NUM数控系统在西航公司专用机床数控化改造中的应用 (西安航空发动机(集团)有限公司 设备处，陕西 西安 710021) 摘 要：介绍法国NUM数控系统在西航公司专用加工机床数据化改造中的应用，以案例的形式重点阐述如何实现专用机床的特殊加工要求，并应用模拟量控制、动态操作和E参数编程解决实际问题，取得具大的经济效益。为专用设备的数控化改造开辟了一条新途径，值得借鉴。关键词：数控改造 NUM系统 PLC 动态操作 E参数编程 我公司部分关键设备因电气控制系统老化，导致故障频发，不能正常生产，有的设备甚至长期封存停机数年，如原43车间P250H程控滚齿机近二十年无法使用，87车间FSK21.3数控凸轮磨床停机两年多，44车间DRH2/1500数控立式磨床和36车间SS13成型磨故障率高、可靠性差，一直无法正使用。上述设备均为进口设备，单台价值数百万元，部分设备国外已找不到同类产品，如原43车间申请购买P250H同类设备，考察后没有，或达到同样功能的设备价格极其昂贵。这些设备均为公司生产关键设备，从而严重影响公司军品、外贸的生产，急需进行数控改造，充分发挥设备原有价值。由于原机床结构设计时部分功能特殊，改造有一定难度，所以多年来一直无人接手。在进行技术方案论证时，对比各型CNC系统性能、特点及价格后，结合机床的使用、性能要求，最终选用NUM数控系统自行对此类专用机床进行数控化改造。1 NUM数控系统概述NUM数控系统是法国施耐德电气公司开发的数控系统，主要产品有：NUM1020、NUM1040、NUM1060、NUM驱动及电机，其中NUM1020/1040数控系统是NUM公司于1995年开发出的全新数控系统，是紧凑且功能完善的32位数控系统，特别适合于1至6轴的数控机床。1.1 硬件结构特点（1） 采用CISC（超大规模集成电路）技术的GSP主板；（2）主板上连接可插接、分离的小模板，便于用户将来的维护，其具体分为：轴控制模块、显示模块通讯模块、图像处理模块、光纤处理模块、内存模块、电源模块等等；（3）NUM1020/1040采用24VDC为其电源输入，可以大大降低其热源和不稳定因素。外部24VDC稳压电源放在电气柜内，以大大提高整个数控系统的可靠性能；（4）PLC功能:PLC功能的内部集成化，可以提高PLC和CNC之间的内部通讯能力，增强了机床的逻辑控制能力；（5）PLC的输入和输出模块:NUM的32输入和24输出模块，可以和外围的电路相连接，同时通过NUM所提供的电缆和NUM数控系统的PLCI/O电路板直接相连，这就提高了整个机床的I/O的可靠性，同时又加强了对数控系统的保护；（6）光纤技术的通讯（仅仅适用于NUM1040）NUM所提供的机床面板和远程I/O模块，通过2根光纤和CNC进行连接，大大简化了线路的连接，并提高了机床的维护性；（7）轴控制模块:NUM提供的轴控制模块，将机床的位置检测元件和伺服的速度信号线可以直接联到此模块，通过它再与数控系统的轴板进行连接。 在这一点上，NUM的轴连接和其它数控系统不同，NUM的轴控制模块连接该轴的所有信息（如：编码器，速度信号，回零开关），通过地址译码来区分每个轴。如果机床的轴有问题，可以直接把轴模块上的插头相对换，就能很快的查出问题的所在。