由于FANUC-15M系統(tǒng)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(tǒng)。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(jié)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(yōu)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(fā)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(xù)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(tǒng)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，達到的控制精度比原來的高。

圖3

    C2軸的控制方法 C2軸原電氣控制精度不高，其精度是由齒盤嚙合來保證的。該工作臺在0°和180°之間來回轉動，控制框圖如圖3。其位置由0°和180°點上的兩個限位開關檢測。原理是：CNC發(fā)出工作區(qū)交換指令后，由PLC譯碼產生驅動指令，使工作臺升起。再經接口板、驅動器驅動電動機按預定方向轉動，由多個開關提供電動機需加速、減速和工作臺到位與否的信號。工作臺到位后，電動機停，工作臺降下，完成一次轉換過程。本改造中，該軸也改由CNC直接控制的西門子數字伺服電動機來完成。具體的動作過程和原來差不多，不同的是：①由于使用了數控伺服軸，且電動機內配有內裝式增量編碼器，要正常工作，必須開機回參考點，為了不增加新的元器件，對PLC程序作了特殊的編制，使開機后計算機根據開關狀態(tài)自動設置坐標值，完成工作臺不動作情況下的模擬回零操作。②它雖是作旋轉運動，但由于機械結構限制，只能在0°～180°之間來回轉動，類似于直線軸的運動特性。所以將其指定為直線軸，方能可靠地限制其在0°～180°之間轉動，避免了旋轉軸可能產生的360°轉動，保證了工作臺的可靠性。 

    原PLC控制軸Q、V、C2 傳動機構間隙較大，對位置精度要求不高，因此主要用速度環(huán)來控制。改為CNC 控制以后，既有速度環(huán)，又有位置環(huán)及實時監(jiān)控，容易產生位置偏差和速度偏差報警，這就增加了調試難度。在改造中，我們一方面加強機械傳動鏈的剛性，另一方面又用加大間隙補償，加大動靜態(tài)位置檢測公差，適當增大增益和到位檢查時間，降低加速度和最大速度等參數設定辦法加以克服。

圖4 

    V軸結構不僅間隙大，而且彈性變形大，其結構示意圖如圖4。其機械手臂約長640mm，所以V軸在運行中的彈性變形通過絲杠隨時影響著位置檢測，使該軸在快速運動中容易產生振蕩。根據這一特點在調試中要適當減小增益，降低速度，增加到位檢測時間，方能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。圖4

    在換刀過程中，要涉及到Q、V、Z三軸運動。V、Z軸之間配合問題不大，Q、V軸的配合卻存在一定問題，這是因為機床有雙主軸，機械手每次要從刀庫抓兩把刀，兩刀之間又相隔三把刀，加之Q、V軸的彈性變形，所以機械手從刀庫取刀時，易產生干涉而報警，除了作上面調試外，還在PLC程序中設定分段的變速運動以克服兩軸之間的干涉，保證了換刀可靠性。 2 改造效果 
    經機械大修和以上控制系統(tǒng)的重新設計改造，恢復了原機床的所有功能，各項技術指標均達到STAMA公司出廠時的要求：如X、Y、Z快移速度達到22m/min，進給速度達到1～10000mm/min，主軸轉速6000r/min，還可任意角度定位。X、Y、Z的定位精度為6.546µm、8.254µm、9.621µm( 出廠指標為≤12µm)，重復定位精度為3.15µm、3.533µm、3.25µm(出廠指標為≤8µm)。系統(tǒng)控制穩(wěn)定可靠，機床操作安全方便。