長(zhǎng)久以來，鐵路系統(tǒng)在鏇修客貨車車輪時(shí)，使用的設(shè)備絕大部分都是某重型機(jī)床廠在八九十年代生產(chǎn)的C8011B車輪車床，該車床有兩個(gè)刀架，每個(gè)刀架帶兩個(gè)坐標(biāo)軸（X軸和Z軸），采用電子仿型的方法對(duì)火車輪對(duì)的輪緣和踏面進(jìn)行加工，踏面形狀如圖1：



圖1

由于電子仿型的加工方法精度不高，因此加工出來的輪緣踏面形狀較差。另外機(jī)床的動(dòng)作控制方面采用老式的繼電器電路控制，電路復(fù)雜，故障率高，給維修帶來了一定的困難。隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展，為適應(yīng)鐵路實(shí)施提速和發(fā)展高速列車的需要，車輪輪緣踏面的制造精度和鏇修標(biāo)準(zhǔn)越來越高，而原有的用仿型方法加工車輪已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足精度要求，對(duì)該機(jī)床實(shí)行數(shù)控化改造是滿足這一要求最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法。近兩年來，各鐵路車輛段和車輪廠紛紛對(duì)其原有的C8011B車輪車床進(jìn)行數(shù)控改造，我們?cè)谑褂梦鏖T子的802系列數(shù)控系統(tǒng)對(duì)該機(jī)床的改造過程中，先后使用了西門子的802S、802C、802D數(shù)控系統(tǒng)，其中，采用802D數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)備改造方案較具典型性。

選擇設(shè)備的改造方案時(shí)，首先需要考慮的是滿足改造要達(dá)到的幾個(gè)要求：1、刀架X軸和Z軸的控制由原仿型控制改由數(shù)字軸控制。2、將原機(jī)床的所有動(dòng)作控制由原繼電器電路控制改為PLC控制。3、切削后的踏面形狀滿足精度要求，同時(shí)操作盡量簡(jiǎn)單。

為滿足以上條件，我們選用了西門子的802D數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是西門子公司近年來推出的數(shù)字化數(shù)控系統(tǒng)，它的車床版標(biāo)準(zhǔn)配置中帶了一塊PP72/48模板，可以實(shí)現(xiàn)72點(diǎn)輸入和48點(diǎn)輸出的PLC控制，同時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊為一個(gè)雙軸功率模塊，可以帶兩個(gè)線性軸和一個(gè)主軸，在伺服電機(jī)中內(nèi)置了速度反饋和位移反饋傳感器可以和主機(jī)一起形成一個(gè)半閉環(huán)控制系統(tǒng)從而能達(dá)到很高的機(jī)床精度。而且價(jià)格適中，具有很高的性價(jià)比，可以很好的滿足設(shè)備數(shù)控改造的要求。

由于C8011B車輪車床采用兩個(gè)刀架對(duì)火車輪對(duì)的左右踏面同時(shí)加工，因此我們采用了兩套802D系統(tǒng)分別控制左右刀架的運(yùn)動(dòng)。而機(jī)床所有動(dòng)作控制則全部由左刀架802D系統(tǒng)的PLC控制單元來控制。左側(cè)802D系統(tǒng)的主要硬件配置為：

1、PCU主機(jī) 1塊
2、全功能豎直鍵盤 1塊
3、PP72/48模板 1塊
4、611UE驅(qū)動(dòng)電源5KW 1塊
5、611UE雙軸閉環(huán)控制單元 1塊
6、611UE雙軸功率模塊 1塊
7、1FK6電機(jī)3000RPM18NM 2個(gè)
8、外接2500P/旋轉(zhuǎn)編碼器 1個(gè)
9、連接電纜和PROFIBUS數(shù)據(jù)總線若干

左右兩側(cè)系統(tǒng)的硬件配置相同，使用一個(gè)SIMODRIVE611UE雙軸控制模塊來控制兩個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)X軸刀架和Z軸刀架。右側(cè)系統(tǒng)的PLC單元只處理系統(tǒng)本身的PLC指令。而MCP（機(jī)床控制面板）則和機(jī)床動(dòng)作按鈕面板集成在一起自制。

在硬件配置中，我們選用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置之外的外接旋轉(zhuǎn)編碼器，選用原因如下：

