数控知识 Ⅱ

机床数控改造的必要性及其改造方法 ：
本文首先介绍了机床数控改造的必要性，然后简要介绍了机床数控改造的内容及其优缺点，重点介绍了如何进行机床数控转换，包括数控系统的选择、主要机械部件的数控转换和机床数控转换的主要步骤，并列出了数控转换的几个例子，最后解释了数控转换中的问题，并提出了建议。
一、机床进行数控化改造的必要性
微观看改造的必要性
从微观上看，数控机床比传统机床具有以下突出的优势，这些优势来自数控系统所包含的计算机的力量。
曲线、曲面等复杂法加工的曲线、曲面等复杂部件。
由于计算机具有高超的计算能力，每个坐标轴的运动量可以瞬间准确计算，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
可实现加工自动化和柔性自动化，效率比传统机床高3~7倍。
由于计算机具有记忆和存储能力，输入程序可以记住和存储，然后按照程序规定的顺序自动执行，从而实现自动化。数控机床可以实现另一个工件加工的自动化，使单件和小批量生产自动化，因此被称为灵活自动化。
加工零件精度高，尺寸分散小，易于组装，不再需要修复。
可实现多工序集中，减少零件 经常在机床间搬运。
具有自动报警、自动监控、自动补偿等自律功能，可实现长期无人看管加工。
从以上五个方面衍生出来的好处。例如：降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以照顾多台机床），减少工具，缩短新产品的试生产周期和生产周期，可以快速响应市场需求等。

这些优势是前人无法想象的，是一个非常重大的突破。此外，机床数控仍在实施中FMC(柔性制造单元)，FMS(柔性制造系统)和CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化转型的基础。数控技术已成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
宏观看改造的必要性
从宏观上看，工业发达国家的军民机械工业在70年代末、80年代初开始大规模应用数控机床。其本质是利用信息技术对传统产业(包括军民机械工业)进行技术改造。除制造过程中使用数控机床外，FMC、FMS此外，它还包括在产品开发中实施CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)，CIMS等等。增加包括人工智能在内的信息技术。由于利用信息技术对外军和民用机械行业进行了深入改造（称为信息技术），其产品在国际军品和民用产品市场上的竞争力大大提高。与发达国家相比，我们在信息技术转型传统产业方面落后20年。例如，数控机床的比例(数控化率)直到1995年才达到1995年.1994年，日本已达到20%.所以每年都有大量的机电产品进口。这说明了机床数控改造的必要性。
二、如何数控改造机床？
国外改造业的兴起
在美国、日本、德国等发达国家，机床改造作为一个新的经济增长产业，正处于黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。我国机床改造业也从老行业进入了以数控技术为主的新行业。在美国、日本和德国，机床和生产线的数控技术改造市场广阔，形成了机床和生产线数控改造的新产业。在美国，机床改造业被称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生行业的知名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团，US设备公司等。德宝公司已在中国开业。在日本，机床改造业被称为机床改造(Retrofitting)业。从事改装行业的知名公司有：大型工程集团、岗三机械公司、千代田机械公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
数控改造的内容
机床和生产线的数控改造主要包括以下几点：一是恢复原功能，诊断和恢复机床和生产线的故障部分；二是NC将数显装置或数控系统添加到普通机床上，改造成NC机床、CNC机床；新，为提高精度、效率和自动化程度，对机电部件进行翻新，对机电部件进行重新组装，恢复原精度；不符合生产要求的CNC系统以最新CNC更新；第四是技术更新或技术创新在原有技术更新或技术创新的基础上，大规模更新或技术创新，以提高性能或等级，或使用新技术和新技术，大大提高水平和等级。
数控改造的优缺点
减少投资，短交货期
与购买新机床相比，一般可节省60%~80%的成本，改造成本较低。特别是大型和特殊机床尤为明显。一般来说，大型机床改造只花费新机床采购成本的三分之一，交货期短。然而，在一些特殊情况下，如高速主轴和托盘自动交换装置的生产和安装过于费力和昂贵，改造成本往往增加2~3倍。与购买新机床相比，只能节省约50%的投资。
机械性能稳定可靠，结构有限
床体、柱等基础部件是重而坚固的铸造部件，而不是焊接部件。改造后的机床性能高，质量好，可作为新设备使用多年。但受原机械结构的限制，不应进行突破性改造。
熟悉设备，操作维护方便
在购买新设备时，不知道新设备是否能满足其加工要求。否则，机床的加工能力可以准确计算；此外，由于使用多年，操作人员已经了解机床的特点，操作、使用和维护培训时间短，效果快。改造后的机床一安装，就可以实现全负荷运行。
可充分利用现有的条件
现有地基可以充分利用，不需要像购买新设备时那样重建地基。
最新的控制技术可以使用
根据技术创新的发展速度，可以及时提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备的质量和等级，将旧机床改为今天的机床。
选择数控系统
数控系统主要有三种类型，改造时应根据具体情况进行选择。
步进电机拖动的开环系统
伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲电机等。通过齿轮副和滚珠丝杠副驱动执行部件，由数控系统发出的进给指令脉冲在驱动电路控制和功率放大后旋转步进电机。只要控制指令脉冲的数量、频率和通电顺序，就可以控制执行部件数量、频率和通电顺序。该系统不需要将测量到的实际位置和速度反馈到输入端，因此称为开环系统。该系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的节距精度，因此该系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维护方便，工作可靠，成本低，改装方便。
闭环数控系统拖动异步电机或直流电机，光栅测量反馈
系统与开环系统的区别在于：光栅、感应同步器等位置检测装置测量的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，扩大和改变差值，驱动执行机构以给定速度向消除偏差的方向移动，直到给定位置与反馈实际位置的差值为零。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本高，对环境室温要求严格。比开环系统更难设计和调试。然而，它可以获得比开环进给系统更高的精度、更快的速度和更大的驱动功率指标。该系统是否可根据产品技术要求使用。
交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统
半闭环系统检测元件安装在中间传动部件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路中部分元件的误差。因此，其精度低于闭环系统，但其结构和调试简单于闭环系统。当角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机组成一个整体时，不需要考虑位置检测装置的安装。
目前生产数控系统的公司很多，德国等国外知名公司SIEMENS公司、日本FANUC公司；中国珠穆朗玛峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司、沈阳工程研究中心等国内公司。
数控系统的选择主要是基于数控改造后机床的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。
讨论了数控改造中主要机械部件的改造
新的数控机床在设计上应达到：静态刚度高；运动副摩擦系数小，传动无间隙；功率大；操作维护方便。机床数控改造应尽可能满足上述要求。数控装置与普通机床连接不能满足数控机床的要求，主要部件应满足一定的设计要求，以达到预期的改造目的。
滑动导轨副
对于数控车床，导轨不仅要具有普通车床的导向精度和工艺性，还要具有良好的耐摩擦和磨损特性，减少摩擦阻力造成的死区。同时，要有足够的刚度，减少导轨变形对加工精度的影响，合理保护和润滑导轨。
齿轮副
一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱上。为保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级高于普通机床。机床的主齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床的加工精度。
滑动丝杠和滚珠丝杠
丝杠传动直接关系到传动链的精度。丝杠的选择主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。滑动丝杠可用于加工件精度要求低的情况，但应检查原丝杠的磨损情况，如螺距误差、螺距累计误差、配套螺母间隙等。一般情况下，滑动低于6级，如果螺母间隙过大，则更换螺母。与滚珠丝杠相比，滑动丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。
滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，传动效率90%以上；精度高，使用寿命长；启动扭矩接近运动时的扭矩，可以降低电机的启动扭矩。因此，可以满足高精度零件的加工要求。
安全防护
改造效果必须以安全为前提。在机床改造中，应根据实际情况采取相应措施，不容忽视。滚珠丝杠副为精密元件，工作时应防止灰尘，特别是碎屑和硬砂进入滚道。整体铁板防护罩也可以添加到垂直丝杠上。大拖板与滑轨接触的两端应密封，以绝对防止硬颗粒异物进入滑轨。

