SIEMENS 802D sl數控系統在C61200車床中的應用

天水星火機床有限責任公司 張周平

1.引言

C61200是我廠生產的大型臥式車床，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展和技術的不斷更新，該設備不能適應各工廠產品系列化、快速化發展的戰略目標。其具體表現為：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已經淘汰，備件購買困難而且周期長，不易維護；手動人為操作，不能實現加工程序控制的運行實現資源的共享目標。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.機床的結構和特點

C61200由床頭箱、四工位數控刀架、尾座、閉式中心架構成機床的主體。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機械換檔；刀架由大拖板、中拖板、小拖板構成，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，中拖板的運動是通過中拖板電機實現的，小拖板是通過機械齒輪手動旋轉實現，刀架位置檢測是通過安裝數顯表確定。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)驅動控制。2刀架大拖板、中拖板改為滾珠絲杠傳動，采用數字軸控制。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數控系統控制。

在滿足以上條件的要求下，選用了西門子的802D SL數控系統，該系統是西門子公司近年來推出的數字化數控系統，它的車床版標準配置中帶有一塊PP72/48模板，可以實現72點輸入和48點輸出的PLC控制，同時驅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控制系統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車床在對核電轉子進行精加工，機床其他所有動作控制則全部由802D SL數控系統自帶的PLC控制單元來控制。采用802D SL系統的主要硬件配置為：

(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驅動器進線電源模塊調節型-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/旋轉編碼器1個

(9)連接電纜和PROFIBUS數據總線及插頭若干

(10)光柵尺2根

(11)主軸伺服驅動（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，驅動的配置及連接，NC的參數配置(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；又相互聯系，彼此交換信息。

5.1 通訊電纜和PROFIBUS配置

在調試802D sl數控系統或SINAMIC S120驅動器時個人計算機是必不可少的工具.網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，網絡通訊電纜用于PLC編程和SINAMIC S120驅動器連接。

首先利用準備好的“直連網線”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，設定以太網參數：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；可利用監控梯圖的狀態；(不包括局部變量L的狀態)；可利用監控內部地址的狀態；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，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數控系統中，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。變量中的內容（值）可以按照報警文本中定義的數據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。然后下載到數控系統。

5.3 驅動器的調試

當PLC應用程序的正確無誤后，即可進入驅動器的調試。驅動器調試步驟是：

裝載SINAMICS Firmware-確保驅動器各部件具有相同的固件版本

裝載驅動出廠設置-激活各驅動部件的出廠參數

拓普識別和確認(快速開機調試)-讀出驅動器連接的拓撲結構以及實際電機的控制參數，設定拓撲結構比較等級，802D sl為簡化驅動器SINAMICS S120調試，專門設計了驅動調試向導，通過調試向導，可輕松實現驅動的調試。在啟動驅動調試向導進行驅動調試之前，必須斷掉驅動器的所有使能；對于帶ALM的驅動器，建議斷掉驅動器的主電源。

驅動調試向導在配置驅動的同時，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調試

5.4.1 裝載總線配置

在制造商口令下，SINUMERIK802D sl是通過現場總線PROFIBUS對外設模塊(如驅動器和輸入輸出模塊等)，PROFIBUS的配置是通過通用參數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 通用機床數據(MD10000？-MD18999)

通用機床數據主要用于對機床坐標軸的定義、PLC運行時間的設定與監控、用戶數據自定義參數的設定等。

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現場總線的配置

5.4.3 基本通道類機床數據(MD20000-MD28999)

基本通道類機床數據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 //設定通道內該機床編程用的軸名

MD20080[1]=Z //設定通道內該機床編程用的軸名

MD20080[2]=SP //設定通道內該機床編程用的軸名

5.4.4 軸類機床數據(MD30000-MD38999)

軸類機床數據是對機床坐標各通道軸速度大小、方向和定位，數控機床保護，誤差補償等參數設定。

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生器，高分辨率

MD31000[0 AX1]=1 //直接測量系統 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

MD32600[AX1]=2000 rev/min // X軸伺服增益系數

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

5.5 模擬主軸調試

對于SINUMERIK802D sl可以利用MCPA模塊產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驅動，其編碼器只能疊加于某一伺服軸作為其第二編碼器，調試方法與直接測量系統的第二編碼器調試相同。

NC-機床參數：

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

MD31040 [0]= 1 //額定輸出值100%MD32110 [0，AX3]=1//額定輸出轉速

6.機床精度檢測

機床在對工件進行加工的過程中，由于測量系統和力的傳遞過程中會產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，導致加工工件產品質量的下降。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，根據檢測精度的數值在數控系統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：

(1)MD 38000軸最大誤差補償點數

根據該機床的特點X軸螺距誤差參數補償點數為50即MD 38000 [0 AX1] =10；Z軸螺距誤差補償點數為20，即MD 38000 [0 AX2] =20。參數設定好后，系統自動產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，把補償文件傳入系統后，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)將系統產生的補償文件傳出，在PC機上編輯并輸入補償值，再將補償文件傳入系統。

(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。

6.3 編輯螺距補償的操作步驟

(1)修改MD 38000參數：根據補償的最大點數決定。

(2)用硬盤數據備份或PCIN軟件數據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據恢復的方法傳入系統或作為零件程序執行一次。

(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。其機床參數號為MD32450，單位mm。

7.數據備份

在系統調試完畢后進行數據備份是十分重要的，SINUMERIK802Dsl提供了多種數據備份的方法。系統數據可以在系統內部備份，可以將數據備份到CF卡或USB設備上，也可以將數據傳到計算機硬盤上。

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

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

8.結束語

目前該機床的機械、電氣、系統各方面的改造、安裝、調試工作已經完成，綜合樣件加工完全達到預期效果。改造后機床已經投入正常使用，從使用的角度和運行狀態來看，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。強大的數控系統拓寬了機床加工零件的范圍。更好地保證了零件加工的質量。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提出了更高的要求。從機床的可靠性來看，結構緊奏合理，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，數控系統可以監控各控制部件的運動狀態及故障，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。