1.2 软件功能1.2.1 CNC功能：NUM1060系列的数控系统内部软件的组成大致相同，采用模块化设计，主要包括以下几个功能块：图形功能、存储器功能、通讯功能、轴功能、CNC功能和PLC功能，如图1： 系统总线P L C功能CNC功能轴功能通讯功能存储器功能图形功能 图1 CNC系统功能示意图（1） 控制16轴，4轴联动，12主轴，可分为14个轴组；（2） 提供交互式的编程模块，2维CAD软件PROFIL，ISO编程语言和绘画式编程语言PROCAM，结构式编程和高级语言编程；（3） 工件程序可设4个保护区；（4） 可以自行开发定义G指令，可用G指令修改已经存在的固定循环或因其它需求而增加新的固定循环；（5） M功能和PLC功能可调用子程序；（6） 外部E参数:用户可以通过E参数来读取或改变CNC的状态和相应数值，也可根据加工要求编写相应的固定循环；（7） Dynamic operator（动态操作）编程。所谓动态操作是在系统每个系统扫描周期都被执行的操作方式，可用于用户的二次开发；（8） 强大的通讯功能（RS232/RS422/RS485）提供2个通讯口，RS232、RS485、RS422通讯方式的任意选择；（9） 最方便的丝杠螺距补偿补偿方法，只需把线性的相应的拐点坐标值和补偿值输入即可，并且没有固定的距离和补偿值的限制。1.2.2 PLC功能:（1）梯形图及C语言编程，CRT上可动态监视；（2）PLC图形界面编辑，用户可根据机床特点编写自己的图形界面；（3）PLC程序的梯形图编写：多任务的PLC程序的编程结构，梯形图和语句表的结合提高了整个PLC程序的可编性和可读性。梯形图PLC程序屏幕的在线动态显示，方便了最终用户的维修。 1.2.3 性能比较及效果综上所述，类比西门子、法纳克等数控系统，NUM数控系统主要的优势在于内部的许多信息对用户是开放的，具有很强的开放性、灵活性，有助于用户的二次开发，尤其对于一些专用机床特殊功能的开发上，NUM系统具有很大的优势。通过技术人员大胆的尝试和全面的设计，在应用NUM系统开发机床特殊功能上取得了较大的突破，先后成功地改造了P250H程控滚齿机、FSK21.3数控凸轮磨床、SS13成型磨床、DRH2/1500数控立式磨床等设备，取得了良好的效果及巨大的经济效益。 2 德国P250H程控滚齿机数控化改造2.1 机床简介P250H卧式程控滚齿机原是一种较先进的精密机床，我公司80年代从原西德引进两台，能够滚切直齿齿轮、螺旋齿轮和花键轴，并具有走刀自动循环和径向走刀滚切涡轮的循环等功能，主要承担军品长轴齿轮等加工。该设备具有三个直线坐标轴，一个旋转坐标轴和一个旋转主轴（如图2所示）：滚刀旋转的轴为主轴SP，工件旋转轴为C轴，滚刀工作台前后移动为X轴，左右移动为Z轴，滚刀上下窜动为V轴：VCXZSP 图2 滚齿机结构示意图这两台机床引进后因各种电路控制板采用大量分立元件，逻辑控制部分采用了大量的中间继电器，且主轴和进给轴伺服驱动系统均采用可控硅直流调速装置，可靠性差，故障频发。鉴于以上原因，最终P250H/2000因控制系统无法修复而停机近20年，P250H/1500一直带故障运行。2.2 改造方案滚齿机的滚齿加工是由一对交错轴啮合传动原理演变而来的。为了得到所需的渐开线齿廓和齿轮齿数，滚齿时滚刀和工件之间必须保持严格的相对运动关系，所以早期设计的P250H卧式程控滚齿机的主轴SP（即滚刀）的旋转和工件轴C的旋转是采用一个主轴电机驱动并由机械传动保证滚刀与工件的转速关系，通过改变传动链中的挂轮机构确定所要加工零件的渐开线齿廓和齿轮齿数；X轴的进给运动保证零件齿深的尺寸，加工精度要求较高；Z轴的进给形成直线形齿线，加工精度要求不高。由于该设备机械联动的特殊性，数控化改造时主要考虑其和伺服系统联动不能冲突和干扰，比较其它数控系统，NUM数控系统CNC内部的许多信息都对用户开放，具有很强的开放性、灵活性，因此我们选用NUM1020 GS系统，自主开发应用程序。