经济型数控机床实施USB实践探索接口改造：

鉴于数控加工中复杂曲面的大数据传输速度慢，导致通信竞争缺陷，本文提出了数控系统中上位计算机与数控机床之间的新接口--USB接口来改造经济型数控机床的思想，并对相应的软硬件的改进进行了论证。文章指出，数控机床的实现USB接口的方法给出了Windows系统下的USB驱动程序。由于采用USB接口后数据的传输明显加快，经济数控和PC配置的灵活性和多样性为经济型数控机床拓展了网络功能，解决了网络制造中传输速度慢导致的数据通信竞争问题。
一、提出问题
随着网络时代的到来，机械制造业也面临着如何适应网络制造的问题。因此，计算机技术、网络技术与传统控制技术相结合PC数控系统作为主控制器正日益成为机械制造领域的热点。PC化学数控可分为三种类型，下面分别介绍。
NC板插入型
该数控系统是指将数控的核心功能板卡住并插入PC在扩展槽中。PC负责实现用户接口、文件管理以及通信等功能，NC板负责机床的运动控制和开关量控制。
软件CNC型
软件CNC可以理解为用PC实现概念和手段CNC功能CNC装置的主体是PC充分利用机器PC计算速度不断提高，存储容量和性能不断优化的操作系统不断扩大，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量逻辑控制。目前，该方案仍有许多问题需要解决，仍处于实验室研究阶段。
将PC板嵌入CNC中
这是目前广泛使用的数控系统。CNC前端接口和PC连接，虽然燃烧是一个妥协的计划，但它可以继承原来的成熟CNC同时又得到了技术PC柔性和开放性。
本文所讨论的USB基于这种数控系统的接口技术。这种连接数控设备和位控制计算机的基本方法称为DNC技术，是构成网络化制造的最基本的一项应用技术。我国早期的经济数控系统大多由单板机改装而成，需外接一个DNC接口板才能实现基本的DNC(下传NC程序)功能，如图1所示。

