天水星火機床有限責任公司 張周平

1.引言

C61200是我廠生產(chǎn)的大型臥式車床，主要用于各種大型軸類的粗精加工。由于電力電子器件的飛速發(fā)展和技術的不斷更新，該設備不能適應各工廠產(chǎn)品系列化、快速化發(fā)展的戰(zhàn)略目標。其具體表現(xiàn)為：原有設備采用的是繼電器邏輯控制，線路老化嚴重，故障頻繁；且許多主要電器元件現(xiàn)已經(jīng)淘汰，備件購買困難而且周期長，不易維護；手動人為操作，不能實現(xiàn)加工程序控制的運行實現(xiàn)資源的共享目標。因此，為了合理整合利用工廠資源，設備能更加自動化加工，經(jīng)論證提出了對該臥式車床進行全面的電氣和機械改造。

2.機床的結(jié)構(gòu)和特點

C61200由床頭箱、四工位數(shù)控刀架、尾座、閉式中心架構(gòu)成機床的主體。冷卻裝置、液壓裝置、油溫冷卻和排屑裝置等作為機床的輔助設備。

改造前該設備采用的是歐姆龍PLC通過繼電器控制方式：主軸的變速通過液壓實現(xiàn)機械換檔；刀架由大拖板、中拖板、小拖板構(gòu)成，大拖板的運動可以通過大拖板電機和主軸帶動光桿兩種方式實現(xiàn)，中拖板的運動是通過中拖板電機實現(xiàn)的，小拖板是通過機械齒輪手動旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，刀架位置檢測是通過安裝數(shù)顯表確定。尾座分上體和下體分別由兩個電機拖動。

3.設計方案提出

為了保證機床能實現(xiàn)粗加工和精加工，不改變原有操作方式的情況下，提出了如下改造方案：1主軸伺服(6RA70)驅(qū)動控制。2刀架大拖板、中拖板改為滾珠絲杠傳動，采用數(shù)字軸控制。3取消小拖板。4原機床的所有動作控制由原歐姆龍PLC電路控制改為802D SL數(shù)控系統(tǒng)控制。

在滿足以上條件的要求下，選用了西門子的802D SL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)，它的車床版標準配置中帶有一塊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模擬主軸，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，可以很好的滿足設備數(shù)控改造的要求。

4.硬件的配置與連接

由于C61200車床在對核電轉(zhuǎn)子進行精加工，機床其他所有動作控制則全部由802D SL數(shù)控系統(tǒng)自帶的PLC控制單元來控制。采用802D SL系統(tǒng)的主要硬件配置為：

(1)PCU210.3(Panel Control Unit)主機1塊

(2)水平鍵盤1塊

(3)MCPA面板1塊

(4)PP72/48模板2塊

(5)SINAMIC S120驅(qū)動器進線電源模塊調(diào)節(jié)型-Active Line Module(ALM)1塊

(6)SINAMIC S120雙軸電機模塊-Motor Module(double axis)1塊

(7)1FT6電機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)總線及插頭若干

(10)光柵尺2根

(11)主軸伺服驅(qū)動（6RA70）1個

(12)手輪1個

(13)連接DRIVE-CLiQ集線器模塊DMC20 5塊

5.軟件設計及各個模塊的調(diào)試

SINUMERIK 802D的軟件設計就是處理NCK和MCP之間，NCK和PLC之間，PLC與MCP之間的接口信號，驅(qū)動的配置及連接，NC的參數(shù)配置(包括各種補償)以及PLC報警文本。NCK、PLC和MCP之間既相互獨立，各自負責一部分功能；又相互聯(lián)系，彼此交換信息。

5.1 通訊電纜和PROFIBUS配置

在調(diào)試802D sl數(shù)控系統(tǒng)或SINAMIC S120驅(qū)動器時個人計算機是必不可少的工具.網(wǎng)絡通訊電纜是連接兩者的唯一途徑.因此保證通訊電纜接線方式正確是非常重要的，網(wǎng)絡通訊電纜用于PLC編程和SINAMIC S120驅(qū)動器連接。

