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案例頻道一、 概述
高性能的激光器與現(xiàn)代數(shù)控機床技術(shù)相結(jié)合，使激光加工具有加工精度高，可控性好，程序簡單，加工時間短，省料，污染程度小等特點，而且還廣泛應(yīng)用于各種微細(xì)加工及使用傳統(tǒng)工藝難以加工的高硬度、高熔點材料。激光熔覆是根據(jù)使用條件、基體、熔覆加工合金元素（如Co，Ni或非金屬元素），激光斑點照射到被加工工件表面上時，由同步送粉器輸送合金粉，這樣高功率的激光束將合金元素和金屬基體表面薄層熔化，由于金屬元素互相擴散而混合，經(jīng)凝固形成冶金結(jié)合，經(jīng)表面處理，使表面具有高硬度的機械特性，例如，在冶金行業(yè)等具有很高的實用價值。山東某激光加工公司于2001年進(jìn)行機床的數(shù)控化改造，裝備了3KW、5KW激光設(shè)備兩套，用于對工件的熔覆處理；數(shù)控控制設(shè)備采用西門子公司生產(chǎn)的SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)，并配置兩塊SIMODRIVE 611UE驅(qū)動模塊，可驅(qū)動三臺1FK6系列數(shù)字伺服電機和一臺主軸數(shù)字伺服電機，實現(xiàn)了X軸、Y軸、Z軸和主軸四軸聯(lián)動，配以高性能的激光技術(shù)，因此對機械加工具有較高的精確性和準(zhǔn)確性。
二、開發(fā)方案
1、數(shù)控改造方案
由普通機床改造為激光熔覆數(shù)控機床如圖1所示。采用西門子SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)，X、Y、Z軸分別由交流數(shù)字伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)激光束在不同坐標(biāo)上的三維聯(lián)動，旋轉(zhuǎn)主軸也采用交流數(shù)字伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)不同的加工速度要求。同步送粉裝置可根據(jù)加工工件、加工速度、激光器功率的不同進(jìn)行相應(yīng)設(shè)定。使用SINUMERIK 802D系統(tǒng)內(nèi)置的PLC功能模塊，對機床電氣進(jìn)行控制，實現(xiàn)對激光器的開、停、冷卻水及吹掃氣源的開、關(guān)控制。三軸的零點與終點限位位置，分別裝設(shè)限位開關(guān)，實現(xiàn)對機械限位的保護(hù)。加工過程中，出現(xiàn)各種控制信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換，經(jīng)過I/O口，輸入到PCU，PCU可隨時判斷和處理。如果加工過程中遇到緊急情況：如掉電、過載等，可緊急停機。
2、數(shù)控系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)介紹
SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)有操作面板、NC單元、輸入輸出模板等組成。數(shù)控系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)配置如圖2所示。
面板控制單元PCU數(shù)控制核心，集成了PROFIBUS-DP接口、手輪接口、PCMCIA接口以及鍵盤和軟件：NCK、HMI和PLC。配備了10.4TFT液晶顯示屏并采用32位的80486CPU，提高了通訊、監(jiān)控和控制能力，便于開發(fā)和應(yīng)用。通過RS232通訊接口，可以利用微機在WINDOWS95以上的平臺上進(jìn)行程序開發(fā)和驅(qū)動調(diào)試。
輸入輸出模塊PP72/48是數(shù)字量的輸入輸出接口。具有72位輸入和48位輸出，用于傳送機床控制面板的控制信號和包括限位信號、啟停信號等各種開關(guān)信號以及顯示、報警等的數(shù)字信號。
機床控制面板MCP用于進(jìn)給運動和主軸運動的手動和自動控制，操作者通過MCP實施對機床的各種操作。
驅(qū)動模塊SIMODRIVE 611UE 用于與伺服電機的速度環(huán)和電流環(huán)的控制。通過讀取伺服電機上的脈沖編碼器產(chǎn)生的1Vpp正弦波脈沖反饋位置環(huán)信號，實現(xiàn)進(jìn)給運動。此外，接口連接變頻器，可驅(qū)動主軸感應(yīng)電機回轉(zhuǎn)。進(jìn)給驅(qū)動采用永磁式同步交流伺服電機，通過同步齒帶驅(qū)動滾珠絲桿，實現(xiàn)X、Y、Z軸直線運動。
SINUMERIk 802D 是集成了PROFIBUS-DP 接口的數(shù)控系統(tǒng)，它將數(shù)控及驅(qū)動系統(tǒng)之間的所有通信連接通過一個PROFIBUS-DP接口實現(xiàn)，因此很大程度上簡化了安裝和接線過程。
SINUMERIk 802D的系統(tǒng)編譯器能夠認(rèn)讀G代碼，系統(tǒng)能夠完全解讀其他品牌數(shù)控系統(tǒng)用G代碼編寫的零件程序。通過對系統(tǒng)的預(yù)定義，802D實現(xiàn)了快速啟動。帶PLC基本程序的PLC工具盒支持在普通PC平臺上按照應(yīng)用需求修改PLC程序。NC的起動數(shù)據(jù)可以在標(biāo)準(zhǔn)PC卡上進(jìn)行存取操作，簡化了數(shù)據(jù)備份，縮短了多臺機床應(yīng)用中的起動時間。
三、軟件設(shè)計
按照MCP機床操作面板，本系統(tǒng)具備如下三種工作狀態(tài)：
停止?fàn)顟B(tài)，可向系統(tǒng)輸入程序、數(shù)據(jù)、修改參數(shù)等。CPU可進(jìn)行計算和處理操作。
手動狀態(tài)，可手動控制四軸運動，完成手動激光熔覆，也可進(jìn)行預(yù)調(diào)、對正、預(yù)設(shè)等操作。
自動加工狀態(tài)，CPU運行加工程序，按計算出的軌跡，控制四軸聯(lián)動，完成激光熔覆加工。在加工過程中，可按下暫停鍵，可暫停加工，完成必要的輔助操作后，再次按下暫停鍵，可使加工繼續(xù)進(jìn)行。
根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)，軟件主要包括如下部分：
a、 系統(tǒng)軟件，包括啟動系統(tǒng)的引導(dǎo)軟件；執(zhí)行所有操作功能的HMI人機通訊軟件；包括全部NC功能NCK數(shù)控核心軟件，可控制四個進(jìn)給軸和一個主軸的運動；以及可循環(huán)執(zhí)行的內(nèi)裝PLC可編程控制器的用戶軟件。
b、 工具軟件，包括用于特定機床的安裝設(shè)定程序；與外部PC進(jìn)行程序和數(shù)據(jù)傳送的WINPCIN程序；可編程控制器的用戶庫文件；為驅(qū)動器設(shè)置參數(shù)和調(diào)試的SIMOCOM U工具程序和驅(qū)動固件SIMODRIVE 611UE。
c、 編程工具PLC802軟件，采用S7-200Micro/WIN編程語言進(jìn)行程序設(shè)計。
四、結(jié)論
采用SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)改造的數(shù)控激光熔覆機床，性能價格比高，機床性能穩(wěn)定，運行幾年來無重大故障；使用交流數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)備，傳動結(jié)構(gòu)簡化，并提高了機床的運動精度。
參考文獻(xiàn)
1、 SINUMERIK 802D 數(shù)控系統(tǒng)硬件說明 Siemens 技術(shù)資料
2、 SINUMERIK 802D 數(shù)控系統(tǒng)軟件說明 Siemens 技術(shù)資料
作者：逯志宏，電氣工程師，主要從事冶金企業(yè)的電氣自動化方面的研究、設(shè)計與開發(fā)工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號