图1 经济型数控系统的基本通信接口

计算机与数控加工设备的通信方式取决于数控系统的通信接口和通信协议。数控系统提供的通信接口和通信协议有以下几种：
录音接口，该接口为日本产老式经济型数控系统的通信接口。
纸带阅读机输入接口和纸带穿孔机输出接口。早期引进的数控系统通常具备该接口，如FANUC 7M系统。新开发的数控系统己基本淘汰了此接口，但我国企业中还有-定数量包含此接口的数控加工设备。
异步串行通信接口，如RS232、R5422、R485等。这是应用最普遍的一种通信接口，新开发的数控系统几乎都包含此类接口，它采用XON/XOFF、3964R、简化3964等通信协议。
接口，如FANUC DNC2接口，这种接口可实现远距离通信，具有出错反馈与在线实时修改功能，便于远程管理，但由于其结构复杂，通信软件开发难度大，价格高，因此我国很少引进。
网络通信接口，主要有MAP接口、以太网接口和现场总线接口等，这类接口通信速率高、可靠性高，新开发的开放式数控系统大多具有以太网接口选件、但我国引进的数控系统中很少配备网络通信接口。
网采用MAP2.1和MAP3.O制造自动化协议，是目前应用较广泛的工业网，它将宽带技术、总线技术和无源工作站融为一体，从而保证信息无错传输。但当要求MAP实现与加工同步传输NC程序时，它很难达到实时性要求，这是由于MAP采用完整的七层协议，网络存取费用高、传输效率低、实时性差，因此不适宜于数控加工设备的联网。
由上分析可知，异步串行通信接口RS232是最常用的数控系统通信接口，几乎所有的数控系统都包含此接口。同样，图1中的DNC接口板也是采用的RS232接口的。在计算机技术日新月异的今天，RS232接口在计算机应用领域正在被一种新的USB接口所代替，从键盘、鼠标到打印机、扫描仪，众多基于USB的外设取代了昔日采用RS232接口的设备，那么在数控系统中，是否也可以采用这样的一个新的USB接口技术呢？

DNC通信系统中，当多台数控加工设备同时加工某复杂零件时，由于NC程序庞大，数控系统的内存无法存放整个NC程序，只能采取DNC传输方式加工，这就有可能出现数控加工设备因暂时缺乏NC程序而加工停顿的现象，这种现象称为“通信竞争”。通信竞争在实际生产中往往会产生严重的后果，例如，汽车覆盖件冲压模具横加工的中途停顿会造成覆盖件局部“聚光”现象，从而直接影响冲压零件质量。引起通信竞争的因素大致如下：
参与联网的数控加工设备的数量m，数量越多，引起通信竞争的可能性越大。
现场总线传输速率、传输效率C和节点切换服务时间t。传输效率是指传输有效字节数占总传输字节的比例。
各数控加工设备的通信传播速率vi和传输效率ei(i=1～m)。vi通常为9600b/s，但复杂型面型腔精加工则要求认达到19200b/s以上。
数控系统程序消耗率pi，即数控系统每秒执行程序的位(bit)数。pi波动较大，但每个系统都有一个较确定的最大pi值；
数控系统通信数据缓冲区BUFFER的大小Qi。
各DNC通信前端单元数据缓冲区BUFFER的大小Si。
Si是需要优化的量，通过建立数学模型，可以得到：

由式(1)可知，DNC通信前端单元数据缓冲区S的上限与Q、v、c、p相关：Q、v、c越大，P越小，则S上限越大。S的下限还与m、t相关：m、t越小，则S的下限越小。

式(2)表明了DNC通信系统连接相同数控加工设备而又不发生通信竞争的最大数量：v、c越大，p、t越小，则m越大。如果DNC通信系统联网的数控加工设备台数不满足式(2)，则该系统一定会出现通信竞争，这时只能通过降低所有或部分数控加工设备的进给速度等手段以减小加工程序的消耗率p，或者采用较高的传输速率，即提高v，所以采用具有较高传输速率的USB总线及接口可以解决DNC通信系统中的通信竞争问题。
二、技术分析
USB接口相对于RS232接口的优势在于：
USB总线提供了3种不同的数据传输速率：1.5Mb/s的低速数据传输、12Mb/s的全速数据传输、480Mb/s的高速数据传输(USB2.0支持)，而RS232的速率最高只有20kb/s，USB在加工曲率变化很大的曲面的时，高速数据传输具有明显的优势。
USB理论上可支持多达127个外设，相对于RS232的点对点连接，采用USB接口的系统有可能实现一台PC控制多台NC，从而可大大提高效率、降低成本、便于控制，更有利于实现协同制造。
USB的有效连接距离是5m，可以通过集线器扩展连接，最多可以扩展到5级，达到30m的距离，而RS232在数据传输时最大距离仅为15m。Icron公司开发了Exterme USB技术，更是可以将USB设备扩展到距离为500～2000m处。
USB的另一个显著特点是支持热拔插，这种特性非常适用于生产布局调整频繁的环境。试想，当需要增减NC或者NC出现故障需要停机维修时，可以直接将设备接入系统，一定可使生产调整时间大大降低。
USB还具有低价位、易使用、传输数据有较好的容错性等特点。

