長久以來，鐵路系統(tǒng)在鏇修客貨車車輪時，使用的設(shè)備絕大部分都是某重型機床廠在八九十年代生產(chǎn)的C8011B車輪車床，該車床有兩個刀架，每個刀架帶兩個坐標(biāo)軸（X軸和Z軸），采用電子仿型的方法對火車輪對的輪緣和踏面進行加工，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。另外機床的動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。隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，為適應(yīng)鐵路實施提速和發(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)遠遠不能滿足精度要求，對該機床實行數(shù)控化改造是滿足這一要求最經(jīng)濟、最有效的方法。近兩年來，各鐵路車輛段和車輪廠紛紛對其原有的C8011B車輪車床進行數(shù)控改造，我們在使用西門子的802系列數(shù)控系統(tǒng)對該機床的改造過程中，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，首先需要考慮的是滿足改造要達到的幾個要求：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、將原機床的所有動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，同時操作盡量簡單。

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，可以實現(xiàn)72點輸入和48點輸出的PLC控制，同時驅(qū)動模塊為一個雙軸功率模塊，可以帶兩個線性軸和一個主軸，在伺服電機中內(nèi)置了速度反饋和位移反饋傳感器可以和主機一起形成一個半閉環(huán)控制系統(tǒng)從而能達到很高的機床精度。而且價格適中，具有很高的性價比，可以很好的滿足設(shè)備數(shù)控改造的要求。

由于C8011B車輪車床采用兩個刀架對火車輪對的左右踏面同時加工，因此我們采用了兩套802D系統(tǒng)分別控制左右刀架的運動。而機床所有動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 1塊
2、全功能豎直鍵盤 1塊
3、PP72/48模板 1塊
4、611UE驅(qū)動電源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3000RPM18NM 2個
8、外接2500P/旋轉(zhuǎn)編碼器 1個
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SIMODRIVE611UE雙軸控制模塊來控制兩個伺服電機分別驅(qū)動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（機床控制面板）則和機床動作按鈕面板集成在一起自制。

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

因為數(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，但中間的傳動機構(gòu)仍為舊的傳動機構(gòu)，在伺服電機帶動X軸和Z軸滑臺的傳動過程中，X軸和Z軸的傳動結(jié)構(gòu)如圖2所示：



圖2

由上圖可見，對于X軸來說，由于齒輪傳動級數(shù)不多，傳動間隙不大，因此可以采用標(biāo)準(zhǔn)配置使用伺服電機內(nèi)置的速度反饋和位移反饋，此時X軸的滑臺運動精度也能滿足要求。而對于Z軸來說，傳動級數(shù)多，而且還有兩級錐齒輪傳動，因此傳動間隙大大增加，如果我們?nèi)圆捎盟欧姍C端的位移反饋的話，那么Z軸的滑臺運動精度就得不到保障。解決的方法雖然有很多，比如更換齒輪傳動或是在Z軸導(dǎo)軌上加裝光柵尺等等，但因條件所限和價格等原因都不是很好的解決辦法。對于這特殊情況，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Z軸的位移反饋信號直接檢測的是Z軸滾珠絲桿端的位移信號，而電機和滾珠絲桿間齒輪傳動的傳動間隙都被包含在了閉環(huán)鏈中，因此Z軸滑臺的運動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)一樣有一個專門的編碼器接口，它只有兩個接收電機反饋信號的X412和X411接口。此時Z軸的外接編碼器的信號該如何連接呢？在611UE雙軸閉環(huán)控制單元上，我們看到有一個X472接口，此接口是用來接收主軸的編碼器信號的，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接口來接受Z軸的外接編碼器反饋信號了。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)動數(shù)據(jù)，將Z軸的伺服電機內(nèi)置的位移反饋信號屏蔽而采用外接編碼器的反饋信號就可以了。

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，因此性價比極高。需要注意的只是在安裝調(diào)試過程中要仔細的設(shè)置相關(guān)的機床數(shù)據(jù)。

對于原機床的繼電器控制電路的改造，雖然機床動作并不是很多，但是控制較復(fù)雜，動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位的輸入點和48位的輸出點，輸入輸出點足夠機床使用，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。程序簡潔，在本機床的程序編制上，由于加工出的踏面形狀的精度要求較高，而且對操作的簡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。如圖1所示，由于加工輪對時操作者使用的是直徑測量，而一般情況下我們在車床的切削加工編程時在X軸方向上的進刀是采用相對坐標(biāo)的方式或是設(shè)定機床工件坐標(biāo)，采取零點偏移的方法進行加工，但是在這一機床中并不適用。為了簡化操作，我們采用了西門子系統(tǒng)中的R參數(shù)來設(shè)定切削量，在程序中對相應(yīng)的R參數(shù)編程之后，操作者在加工時只需在R參數(shù)中輸入要加工的輪對直徑值，那么程序會自動換算出切削量并進行切削，極大的方便了操作。

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

還有一點是在切削輪對時，對于其他數(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就只需要輸入每對輪對要加工的輪徑值就可以直接加工了，十分簡單方便。

在一臺設(shè)備的數(shù)控改造過程中，電磁干擾現(xiàn)象一直是一個在安裝調(diào)試現(xiàn)場中經(jīng)常困擾調(diào)試人員的很大問題，由于使用舊設(shè)備的車間和場地一般來說工作環(huán)境比較惡劣，強干擾源多，而且電網(wǎng)的電壓波動較大，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)計和調(diào)試人員不得不付出額外的很多精力。例如我們曾在一臺使用其它系統(tǒng)進行數(shù)控改造的車輪車床中遇到以下情況：平時數(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，屏幕顯示報警為X軸編碼器硬件故障，重新上電后機床又恢復(fù)正常，對此我們開始懷疑是位移編碼器損壞或是線路接觸不良，但查了很長時間，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的干擾，后來不得不在設(shè)備電源進線端加裝了一個穩(wěn)壓變壓器，并單獨安裝了一條質(zhì)量很好的地線。雖然最終解決了問題，但是浪費了很多的時間和精力。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)總線將各個功能模塊相連的通訊方式，因此不但結(jié)構(gòu)簡單，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。

在我們對鐵路系統(tǒng)多個單位的C8011B車輪車床用西門子的802D數(shù)控系統(tǒng)進行了數(shù)控改造后，改造后的機床性能可靠、加工精度高、操作簡單、維護方便，因此得到了用戶的廣泛認可和高度評價。