因?yàn)閿?shù)控改造的條件所限，雖然我們將原X軸和Z軸的絲桿換成了滾珠絲桿，但中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仍為舊的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在伺服電機(jī)帶動(dòng)X軸和Z軸滑臺(tái)的傳動(dòng)過程中，X軸和Z軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：



圖2

由上圖可見，對(duì)于X軸來說，由于齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)不多，傳動(dòng)間隙不大，因此可以采用標(biāo)準(zhǔn)配置使用伺服電機(jī)內(nèi)置的速度反饋和位移反饋，此時(shí)X軸的滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度也能滿足要求。而對(duì)于Z軸來說，傳動(dòng)級(jí)數(shù)多，而且還有兩級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，因此傳動(dòng)間隙大大增加，如果我們?nèi)圆捎盟欧姍C(jī)端的位移反饋的話，那么Z軸的滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度就得不到保障。解決的方法雖然有很多，比如更換齒輪傳動(dòng)或是在Z軸導(dǎo)軌上加裝光柵尺等等，但因條件所限和價(jià)格等原因都不是很好的解決辦法。對(duì)于這特殊情況，為了解決這一問題，最終我們考慮采用了在Z軸滾珠絲桿端連接一外接旋轉(zhuǎn)編碼器的辦法，連接方法如圖3。




圖3

此時(shí)Z軸的位移反饋信號(hào)直接檢測(cè)的是Z軸滾珠絲桿端的位移信號(hào)，而電機(jī)和滾珠絲桿間齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)間隙都被包含在了閉環(huán)鏈中，因此Z軸滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度得到了很大提高，滿足了精度要求。

但是在802D系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)配置中，線形軸的控制接口里并沒有象802S或802C系統(tǒng)一樣有一個(gè)專門的編碼器接口，它只有兩個(gè)接收電機(jī)反饋信號(hào)的X412和X411接口。此時(shí)Z軸的外接編碼器的信號(hào)該如何連接呢？在611UE雙軸閉環(huán)控制單元上，我們看到有一個(gè)X472接口，此接口是用來接收主軸的編碼器信號(hào)的，而在我們的數(shù)控改造中并沒有用到主軸控制，因此通過修改系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)后我們就可以使用這個(gè)接口來接受Z軸的外接編碼器反饋信號(hào)了。將外接編碼器的連接電纜如圖3連接后，我們只需要修改802D系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和雙軸功率模塊中的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，將Z軸的伺服電機(jī)內(nèi)置的位移反饋信號(hào)屏蔽而采用外接編碼器的反饋信號(hào)就可以了。

這種在滾珠絲桿端安裝外接編碼器的方法安裝方便，增加的成本不多但使用效果很好，因此性價(jià)比極高。需要注意的只是在安裝調(diào)試過程中要仔細(xì)的設(shè)置相關(guān)的機(jī)床數(shù)據(jù)。

對(duì)于原機(jī)床的繼電器控制電路的改造，雖然機(jī)床動(dòng)作并不是很多，但是控制較復(fù)雜，動(dòng)作之間的安全互鎖較多，因此在原電柜中的電路顯得十分復(fù)雜，而全部換成了由802D系統(tǒng)的PLC單元控制之后，外部控制電路得到了極大的簡(jiǎn)化。802D系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置中的PP72/48模板能夠提供72位的輸入點(diǎn)和48位的輸出點(diǎn)，輸入輸出點(diǎn)足夠機(jī)床使用，不用象其它的一些數(shù)控系統(tǒng)那樣要額外增加I/O輸入輸出點(diǎn)模塊。