图2 采用USB接口后的网络拓扑结构

从以上分析不难看出，数控系统采用USB接口是具有很多便利的，相对于RS232接口是一种技术提高。我们更进一步地提出一种便捷的中小型加工制造网络的模式，如图2所示。
三、技术改造方法
将经济型数控系统上的RS232接口改造成USB接口，需要从软、硬件两个方面进行。

图3 USB/RS232的转换器结构图

图4 改造后的DNC接口板结构
硬件改造
在PC端，一般时下主流机型都支持USB接口，部分高档PC甚至支持USB2.0。对于不支持USB的PC也可以采用主板插入USB扩展卡的办法解决。关键改造在于DNC接口板。一种方法是采用USB/RS232的转换器，其结构如图3所示。
USB/RS232转换器一般由USB接口模块、UART接口模块、数据缓冲区和协议控制单元组成。USB接口模块主要提供与USB总线的连接，它实现一般USB设备的所有功能，与PC上的USB口相连；UART接口则实现标准RS232接口的所有功能，与DNC接口板的RS232接口相连；协议控制单元通过接受USB接口的命令，对UART接口进行配置(配置通信波特率、数据位、校验位、起始/停止位、流控信号等)。数据缓冲区用来临时保存双方的数据传输工程中的数据。

另一种改造方法是直接改造DNC接口板，增加USB模块。图4是改造后的硬件结构。
其中，SIE是串行接口引擎，是USB接口的核心模块。如果CPU包含了USB接口，则CPU直接与负责实现USB协议要求主要功能的SIE核心模块连接，否则，CPU则需通过串行总线，如I2C或数据地址线I/O口与SIE相连。

两种硬件改造在USB接口实现上有本质的区别：前者USB/RS232转换器所用的USB芯片属于USB接口芯片，从硬件结构上来说仅包含USB的串行接口引擎(SIE)、FIFO内存、收发器以及电压调整器等芯片；后者则属于内含USB单元的微处理器(MPU)，即芯片包含了增强版的8051核心，可以通过I/O与原有CPU相连，甚至可以直接去驱动步进电机，完成数控任务。
软件设计
USB/RS232
这种结构可以直接使用，不需要另外编制驱动程序。
对直接改造DNC接口板的，要采用EZ-USB的固件开发
可以使用Cypress USB仿真器软件--Cypress Lab中的Keil C Complier工具。该应用程序是由Cypress半导体公司为配合USB芯片组的开发所研制出来的。通过编制相应程序，可将编译后的文件直接烧录至EEPROM中，从而完成USB的固件设计。也可以采用CYASM汇编语言，这是一种只有38个精简指令的编译器程序，同样将编译好的16进制格式文件(.hex)烧录至EEPROM中使用。其主要功能是控制EZ-USB芯片接受并处理USB驱动程序的请求(请求设备描述符、请求或设置设备状态、请求设备设置、请求或设置设备接口等共11种USBl.1标准请求)；控制EZ-USB芯片接受应用程序的控制指令；控制A/D模块的数据采集；通过EZ-USB存储数据并实时上传PC机。

在Windows系统下编制USB驱动程序
USB总线是支持热插拔的，当Windows检测到一个新的USB外设时，必须做的一件事情是找出应该使用哪个设备驱动应用软件来与设备通信，然后再载入选定的驱动。这是Windows设备管理器的工作，设备管理器使用类、设备安装器和INF文件来找到这个匹配。当Windows列举新的USB设备时，设备管理器把所有INF文件中的数据(设备供应商和产品的ID，也称作VID和HD，以及制造商、供应商名字和描述符等)与在列举时从设备获得的描述符中的信息做比较。找到匹配之后，Windows系统注册表将保存所有已安装设备的信息。在位置HKEY_L0CAL_ MACHINE/Enum/ USB处，将列出所有的USB设备。

由于在Windows 98中提供了USBD(USB系统驱动程序)，且USBD又给用户提供了直接支持的USB DI，用户在编写USB驱动程序时，只需配置满足USB要求的URB(USB请求块)，并通过USB DI发送下去，即可实现对USB设备的控制。设备驱动是保证应用程序访问硬件设备的软件组件，一个设备驱动使得应用程序不必知道物理连接、信号和与一个设备通信需要的协议等的细节。应用程序可以使用一套操作系统支持的函数与设备驱动进行通信。用于读写USB设备的API函数是Creat Ne、Device Io Control或Read File和Write File。

把所有与设备有关的驱动操作编译为DLL，提供给应用程序使用。应用程序无需知道操作设备的细节，只需知道DLL的接口函数即可。下面给出对USB设备基本操作函数的例子。
CreateFile(TEXT(".//Ez-USB"),GENERIC_READ,FILE_SHARE_ READ|FIlE_SHARE_WRITE，NULL,OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL)

第1个参数是需打开的设备名；第2和第3个参数分别为授权读写和共享模式；第4个参数为安全属性，一般为NULL；第5个参数为打开方式(对USB设备来说应该是打开已存在的)；第6个参数是异步交替模式；第7个参数为模板文件，这里并不需要。函数返回值为设备指针。