首先利用準備好的“直連網(wǎng)線”將計算機和802D sl的X5連接起來；

啟動PLC編程工具，進入通訊畫面，設定以太網(wǎng)參數(shù)：802D SL默認地址為169.254.11.22。

首先要擁有一個編譯無誤的PLC應用程序，然后才能利用PLC編程工具軟件將該應用程序下載到802D sl中；下載成功后，需要啟動PLC應用程序；可利用監(jiān)控梯圖的狀態(tài)；(不包括局部變量L的狀態(tài))；可利用監(jiān)控內(nèi)部地址的狀態(tài)；還可利用“交叉引用表”來檢查是否有地址沖突；如果PLC應用程序是在子程序庫基礎上建立的，需要在制造商的級別下(口令：EVENING)設定相關的PLC機床參數(shù)，如MD14510[16]-機床類型：1表示車床，2表示銑床；請參閱《PLC子程序庫說明》。利用軟件包中提供的RCS軟件將車床版的初始文件下載到802Dsl數(shù)控系統(tǒng)中，文件路徑：\ToolboxV01040100TechnoTurningConfig_Siemensprosetup_T.arc。

5.2 2PLC用戶報警

PLC報警是非常有效的診斷手段之一。SINUMERIK802D sl報警系統(tǒng)提供了64個PLC用戶報警。每個報警對應一個報警變量(與報警文本相關)，每個報警對應一個設定報警屬性的機床參數(shù)MD14516。每個報警還對應一個64位的報警變量：VD16001000到VD16001252。變量中的內(nèi)容（值）可以按照報警文本中定義的數(shù)據(jù)類型插入顯示的報警文本中。用戶報警文本是用戶處理報警的重要信息。在802D sl的工具盒中提供了報警文本的制作工具，報警文本工具集成于RCS 802中，制作對應的報警文本。然后下載到數(shù)控系統(tǒng)。

5.3 驅(qū)動器的調(diào)試

當PLC應用程序的正確無誤后，即可進入驅(qū)動器的調(diào)試。驅(qū)動器調(diào)試步驟是：

裝載SINAMICS Firmware-確保驅(qū)動器各部件具有相同的固件版本

裝載驅(qū)動出廠設置-激活各驅(qū)動部件的出廠參數(shù)

拓普識別和確認(快速開機調(diào)試)-讀出驅(qū)動器連接的拓撲結(jié)構(gòu)以及實際電機的控制參數(shù)，設定拓撲結(jié)構(gòu)比較等級，802D sl為簡化驅(qū)動器SINAMICS S120調(diào)試，專門設計了驅(qū)動調(diào)試向?qū)Вㄟ^調(diào)試向?qū)?，可輕松實現(xiàn)驅(qū)動的調(diào)試。在啟動驅(qū)動調(diào)試向?qū)нM行驅(qū)動調(diào)試之前，必須斷掉驅(qū)動器的所有使能；對于帶ALM的驅(qū)動器，建議斷掉驅(qū)動器的主電源。

驅(qū)動調(diào)試向?qū)г谂渲抿?qū)動的同時，還對PCU 210.3的X20、X21端子進行了定義，如果需要，用戶也可修改端子定義。

5.4 NC調(diào)試

5.4.1 裝載總線配置

在制造商口令下，SINUMERIK802D sl是通過現(xiàn)場總線PROFIBUS對外設模塊(如驅(qū)動器和輸入輸出模塊等)，PROFIBUS的配置是通過通用參數(shù)MD11240來確定的，對于802D sl T/M V1.4，MD11240默認值即可，不需修改。

5.4.2 通用機床數(shù)據(jù)(MD10000？-MD18999)

通用機床數(shù)據(jù)主要用于對機床坐標軸的定義、PLC運行時間的設定與監(jiān)控、用戶數(shù)據(jù)自定義參數(shù)的設定等。

MD10000[0]=X //機床坐標軸名X軸

MD10000[1]=Z //機床坐標軸名Z軸

MD10000[2]=SP //機床坐標軸名SP軸

MD11240=6 //PROFIBUS現(xiàn)場總線的配置

5.4.3 基本通道類機床數(shù)據(jù)(MD20000-MD28999)

基本通道類機床數(shù)據(jù)主要用于通道的設定、幾何坐標軸的設定和選用、G功能的選用等。

MD20000=C61160 //通道名

MD20050[1]=5 //設定機床所用幾何軸號為5

MD20050[2]=2 //設定機床所用幾何軸號為2

MD20080[0]=X //設定通道內(nèi)該機床編程用的軸名

MD20080[1]=Z //設定通道內(nèi)該機床編程用的軸名

MD20080[2]=SP //設定通道內(nèi)該機床編程用的軸名

5.4.4 軸類機床數(shù)據(jù)(MD30000-MD38999)