在數(shù)控加工程序的編制上，802D采用的是數(shù)控系統(tǒng)通用的G代碼編程。程序簡(jiǎn)潔，在本機(jī)床的程序編制上，由于加工出的踏面形狀的精度要求較高，而且對(duì)操作的簡(jiǎn)單性用戶也提出了很高的要求，因此在程序的編制中我們特別考慮了這一點(diǎn)。如圖1所示，由于加工輪對(duì)時(shí)操作者使用的是直徑測(cè)量，而一般情況下我們?cè)谲嚧驳那邢骷庸ぞ幊虝r(shí)在X軸方向上的進(jìn)刀是采用相對(duì)坐標(biāo)的方式或是設(shè)定機(jī)床工件坐標(biāo)，采取零點(diǎn)偏移的方法進(jìn)行加工，但是在這一機(jī)床中并不適用。為了簡(jiǎn)化操作，我們采用了西門子系統(tǒng)中的R參數(shù)來設(shè)定切削量，在程序中對(duì)相應(yīng)的R參數(shù)編程之后，操作者在加工時(shí)只需在R參數(shù)中輸入要加工的輪對(duì)直徑值，那么程序會(huì)自動(dòng)換算出切削量并進(jìn)行切削，極大的方便了操作。

另外由于輪對(duì)左右輪徑加工后的尺寸要求較嚴(yán)，加工后的左右輪徑差不能大于0.5mm。因此我們?cè)赗參數(shù)中設(shè)置了一個(gè)初始的對(duì)刀參數(shù)來調(diào)整切削基準(zhǔn)。在刀桿長(zhǎng)度或數(shù)控系統(tǒng)的參考點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)可以十分快捷方便的修改基準(zhǔn)，使得輸入的直徑值和實(shí)際切削出的輪對(duì)直徑值保持完全一致。

還有一點(diǎn)是在切削輪對(duì)時(shí)，對(duì)于其他數(shù)控系統(tǒng)，Z軸方向通常操作者在內(nèi)側(cè)面對(duì)刀后需要將Z軸的當(dāng)前坐標(biāo)值輸入?yún)?shù)中，而802D數(shù)控系統(tǒng)中的可讀取當(dāng)前坐標(biāo)值的功能可以使操作工不用輸入數(shù)據(jù)，我們只需在加工程序中添加“R0=$AA-IM[Z]”后，系統(tǒng)就可以把當(dāng)前的Z軸坐標(biāo)值直接讀入到R參數(shù)的R0中，這樣操作者在操作時(shí)就只需要輸入每對(duì)輪對(duì)要加工的輪徑值就可以直接加工了，十分簡(jiǎn)單方便。

在一臺(tái)設(shè)備的數(shù)控改造過程中，電磁干擾現(xiàn)象一直是一個(gè)在安裝調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)中經(jīng)常困擾調(diào)試人員的很大問題，由于使用舊設(shè)備的車間和場(chǎng)地一般來說工作環(huán)境比較惡劣，強(qiáng)干擾源多，而且電網(wǎng)的電壓波動(dòng)較大，零線、地線質(zhì)量不是很高，因此在調(diào)試過程中經(jīng)常碰到干擾現(xiàn)象。為了消除干擾，設(shè)計(jì)和調(diào)試人員不得不付出額外的很多精力。例如我們?cè)谝慌_(tái)使用其它系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造的車輪車床中遇到以下情況：平時(shí)數(shù)控系統(tǒng)都工作正常，但每天總有一兩次數(shù)控系統(tǒng)在工作中突然急停，屏幕顯示報(bào)警為X軸編碼器硬件故障，重新上電后機(jī)床又恢復(fù)正常，對(duì)此我們開始懷疑是位移編碼器損壞或是線路接觸不良，但查了很長(zhǎng)時(shí)間，采取了很多措施都未能消除這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終的檢查結(jié)果確定是系統(tǒng)受到了車間電壓瞬間波動(dòng)的干擾，后來不得不在設(shè)備電源進(jìn)線端加裝了一個(gè)穩(wěn)壓變壓器，并單獨(dú)安裝了一條質(zhì)量很好的地線。雖然最終解決了問題，但是浪費(fèi)了很多的時(shí)間和精力。采用了西門子的802D系統(tǒng)之后，由于該系統(tǒng)采取了當(dāng)前十分流行的使用Profibus數(shù)據(jù)總線將各個(gè)功能模塊相連的通訊方式，因此不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且抗干擾性大大增加，減少了數(shù)控設(shè)備因電磁干擾而產(chǎn)生各種不明故障現(xiàn)象的可能性。

在我們對(duì)鐵路系統(tǒng)多個(gè)單位的C8011B車輪車床用西門子的802D數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)控改造后，改造后的機(jī)床性能可靠、加工精度高、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，因此得到了用戶的廣泛認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)。