殊性，由Q軸(刀庫軸)、V軸(直線式機械手軸)和Z軸等三個軸共同配合完成換刀動作。其過程是：當有換刀指令時，Q軸轉到正確刀位，V軸帶著機械手到刀庫取刀，再移動到主軸端，機械手的另兩爪抓住主軸上的兩把刀，然后通過Z軸向上運動來拔刀，機械手轉動180°以后，Z軸又下降將新刀插入主軸，V軸再回到刀庫將換下的刀插入刀庫原位置。所以換刀全過程涉及到三個軸的運動和機械手的各種動作，以及大量的電磁閥和位置檢測元件，整個動作比較復雜。
圖1 |
圖2 |
- 由于FANUC-15M系統是對我國禁運的產品，經調研論證后，我們選用了四軸聯動的SIEMENS-840D數控系統。主軸和X、Y、Z、A軸直接由CNC控制，可完全達到原來的技術指標。而原PLC控制的C2、Q、V三軸，也改為CNC直接控制。由于選用的西門子標準操作面板不占用外部I/O點，同時伺服電動機內部有專用的位置編碼器，節約了大量的I/O點，所以PLC控制占用的I/O點減少到192/160點。實現了原機床的PLC功能，優化了PLC程序，改善了原機床的功能。具體方法如下述。
- Q軸的控制方法 原Q軸的控制框圖如圖1。當CNC發出換刀指令時，通過PLC送出數字指令和各控制信號，通過接口電路轉化為模擬指令，再通過西門子驅動器驅動電動機轉動。隨刀庫同步轉動、且對應56把刀的絕對編碼器ENC2將刀號的粗位置反饋回PLC，達到粗定位的目的，然后再由精密電位器：來精確定位，進而進行后續的換刀工作。在此機械傳動鏈中，以上兩個位置傳感器均不安裝于電動機內。機械傳動鏈示意圖如圖2。
- 經過多級齒輪和蝸桿、蝸輪傳動，電動機與絕對編碼器(ENC2)的傳動比為157.357/1，而電動機與精密電位器(R)的傳動比為2.81/1，均不為整數。與系統配套的伺服電動機內裝有增量編碼器，但用來確定刀具位置就不合適了，因為其沒有一一對應的關系。在分析了整個刀庫傳動機構和編碼器特性后，我們采用了外置增量式編碼器，安裝于電位器R的位置，即編碼器與刀庫的傳動比為56:1，這樣就可以像X、Y、Z、A軸一樣，方便地回到參考刀位(定為1號刀)，且每一刀位又和編碼器有一一對應關系，這種對應精度又因CNC的128倍頻的作用而勝于原精密電位器定位，從而達到了粗精定位兩種目的，實現了刀庫軸的功能。
- V軸的控制方法 原控制框圖類似于Q軸控制圖，只是沒有電位器精定位。V軸位置由絕對編碼器(ENC2)來檢測。本次改造中V軸的控制也采用直接由CNC控制。由于V軸藏于主軸立柱腔內，不便返回參考點，必須要有位置記憶，因此我們選用了與840D配套的絕對位置編碼器來覆蓋V軸的全行程，再配合西門子電動機內置位置編碼器共同完成V軸的精確定位，達到