Device Io Control(hUSB, (DWORD)wFuncNum, (PVOID)pParam, (DWORD) dwSize,NULL,0,&Returned,NULL)
hUSB为通过CreatFile所获得的设备指针；wFunHum为设备操作代码，具体可查阅CYPRESS公司或USBD提供的标准代码；pParam为执行操作的请求数据缓冲区指针；dwSize为数据缓冲区大小，紧跟其后的两个参数分别为操作的输出数据接收缓冲区指针和大小，一般为NULL和0即可；Returned为操作返回指针；最后一个参数为异步操作，为NULL即可。

使用前先定义好请求数据缓冲区，获得设备指针后即可用相应的操作代码对USB设备进行操作了。

以上的设备驱动程序和上层应用软件已在VC6.0下调试通过。
四、总结
通过上述的软/硬件改造，使经济型数控与PC之间具备了一个新的接口--USB接口。这种改造有助于提高经济数控系统与PC相配置的灵活性和多样性，甚至我们可以用1台PC来控制一条小型流水线上的所有NC。这不仅大大减少了安装、配置时间，降低了故障率，减少了操作工人数量，更可以与相关软件配合，实现并行制造，使NC的利用率达到最大，并使经济型数控系统扩展了网络功能，可以通过PC连入Internet/Intranet，实现网络化制造。

作者：南京理工大学机械工程学院 王程民 季春明

 
   进口大型数控落地镗铣床的系统改造：
 随着时间进入21世纪，我国大部分在20世纪80年代引进的大型数控镗铣床都已进入大修时期，由于数控系统的更新换代，原机床上所配的数控系统都已停产，系统的备件相当昂贵，因此大部分的用户都会利用机床大修的时机进行数控系统的改造。鉴于这种情况，觉得有必要结合自己的实践经验对此类机床的系统改造作一个总结，以利于大家今后的工作。

1. 改造方案的选择

1.1 数控系统的选择

从国内的现实情况来看，这一类的机床基本上都是从欧洲进口的，所配的数控系统几乎全部是西门子公司的8M系统，PLC则是西门子公司的S5-150 系列， 而驱 动部分大部分是西门子的直流驱动。

在确定改造方案时，由于经费等方面的原因，大部分用户都会选择驱动及电机部分保留而只更换系统的方案，这样出于系统的延续性和兼容性的原因，用户多会选择西门子公司SINUMERIK 840C系统。该系统是西门子公司在九十年代初推出的高档系统，功能强大，使用灵活，适用于各种类型的机械加工设备，目前在国内也拥有大量的用户。如果用户在经费方面没有问题，则还可以有另一种选择，即选用SINUMERIK840D系统，这样的话，则驱动和电机都需要更换。SINUMERIK840D系统是西门子公司九十年代中期推出的一款纯数字的高档数控系统，与之匹配的驱动和电机也都是数字的，从发展趋势看，该系统已进入成熟期，现已成为西门子公司高档系统中的主流机型。

1.2 PLC的选择

根据所选系统的不同，也就相应选择了不同的PLC。

SINUMERIK840C系统所配的PLC是S5-135WD，在这里可供用户选择的是PLC 硬件的形式。一种选 择是分布式I/O (DMP)，另一种选择是扩展单元185U；两种 选择相比较而言，DMP的接线比较麻烦 ，但价格便宜，而185U接线简单，原150的前连接器都可保留，但价格较贵。从使用的角度来讲，两种方案都可以满足系统的功能要求。
SINUMERIK840D系统所配的PLC是S7-300，相对来讲接线的工作量与840C系 统选择DMP类似。

2. 机床电气系统的处理

在电气系统的处理上，要以"少动"为原则，基本上保留原机床的电气系统，只将跟系统有关的部分进行重新设计。对于外围输入输出点的处理，则以保留原地址为原则，即使有不用的点，也最好保留它的地址，不要被其它点占用，这样在 PLC程序的处理上要有利的多。这一点在后面再作解释。

3. PLC程序的处理

在此仅以8M系统更换为SINUMERIK840C系统为例来说明PLC程序处理时要注意的问题。
对PLC程序的处理，一个基本原则是尽量保留原PLC程序，只是在原程序的外围加一个转换程序，将与系统有关的部分作必要的转换，这样可最大限度地减少工作量，同时又最大限度地保留了原PLC程序中的一些安全保护措施。从我的经验来看，这种方法是这类系统改造项目最好的处理办法。

3.1 系统功能块（Function Block）的处理

在西门子的PLC产品中，不同的系统有不同的系统功能块，因此在进行系统更新时，必须要对系统功能块进行相应的处理。

在将8M系统更新为840C系统时，对于跟数据块有关的功能块（FB11，FB60）要更新为新的FB11和FB60，对于其它的系统功能块则可以删除。

3.2 系统接口信号的处理

在西门子的系统中，NC与PLC之间的通讯都是通过接口信号实现的，而接口信号又包括NC→PLC和PLC→NC两大部分， 其中PLC→NC属于控制信号，通过 这些信号可以完成对系统动作的控制； NC→PLC属于系统给出的状态信号，可用 于判断系统是否正确执行了控制信号的要求。因此，如何处理这部分PLC程序是系统改造中的重点，也是本文要着重介绍的部分。