軸類機床數(shù)據(jù)是對機床坐標各通道軸速度大小、方向和定位，數(shù)控機床保護，誤差補償?shù)葏?shù)設定。

MD30110[0 AX1]=5 //定義速度給定端口軸號5

MD30220[0 AX1]=5 //定義反饋端口軸號5

MD30130[0 AX1]=1 //控制給定輸出類型為1 設定值輸出有效

MD30240[0 AX1]=1 //編碼器反饋類型為1 X軸編碼器為原信號發(fā)生器，高分辨率

MD31000[0 AX1]=1 //直接測量系統(tǒng) X軸為光柵尺

MD32000[AX1]=3000mm/min // X軸最大軸速度

MD32010[AX1]=15000mm/min // X軸點動快速

MD32020[AX1]=1000mm/min // X軸點動速度

MD32020[AX1]=1000mm/min // X軸速率初始值

MD32110[AX1]= -1 // X軸運動的方向

MD32200[AX1]=2.3 // X軸伺服增益系數(shù)

MD32600[AX1]=2000 rev/min // X軸伺服增益系數(shù)

MD32700[AX1]=1 // X軸插補補償

MD34020[AX1]=1000 mm/min // X軸檢測參考點開關的速度

MD34060[AX1]=200 mm // X軸檢測參考點開關的最大距離

MD34070[AX1]=200mm/min // X軸返回參考點的定位速度

MD34100[AX1]=1111.471mm // X軸參考點（相對機床坐標系）位置

MD36100[AX1]=0 mm // X軸第一軟限位開關負向

MD36110[AX1]=1176 mm // X軸第一軟限位開關正向

MD36110[AX1]=10 // X軸絲杠螺距誤差補償點數(shù)

5.5 模擬主軸調(diào)試

對于SINUMERIK802D sl可以利用MCPA模塊產(chǎn)生模擬給定信號連接模擬主軸。編碼器信號則通過編碼器接口模塊SMC30模塊(連接TTL編碼器)或SMC20模塊(連接1Vpp Sin/Cos編碼器)連接。主軸電機與主軸之間非1:1直連，主軸上安裝了一個西門子TTL增量編碼器，通過SMC30連接到系統(tǒng)的DriveCLiQ接口；或者選配西門子1Vpp Sin/Cos增量編碼器，通過SMC20連接到系統(tǒng)的DriveCLiQ接口。

802D sl配置：PCU210.3，MCPA(選件)用于主軸的模擬給定輸出。MCPA可提供1路±10V的模擬信號，用于主軸的速度給定。另外用于連接機床控制面板。模擬主軸由于沒有實際的SINAMICS驅(qū)動，其編碼器只能疊加于某一伺服軸作為其第二編碼器，調(diào)試方法與直接測量系統(tǒng)的第二編碼器調(diào)試相同。

NC-機床參數(shù)：

MD30100=0 //總線地址10的報文類型

MD30110[0，AX3]=3 //攜帶坐標軸的邏輯軸號

MD30134 [0，AX3]=0 //攜帶坐標軸的邏輯軸號

MD30220 [0，AX3]=1 //編碼器模塊號

MD30230 [0，AX3]=2 //編碼器信號端口號

MD31020 [0，AX3]=2500 //TTL編碼器脈沖數(shù)

MD31040 [0]= 1 //額定輸出值100%MD32110 [0，AX3]=1//額定輸出轉(zhuǎn)速

6.機床精度檢測

機床在對工件進行加工的過程中，由于測量系統(tǒng)和力的傳遞過程中會產(chǎn)生誤差和機床自身磨損。使得加工工件的輪廓偏離理想的幾何曲線，導致加工工件產(chǎn)品質(zhì)量的下降。特別是在加工大型的工件時，由于溫度和機械力的影響使的加工精度損失更為嚴重。因而在機床出廠前，需要進行一定的誤差補償。用車床專用激光干涉儀檢測機床定位精度，重復定位精度和反向間隙，根據(jù)檢測精度的數(shù)值在數(shù)控系統(tǒng)中對定位和間隙做相應補償。

6.1 螺距誤差補償

螺距誤差的補償是按坐標軸來進行的，激活誤差補償需設定以下相關機床參數(shù)：

(1)MD 38000軸最大誤差補償點數(shù)

