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一、    概述

       高性能的激光器与现代数控机床技术相结合，使激光加工具有加工精度高，可控性好，程序简单，加工时间短，省料，污染程度小等特点，而且还广泛应用于各种微细加工及使用传统工艺难以加工的高硬度、高熔点材料。激光熔覆是根据使用条件、基体、熔覆加工合金元素（如Co，Ni或非金属元素），激光斑点照射到被加工工件表面上时，由同步送粉器输送合金粉，这样高功率的激光束将合金元素和金属基体表面薄层熔化，由于金属元素互相扩散而混合，经凝固形成冶金结合，经表面处理，使表面具有高硬度的机械特性，例如，在冶金行业等具有很高的实用价值。山东某激光加工公司于2001年进行机床的数控化改造，装备了3KW、5KW激光设备两套，用于对工件的熔覆处理；数控控制设备采用西门子公司生产的SINUMERIK 802D数控系统，并配置两块SIMODRIVE 611UE驱动模块，可驱动三台1FK6系列数字伺服电机和一台主轴数字伺服电机，实现了X轴、Y轴、Z轴和主轴四轴联动，配以高性能的激光技术，因此对机械加工具有较高的精确性和准确性。

二、开发方案

1、数控改造方案

        由普通机床改造为激光熔覆数控机床如图1所示。采用西门子SINUMERIK 802D数控系统，X、Y、Z轴分别由交流数字伺服电机驱动实现激光束在不同坐标上的三维联动，旋转主轴也采用交流数字伺服电机驱动，实现不同的加工速度要求。同步送粉装置可根据加工工件、加工速度、激光器功率的不同进行相应设定。使用SINUMERIK 802D系统内置的PLC功能模块，对机床电气进行控制，实现对激光器的开、停、冷却水及吹扫气源的开、关控制。三轴的零点与终点限位位置，分别装设限位开关，实现对机械限位的保护。加工过程中，出现各种控制信号，经过信号转换，经过I/O口，输入到PCU，PCU可随时判断和处理。如果加工过程中遇到紧急情况：如掉电、过载等，可紧急停机。

2、数控系统及网络系统介绍

         SINUMERIK 802D数控系统有操作面板、NC单元、输入输出模板等组成。数控系统硬件网络配置如图2所示。

        面板控制单元PCU数控制核心，集成了PROFIBUS-DP接口、手轮接口、PCMCIA接口以及键盘和软件：NCK、HMI和PLC。配备了10.4TFT液晶显示屏并采用32位的80486CPU，提高了通讯、监控和控制能力，便于开发和应用。通过RS232通讯接口，可以利用微机在WINDOWS95以上的平台上进行程序开发和驱动调试。

        输入输出模块PP72/48是数字量的输入输出接口。具有72位输入和48位输出，用于传送机床控制面板的控制信号和包括限位信号、启停信号等各种开关信号以及显示、报警等的数字信号。

机床控制面板MCP用于进给运动和主轴运动的手动和自动控制，操作者通过MCP实施对机床的各种操作。

       驱动模块SIMODRIVE 611UE 用于与伺服电机的速度环和电流环的控制。通过读取伺服电机上的脉冲编码器产生的1Vpp正弦波脉冲反馈位置环信号，实现进给运动。此外，接口连接变频器，可驱动主轴感应电机回转。进给驱动采用永磁式同步交流伺服电机，通过同步齿带驱动滚珠丝杆，实现X、Y、Z轴直线运动。

        SINUMERIk 802D 是集成了PROFIBUS-DP 接口的数控系统，它将数控及驱动系统之间的所有通信连接通过一个PROFIBUS-DP接口实现，因此很大程度上简化了安装和接线过程。

        SINUMERIk 802D的系统编译器能够认读G代码，系统能够完全解读其他品牌数控系统用G代码编写的零件程序。通过对系统的预定义，802D实现了快速启动。带PLC基本程序的PLC工具盒支持在普通PC平台上按照应用需求修改PLC程序。NC的起动数据可以在标准PC卡上进行存取操作，简化了数据备份，缩短了多台机床应用中的起动时间。

       按照MCP机床操作面板，本系统具备如下三种工作状态：

       停止状态，可向系统输入程序、数据、修改参数等。CPU可进行计算和处理操作。

手动状态，可手动控制四轴运动，完成手动激光熔覆，也可进行预调、对正、预设等操作。

自动加工状态，CPU运行加工程序，按计算出的轨迹，控制四轴联动，完成激光熔覆加工。在加工过程中，可按下暂停键，可暂停加工，完成必要的辅助操作后，再次按下暂停键，可使加工继续进行。

根据系统工作状态，软件主要包括如下部分：

a、              系统软件，包括启动系统的引导软件；执行所有操作功能的HMI人机通讯软件；包括全部NC功能NCK数控核心软件，可控制四个进给轴和一个主轴的运动；以及可循环执行的内装PLC可编程控制器的用户软件。

b、              工具软件，包括用于特定机床的安装设定程序；与外部PC进行程序和数据传送的WINPCIN程序；可编程控制器的用户库文件；为驱动器设置参数和调试的SIMOCOM U工具程序和驱动固件SIMODRIVE 611UE。

c、              编程工具PLC802软件，采用S7-200Micro/WIN编程语言进行程序设计。

        采用SINUMERIK 802D数控系统改造的数控激光熔覆机床，性能价格比高，机床性能稳定，运行几年来无重大故障；使用交流数字伺服系统驱动设备，传动结构简化，并提高了机床的运动精度。

参考文献

1、   SINUMERIK 802D 数控系统硬件说明    Siemens 技术资料

2、   SINUMERIK 802D 数控系统软件说明   Siemens 技术资料

作者：逯志宏，电气工程师，主要从事冶金企业的电气自动化方面的研究、设计与开发工作。