在8M系统中，所有的接口信号都是占用的标志位（Flag），而840C系统中，接口信号基本上都在数据块（DB）中，因此在新的PLC程序中要增加信号转换这部分程序。由于接口信号是双向的，因此在设计转换程序时要设计两个程序块，一个用于处理 NC→PLC的信号，一个用于处理 PLC→NC的信号。下面就分别加以论 述。

3.2.1 标志位（Flag）的处理

在SINUMERIK840C系统中，FY0－FY24是被系统占用的，而在8M系统中，这部分信号则是接口信号中的一部分，因此在作PLC程序的转换时首先要处理这部分信号。具体方法是：在调用原8M系统OB1之前，将FY0－FY24保存到数据块中，在调用之后，再将FY0－FY24恢复，以便840C系统能正常工作。

3.2.2 手动方式（Manual Control）的处理

在这种类型的机床上几乎都配置了手动操作方式，这种操作方式与840C有较大差别，而操作者对这种操作方式又比较习惯，因此在系统更新时最好予以保留。这样的话，就牵扯到了机床控制面板的处理，从我的经验来看，最好保留原机床操作面板，这样会最大限度地保留原操作风格，使操作者易于接受，同时也易于掌握。

3.2.3 系统操作方式的处理

在对系统操作方式的处理上，有两种方式要注意：第一是8M系统中的"手动数据输入"（Manual Data Input）方式，这种方式在840C中是没有的，因此在PLC 程序中要删除与之相关的部分；第二 是"增量"（Incremental）方式，这种方式 在8M的接口信号中只有一位（F25.5），而在840C中则有1INC/10INC/100INC/1000INC/10000INC/VAR六个信号属于增量方式，因此在PLC程序中要将这六个信号对应到原程序中的F25.5。

3.2.4 轴信号的处理

3.2.4.1 PLC→NC信号的处理

在这部分的处理中，要将原8M系统PLC程序中所用到的所有 PLC→NC信号对 应到840C系统的接口 信号上，而对840C专有的信号也要作相应的处理。下面给出 部分信号的对应关系以便大家更容易理解：

8M： F*.0 --840C: DB32/Dk+2.9 （Limit Switch plus）
F*.1 --840C: DB32/Dk+2.8 （Limit Switch minus）
F*.2 --840C: DB32/Dk+1.10 （Controller enable）

其它信号也同样处理。

3.2.4.2 NC→PLC信号的处理

在这里信号的处理方法与 PLC→NC信号的处理是一样的，唯一要注意的是信 号的对应方向。在 PLC→NC信号的处理中，是将8M的信号对应到840C系统的信 号上，而在处理 NC→PLC的信号时，则 是将840C系统的信号对应到8M上。举例如下：

840C： DB32/Dk.10 --8M：F*.1 （Motion command -）
DB32/Dk.11 --8M：F*.0 （Motion command +）
DB32/Dk.12 --8M：F*.2 （Reference point reached）

 

3.2.5 主轴信号的处理

3.2.5.1 PLC→NC信号的处理

在这里要注意的是主轴摆动信号（Oscillation）的处理。在8M中摆动动作只要一个信号F14.2即可完成，而在840C中摆动动作则必须有DB31/Dk+2.6（Reciprocation speed）及DB31/Dk+2.0（PLC spindle control）两个信号才可完成该动作，因此 在程序中必须将F14.2同时对应到DB31/Dk+2.6和 DB31/Dk+2.0，即：

C DB 31
AN F 14.2
= D 2.6
= D 2.0

3.2.5.2 NC→PLC信号的处理

这部分信号中一般用到的只有主轴停（Spindle at standstill）信号。

3.2.6 辅助功能的处理

在这种类型的机床中，使用最多的是M功能，也有个别机床使用H功能，在这部分处理中只需将相关的信号互相对应即可，具体对应如下：

840C： DB10/DL18 -- 8M：FY225
DB10/DL19 -- FY226
DB10/DL20 -- FY227
……
DB10/DL30 --- FY237

以上是M功能（M0－M99）的对应关系，下面的是H功能的对应：

840C： DB10/DR45 -- 8M：FY32
DB10/DL45 -- FY33
DB10/DR44 -- FY34

除此之外，还有两个修饰信号要处理：

840C： DB10/D17.13 -- 8M：F31.0
DB10/D17.8 -- 8M：F31.3

3.2.7 报警的处理

3.2.7.1 接口信号的处理

在8M系统中，有关报警的接口信号被安排在FY188－FY219中，而在840C系统中则被安排在DB58中，具体对应关系如下：

8M： FY188 -- 840C：DB58/DL3
FY189 -- DB58/DR3
FY190 -- DB58/DL4
……
FY219 -- DB58/DL19

3.2.7.2 报警文本的处理

由于8M系统对报警文本的处理比较特殊，因此在系统更新时这部分的处理比较麻烦。在此有必要将8M系统的报警文本处理作一介绍。

在8M系统中，报警文本按照主谓结构存放在两个数据块中（DB4、DB5），而文本的组合关系则存放在另一个数据块DB7中，每个报警信号对应DB7中的一个数据字，而这个数据字则确定了相应的报警文本是由数据块DB4及DB5中哪两个文本构成的。例如，F188.0对应DB7/DW0，若DW0的内容为KY=000,000，则对应的报警文本就是由DB4及DB5的第一段文本组合而成的。