根据机床加工要求，首先确定径向坐标X轴采用闭环控制系统，选用光栅尺为位置检测元件；纵向坐标Z轴采用半闭环控制系统，选用光电编码为位置检测元件。X/Z轴伺服驱动选用NUM MDLA2交流伺服驱动，X/Z轴电机选用NUM交流伺服电机；主轴驱动采用欧陆590直流调速器；滚刀窜动采用ABB交流变频器驱动，具有快/慢速对刀功能。系统控制连接图如下：HAIDENHAIN编码器手摇脉冲发生器 通讯功能 NUM MDLA2伺服驱动MRS232串行接口标准键盘紧凑型面板彩显NUM MDLA2伺服驱动MFAGOR光电编码器图形功能存储器FAGOR光栅尺X轴冷却控制轴控制主轴倍率进给倍率输入输出模块紧停连锁保护液压控制润滑控制滚刀控制模拟量输入输出欧陆 590直流调速M 主轴电机主轴速度给定轴控制Z轴C N C 功能通讯功能轴控制X轴PLC功能手轮C轴Z轴 图3 系统控制连接框图该机床的控制PLC程序采用梯形图编程，除了处理一般电气逻辑控制，技术难点在于根据滚齿加工机床的工艺要求，考虑机械联动和伺服系统联动关系，最终利用内外部E参数的读写，巧妙地解决了机械联动时不影响伺服系统正常工作的问题；当运行中出现各种异常情况时，系统会发出用户报警信息，由CRT显示并停机报警，通过查阅机内故障诊断信息，可查出并显示故障部位和原因。2.3 改造结果P250H滚齿机数控化改造后，彻底解决了原先存在的各种问题，同时结合数控伺服轴的联动，可以滚切鼓型齿轮，即滚刀按弧线走刀，也可以滚切近似锥形齿轮，成为设备的独特之处，使设备的功能更加完善；由于机床的径向坐标采用光栅尺为位置反馈的全闭环控制，纵向采用光电编码器为位置反馈的半闭环控制，机床可靠性得到大幅度提高，使加工精度提高，加工质量得到保证，同时极为维修方便。P250H/2000改造后，因使用方便、稳定可靠，对P250H/1500也进行了改造，这两台设备使用一直很稳定，使瘫痪近二十年的专用设备重新投入使用，在公司军品高低压涡轮轴等生产中发挥了不可替代的作用。3 瑞士数控凸轮磨床改造3.1 凸轮磨床介绍瑞士KOPP公司的FSK21.3数控凸轮磨床原采用专用系统，纸带机输入程序，该机床坐标轴为X、Z、C(见图4)，坐标原采用直流伺服后改为SIEMENS 611A交流伺服，与HAIDENHAIN光栅形成全闭环控制，主轴采用INDRAMAT交流伺服控制。图4 凸轮磨床示意图 该机床在数控改造时的难点是开发特殊的凸轮加工功能，原机床有以下特殊功能： G01-螺旋插补 G06-抛物线插补 G51-Z轴摆动磨削，定义振荡宽度及频率： W-宽度、0.232mm，F-频率、060HZ； M50-摆动停止； M51-摆动开始 G89-砂轮半径和外型修整，调用修整循环，提取修整位置文件、修整数据文件。 修整位置定义： K-砂轮半径， R-X轴修整位置， Z-Z向启动位置，W- Z向结束位置 修整数据定义： A-参考地址， E-进给次数， D-空行程次数， V-修整量， F-进给速度 砂轮线速度编程：S-035 m/s 尤其是摆动磨削功能是X轴、C轴进行插补时，要求Z轴按给定的频率和行程范围摆动，以提高零件光洁度，这要求系统具有多任务处理的能力。 3.2 改造方案从公司实际运转的机床来看，SINUMERIK 840C、FANUC 18系统可满足机床功能要求，但是由于上述两种系统价格高、厂商对特殊功能实行技术封锁、技术支持少，二次开发有难度等原因，无厂商愿意接手改造，该设备