根據(jù)該機床的特點X軸螺距誤差參數(shù)補償點數(shù)為50即MD 38000 [0 AX1] =10；Z軸螺距誤差補償點數(shù)為20，即MD 38000 [0 AX2] =20。參數(shù)設定好后，系統(tǒng)自動產(chǎn)生相應軸的補償文件，補償文件存放在目錄/NCACTIVE-DATA /Meas-System-err-comp下。

(2)MD32700螺距誤差補償使能

MD32700=0 螺距補償不生效，允許修改補償文件；

MD32700=1 螺距補償生效，不允許修改補償文件。

當設定完參數(shù)，把補償文件傳入系統(tǒng)后，只有當該軸返回參考點后才生效。

6.2 編輯螺距補償文件的方法

(1)將系統(tǒng)產(chǎn)生的補償文件傳出，在PC機上編輯并輸入補償值，再將補償文件傳入系統(tǒng)。

(2)將補償文件格式改為加工程序，對該程序進行補償值編輯，再運行加工程序即可將補償值寫入系統(tǒng)。

6.3 編輯螺距補償?shù)牟僮鞑襟E

(1)修改MD 38000參數(shù)：根據(jù)補償?shù)淖畲簏c數(shù)決定。

(2)用硬盤數(shù)據(jù)備份或PCIN軟件數(shù)據(jù)備份的方法將補償文件復制到硬盤上或計算機上，編輯該備份文件，并輸入補償值(見補償值)。

(3)設定MD32700=0，將修改過的補償文件通過數(shù)據(jù)恢復的方法傳入系統(tǒng)或作為零件程序執(zhí)行一次。

(4)設定MD32700=1，軸回參考后，新補償值生效。

6.4 反向間隙補償

由于機械在運行過程中，機械磨損厲害，螺距補償已經(jīng)不能滿足加工精度的要求。特別如機床在反向運行過程中誤差過大時，設計人員要考慮反響間隙補償。其機床參數(shù)號為MD32450，單位mm。

7.數(shù)據(jù)備份

在系統(tǒng)調(diào)試完畢后進行數(shù)據(jù)備份是十分重要的，SINUMERIK802Dsl提供了多種數(shù)據(jù)備份的方法。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)內(nèi)部備份，可以將數(shù)據(jù)備份到CF卡或USB設備上，也可以將數(shù)據(jù)傳到計算機硬盤上。

802D sl配備了閃存和靜態(tài)存儲器(由高能電容維持信息)。所有生效的數(shù)據(jù)均存儲于靜態(tài)存儲器，當電容的能量耗盡后，數(shù)據(jù)將丟失。“內(nèi)部數(shù)據(jù)備份”是將靜態(tài)存儲器中所有生效數(shù)據(jù)存儲到閃存中。802D在上電自檢時，對靜態(tài)存儲器的進行檢測，如果存儲器掉電，則會自動將閃存內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)復制到靜態(tài)存儲器中，并且會有提示報警：04062-存儲數(shù)據(jù)已經(jīng)加載。

802D sl中的數(shù)據(jù)（包括PLC應用程序，報警文本以及驅(qū)動器數(shù)據(jù)）可以通過RCS802備份到個人計算機的硬盤或軟盤上，或者將數(shù)據(jù)備份到CF卡上。

8.結(jié)束語

目前該機床的機械、電氣、系統(tǒng)各方面的改造、安裝、調(diào)試工作已經(jīng)完成，綜合樣件加工完全達到預期效果。改造后機床已經(jīng)投入正常使用，從使用的角度和運行狀態(tài)來看，改造后機床與原機床相比，功能極大增強、自動化程度得到提高。強大的數(shù)控系統(tǒng)拓寬了機床加工零件的范圍。更好地保證了零件加工的質(zhì)量。同時高度的自動化也大大降低了操作工人的勞動強度，但對操作工人的綜合素質(zhì)提出了更高的要求。從機床的可靠性來看，結(jié)構(gòu)緊奏合理，顯示器、各種開關和指示燈布局更適合操作人員的使用。同時增加了一個手持操作單元，以便操作人員在不同的狀態(tài)下選擇更適合的操作位置。改造后的機床增加了可維修性，數(shù)控系統(tǒng)可以監(jiān)控各控制部件的運動狀態(tài)及故障，并及時在顯示器上顯示出來，同時PLC控制的運用，使整個機床控制系統(tǒng)線路大為簡化，所有這些使機床故障檢測和維修更為方便和快捷。