在进行系统更新时，首先要根据DB7、DB4及DB5的内容生成每个报警信号对应的报警文本，然后再将该文本按照840C系统报警文本的格式输入到系统中，这样就完成了报警文本的对应。

3.2.8 模拟量的处理

因为这一类机床都属于大型设备，造价都比较高，因此机床厂商在生产时对安全防护措施都考虑得相当全面，而在这些安全防护措施里面有一部分就是通过系统的模拟输入及模拟输出模块来完成的。因此，当我们进行系统改造时，对这一部分一定要仔细研究，使用新的模块来实现原来的功能，而不能简单地套用原程序，因为原来所用的模块与新的模块在数据格式、字长等方面有较大的不同，这一点是必须要注意的，否则可能就起不到防护的作用了。

4. 新系统的调整

新系统的调整主要是指坐标轴和主轴的调整。

坐标轴的调整分为速度环和位置环。速度环的调整是指速度的匹配，即坐标轴的实际速度与系统指令电压的匹配，这里需要调整的参数是最大指令电压所对应的最高速度。另外，也可能要调整驱动部分测速机的反馈电位计。位置环的调整主要是调整轴的特性，包括跟踪特性及加/减速特性，需要调整的参数就是轴的位置环增益及加速度。在这里有一点要特别强调的，那就是各插补轴在相同速度下跟踪误差要基本保持一致，这样才能加工轮廓的圆整。

主轴的调整主要是速度环的调整，即各档速度的调整。这里只需掌握一个基本原则，即各档的最高速度都对应10V的指令电压。

以上内容是根据自己几年来对此类机床进行改造而获得的经验整理而出的，笔者使用这种方法改造了多台机床，如哈尔滨汽轮机有限责任公司意大利进口INNSE数控落地镗铣床、富春江富士电机有限公司德国进口SCHIESS数控镗铣床、哈尔滨电机厂有限责任公司德国进口WOTAN数控镗铣床，均获得成功，由此可证明该方法是切实可行、行之有效的，特在此整理成文，希望对大家有所启发和帮助。

西门子工厂自动化工程有限公司 朱笑冰
小型龙门刨床的数控化改造：
 【 摘要】 介绍了刨床的数控化改造及其CNC系统。控制系统在硬件上采用开放式的PC总线结构，软件上采用模块化、结构化设计，操作界面上采用图形汉字菜单，具有图形编程、列表曲线编程、模拟运行、自动对刀、刀具磨损补偿、实时加工控制与动态跟踪显示等功能。
关键词 小型龙门刨床 数控改造 CNC系统 程序编制

长度较小的非圆柱面，可以采用数控铣床加工，也可以采用线切割加工（单件生产）。但当非圆柱面达到一定长度后，用上面的两种方法就无能为力或加工成本太高了。如系列罗茨真空泵和罗茨鼓风机的转子（图1所示，其截面轮廓线由多段渐开线、外摆线和圆弧组成，长度在300mm以上）、大型水环泵叶轮模型的叶片（截面轮廓线由多段直线和圆弧组成，长度在500mm以上）。为了适应截面轮廓线是复杂曲线的柱面工件的加工，笔者自行研制出了基于IPC的刨床CNC系统，并对某真空泵生产厂家的小型龙门刨床进行了数控改造。

1 小型龙门刨床的机械改造
小型龙门刨床数控改造的方法是将手动调节刀架变成由步进电动机驱动的数控刀架，Z步进电动机控制刀架在垂直方向的移动，X步进电动机控制刀架在水平方向的移动。在滑台底座靠近滑块的部位安装三个接近开关，在滑块上固定一个与三个接近开关平行又在运动过程中与三个开关都能接近的滑块位置标志块（铁块），两者共同用于滑块运动方向和位置的检测。另外，在滑台上安装一个简易的对刀装置。经过负载（摩擦力、转动惯量等）计算，驱动刀架上下移动（Z坐标轴）和左右移动（X坐标轴）的步进电动机分别选用 110BF003型和 130BF003型。这两个坐标移动的脉冲当量均为0.01mm。

2 刨床CNC系统硬件结构
该数控系统采用PC总线、主频为100MHZ的486CPU工业控制机作主机，具有标准16位数据总线和扩展功能灵活的插板式结构，可根据系统要求，进行结构最优化配置。刨床CNC系统硬件结构 该数控系统利用IO／TIMER(并行输入输出／定时器）接口板上的8255A来控制两个步进电动机的运动，接收滑台回程和位置传感器信号、刀架限位开关信号、功能选择开关信号，接口板上的8253定时器用于步进电动机中断运行服务程序，时钟频率为2MHz。

