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案例頻道一、 概述
高性能的激光器與現代數控機床技術相結合，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，而且還廣泛應用于各種微細加工及使用傳統工藝難以加工的高硬度、高熔點材料。激光熔覆是根據使用條件、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，經凝固形成冶金結合，經表面處理，使表面具有高硬度的機械特性，例如，在冶金行業等具有很高的實用價值。山東某激光加工公司于2001年進行機床的數控化改造，裝備了3KW、5KW激光設備兩套，用于對工件的熔覆處理；數控控制設備采用西門子公司生產的SINUMERIK 802D數控系統，并配置兩塊SIMODRIVE 611UE驅動模塊，可驅動三臺1FK6系列數字伺服電機和一臺主軸數字伺服電機，實現了X軸、Y軸、Z軸和主軸四軸聯動，配以高性能的激光技術，因此對機械加工具有較高的精確性和準確性。
二、開發方案
1、數控改造方案
由普通機床改造為激光熔覆數控機床如圖1所示。采用西門子SINUMERIK 802D數控系統，X、Y、Z軸分別由交流數字伺服電機驅動實現激光束在不同坐標上的三維聯動，旋轉主軸也采用交流數字伺服電機驅動，實現不同的加工速度要求。同步送粉裝置可根據加工工件、加工速度、激光器功率的不同進行相應設定。使用SINUMERIK 802D系統內置的PLC功能模塊，對機床電氣進行控制，實現對激光器的開、停、冷卻水及吹掃氣源的開、關控制。三軸的零點與終點限位位置，分別裝設限位開關，實現對機械限位的保護。加工過程中，出現各種控制信號，經過信號轉換，經過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、數控系統及網絡系統介紹
SINUMERIK 802D數控系統有操作面板、NC單元、輸入輸出模板等組成。數控系統硬件網絡配置如圖2所示。
面板控制單元PCU數控制核心，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、監控和控制能力，便于開發和應用。通過RS232通訊接口，可以利用微機在WINDOWS95以上的平臺上進行程序開發和驅動調試。
輸入輸出模塊PP72/48是數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信號以及顯示、報警等的數字信號。
機床控制面板MCP用于進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。
驅動模塊SIMODRIVE 611UE 用于與伺服電機的速度環和電流環的控制。通過讀取伺服電機上的脈沖編碼器產生的1Vpp正弦波脈沖反饋位置環信號，實現進給運動。此外，接口連接變頻器，可驅動主軸感應電機回轉。進給驅動采用永磁式同步交流伺服電機，通過同步齒帶驅動滾珠絲桿，實現X、Y、Z軸直線運動。
SINUMERIk 802D 是集成了PROFIBUS-DP 接口的數控系統，它將數控及驅動系統之間的所有通信連接通過一個PROFIBUS-DP接口實現，因此很大程度上簡化了安裝和接線過程。
SINUMERIk 802D的系統編譯器能夠認讀G代碼，系統能夠完全解讀其他品牌數控系統用G代碼編寫的零件程序。通過對系統的預定義，802D實現了快速啟動。帶PLC基本程序的PLC工具盒支持在普通PC平臺上按照應用需求修改PLC程序。NC的起動數據可以在標準PC卡上進行存取操作，簡化了數據備份，縮短了多臺機床應用中的起動時間。
三、軟件設計
按照MCP機床操作面板，本系統具備如下三種工作狀態：
停止狀態，可向系統輸入程序、數據、修改參數等。CPU可進行計算和處理操作。
手動狀態，可手動控制四軸運動，完成手動激光熔覆，也可進行預調、對正、預設等操作。
自動加工狀態，CPU運行加工程序，按計算出的軌跡，控制四軸聯動，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，可使加工繼續進行。
根據系統工作狀態，軟件主要包括如下部分：
a、 系統軟件，包括啟動系統的引導軟件；執行所有操作功能的HMI人機通訊軟件；包括全部NC功能NCK數控核心軟件，可控制四個進給軸和一個主軸的運動；以及可循環執行的內裝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定程序；與外部PC進行程序和數據傳送的WINPCIN程序；可編程控制器的用戶庫文件；為驅動器設置參數和調試的SIMOCOM U工具程序和驅動固件SIMODRIVE 611UE。
c、 編程工具PLC802軟件，采用S7-200Micro/WIN編程語言進行程序設計。
四、結論
采用SINUMERIK 802D數控系統改造的數控激光熔覆機床，性能價格比高，機床性能穩定，運行幾年來無重大故障；使用交流數字伺服系統驅動設備，傳動結構簡化，并提高了機床的運動精度。
參考文獻
1、 SINUMERIK 802D 數控系統硬件說明 Siemens 技術資料
2、 SINUMERIK 802D 數控系統軟件說明 Siemens 技術資料
作者：逯志宏，電氣工程師，主要從事冶金企業的電氣自動化方面的研究、設計與開發工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號