3 刨床CNC系统软件
刨床CNC系统软件以Windows操作系统为平台，采用模块化、结构化的C语言编程，系统软件的界面采用了中文菜单结构，人机界面友好，操作方便。具体结构如图4所示。该系统软件主要由三个模块组成：程序编制、刀具位置调整和运行控制，在每一个模块中 又分多个子模块。
3．1 程序编制模块
一个正确的加工程序编制必须经过以下阶段：程序编制、语法检查、模拟仿真和刀具的干涉、过切检查。在该 CNC软件系统中，加工程序编制可采用多种方式：图形自动编程，手工编程，列表曲线编程。列表曲线文件的数据和加工程序可以通过软驱输人或利用全屏幕编辑器通过键盘输人，也可以通过串行通讯接口输人。
图形编程包括以下步骤：
（1）轮廓曲线的编辑输人首先通过交互式图形操作界面，按照曲线的走向输入各段直线、圆弧、
曲线输入后可以进行修改、放大、缩小和对称等编辑处理。
（2）求偏置曲线对上面编辑好的曲线，按要求的刀尖半径，生成等距曲线，即偏置曲线。
（3）自动编程将偏置曲线按照给定的精度要求用直线进行拟合，并转化成G代码加工程序。
（4）模拟仿真运行以模拟运行方式运行加工程序，并动态地显示刀尖运动轨迹。如果加工程序正确，模拟显示的轨迹会与前面的偏置曲线相重合。
列表曲线的编程也是在图形编程界面下进行。首先读人列表曲线数据文件，按照数据文件中点的顺序，相邻点以直线相连，并显示出来。然后在此基础上进行样条拟合、光顺和偏置处理，再按精度要求离散成小段直线，并自动生成加工程序。

交互式图形编程和模拟仿真运行，使得复杂曲线和列表曲线加工程序的编制不仅效率高，而且方便、直观、可靠。

CNC系统管理程序

程序编制 刀具位置调整 运行控制 图形编程

手工编程 列表曲线编程 模拟运行 手动运行

点动运行 自动对刀 快速空运行 自动运行

点动运行 手动运行

3．2 运行控制
该CNC系统的运行主要包括以下方式：自动运行、快速空运行、手动运行和点动运行。
自动运行是CNC系统运行控制的核心部分，它按加工程序运行。如果正在执行的加工语句的最后一条指令是M32，则刀具根据滑台的往复运动信号作间歇进给运动；如果是M33，则作连续移动，滑台的往复运动信号对它不起作用，即作快速空运行。加工中如果 滑台停止往复运动，则刀具的进给运动也停止。这一功能可以使工人沿用刨床的操作习惯，通过控制滑台往复运动的启停控制刀架进给运动的启停。

自动运行程序由前台和后台两部分组成，后台程序完成并行口 8255A和定时器8253的初始化、指令译码、控制中断服务程序的执行频率（速度调节）、暂停、单段和启动控制、加工轨迹动态跟踪显示和坐标翻转显示；前台程序是中断服务程序，它主要完成插补运 算、步进电动机运转控制、升降速控制、接受滑台往返和位置传感器的信号。刀具的间歇进给运动是在滑台的返程过程中完成的。滑台一次往返刀具的进给量，可以通过功能键进行设定或修改，最小值为二个脉冲当量。自动运行程序的另外一个功能是在按下"连续"功能键时，刀具的间歇进给可以变成连续进给；该功能键抬起时，刀具又可恢复间歇进给。在粗加工毛坯件时，由于加工余量的不均匀，有的地方可能会作空进给，采用此功能可以快速跃过此处，大大提高加工效率。

快速空运行也是按照加工程序控制刀具运动的，但它是作连续运行。通过它可以检查刀具和工件毛坯的相对位置关系，从而确定初次加工的刀具高度位置。快速空运行程序也是由前、后台两部分组成，其结构和自动运行程序的结构类似，只是中断服务程序不受滑台往返运动的控制。

在选择开关处于自动运行状态下，点动功能只能在滑台的返程中起作用，刀具连续移动最大位移量可以设定。该功能为加工过程中的刀具位置调整带来了方便。如在吃刀太深时，可在不停止加工的情况下提刀。

根据选择，手动运行也可受滑台往返运动的控制，作间歇运动。手动功能可以用于平面加工，而且不用编程。这种方式为平面加工带来了方便。

4 结束语
笔者用自行研制的刨床CNC系统为某企业的小型龙门刨床进行了数控化改造，成功地实现了系列水环泵叶轮叶片模型的加工和系列罗茨真空泵转子大批量生产，不仅加工效率高，而且加工质量稳定可靠。经过近几年的不断改进和完善，该CNC系统已具有实时加工控制、图形自动编程、复杂曲线和列表曲线拟合、编程、刀具磨损补偿、自动对刀、模拟仿真和加工轨迹跟踪显示等功能。该刨床CNC系统，不仅适用于小型龙门刨床的数控化改造，也适用于其它形式的刨床的数控化改造。