基于西門子828D數控系統的模擬量主軸功率顯示及控制技術

王樂強，曹小玲，陳克儉

（宜昌長機科技有限責任公司，湖北 宜昌 443003）

0 引言

大型、重型數控機床價格昂貴，再加上機床本身的復雜性和專業性，使得維修成本很高，所以有必要對數控機床的主軸運行情況進行有效監控。在加工工件時，操作者通過對機床主軸功率的實時監控，觀察負載的使用和變化情況，可隨時調整機床切削參數，因此有必要對主軸功率進行有效顯示和監控，既能提高機床使用效率，又能保障機床安全運行，降低機床主軸電機的故障率。

一般數控機床都采用伺服主軸系統，主軸功率百分比可以自動顯示在數控系統的界面上，但很多重型機床本身主軸功率很大而且并不需要做精確位置控制，如選用伺服主軸就會造成較大功能和成本上的浪費。因此一些大型重型機床采用大功率交流變頻電機，通過數控系統發出模擬量轉速指令給變頻器來控制電機調速，其變頻電機功率無法直接顯示在數控系統屏幕上。

針對以上情況，在設計時提出了一種采用西門子帶模擬量輸入功能I/O模塊的模擬量主軸電機功率顯示方案。該方案是將變頻器發出的實時功率信號，經過模擬量輸入/輸出模塊接受到西門子828D數控系統，然后經過數據轉換處理后，實現了在西門子828D系統屏幕上實時顯示模擬主軸功率的功能。

1 系統硬件方案設計

1.1 硬件連接

硬件采用西門子828D數控系統，帶有2路模擬量輸入2路模擬量輸出的PP 72/48D 2/2A PN I/O模塊[1]，西門子1LE0001系列55kW低壓交流異步電動機，變頻器采用施耐德ATV340D55N4變頻器。

機床的主軸由變頻器控制，采用單極性主軸控制方案，控制單元上接口X252.1，X252.2用于數控系統模擬量給定調速，電壓范圍為0～10 V，接到變頻器上的模擬量輸入端口CN6上的AL1和COM端口，這樣完成828D PPU到變頻器速度控制信號的連接。系統硬件接線如圖1所示。

圖1 系統硬件接線

由于西門子828D系統本身只有一路模擬量輸出接口，而沒有模擬量輸入接口，所以要接收來自變頻器發出的模擬量信號就必須在硬件上增加一個帶有模擬量輸入功能的I/O模塊，如圖2所示。由ATV340變頻器的模擬量輸出接口發出功率信號，此信號設定為0～10 V的模擬電壓，然后通過模擬量輸入模塊接受變頻器發出的模擬量信號后再經過數據轉換將其顯示在數控系統屏幕上。

圖2 外設模塊PP 72/48D 2/2A PN模塊

將施耐德ATV340變頻器模擬量輸出信號AQ1和COM端[2]通過帶屏蔽層線纜引出，連接到I/O模塊上的X3接口3、4腳，分別對應通道1模擬輸入AL+、通道1模擬輸入AL-。模塊上X3端口有三種信號可以處理：模擬量電壓、模擬量電流和PT100熱敏電阻，可以通過設定相關的參數確定輸入信號的類型，只有在設定參數后，模擬輸入端才能運行。端口各引腳的定義見表1。

表1 X3接口引腳定義

1.2 參數設置

模擬量建立的循環時間：每個通道20 ms，分辨率為16位。本方案中模擬量信號設定為模擬量電壓輸入，電壓范圍為0～10 V，設定值對應范圍0～26214（十進制）。硬件要連接到828D數控系統要設定圖1中S1地址開關。再通過軟件控制程序設置相關的參數，讓系統中的PLC能夠讀取到外部輸入的模擬量信號。相關的參數設置說明如下：在828D系統上第一塊PP72/48PN 2A模塊撥碼地址設定為：192.168.214.9，也就是S1開關上1，4，9，10開關撥撥的ON的位置。對應的模擬量I/O地址：模擬量輸入/輸出映像起始地址為56。需對QB56-63，IB56-63進行設置，其中QB56定義運行方式，QB57定義控制類型，QB58和QB59保留，QW60第一路模擬輸出，QW62第二路模擬輸出。

通過模擬量輸入端字節分配表中的字節完成運行方式的參數設定，見表2。

表2 模擬量輸入字節定義

模擬輸入端參數設定見表3，模擬量輸入端可以在下列運行方式中運行。

表3 模擬量輸入運行方式設置

2 軟件設計及調試

PLC編程設置如下，QB56，QB57定義為電壓模擬量輸入輸出：

（1）確定控制類型，如圖3所示。

圖3 設定控制類型

（2）設置運行方式，如圖4所示。

圖4 電壓讀入

（3）當需要在屏幕上顯示主軸功率時，IW60對應通道1電壓輸入值，屏幕顯示負載需要把模擬量數據傳送給DB1900.DBB5006，如圖5所示。輸入/輸出端模擬數值以16位數據格式寫入和讀出，即必須按字（word）進行讀取；模擬數字作為16位整數值使用。根據運行方式，把測量數字與對應的系數相乘，這樣就可以得出相應的物理數值。此處采用的是AI系數，電壓的系數為0.00151947。測量數值=16位數值×系數。

圖5 數據讀入

3 調試試驗

選用公司生產的YK83400數控銑齒機模擬主軸SP軸為試驗對象，如圖6所示，主軸電機選用西門子1LE0001系列中的55 kW交流異步電動機，變頻器為施耐德ATV340變頻器。

圖6 測試機床

首先在變頻器操作面板上設置變頻器輸出端口AQ1輸出信號類型并為AQ1分配變量，將AQ1分配為“電機功率”、AQ1定義為“電壓0-10Vdc”。

其次將讀取的模擬量信號對應到相應的主軸上，修改828D系統機床參數51068為對應主軸序號[3]，例如主軸是第三軸時，設置參數MD51068$MNS_SPIND_DRIVELOAD_FROM_PLC1=4

編寫并運行上述PLC程序段，在828D系統診斷畫面上，可觀測到DB1900.DBW5006接收到數據，也就是在顯示屏上的進度條數值。

最后進行負載測試，在機床主軸上安裝好刀具。進行實際的加工，即可在828D系統界面主軸欄內觀察到機床模擬主軸實際功率輸出情況，如圖7所示，數控系統屏幕上顯示的主軸負載進度條也在6.2%。為驗證數據準確性，可以同時在變頻器顯示面板上觀察到的變頻器上顯示的電機功率值如圖8所示，電機轉矩利用率在6%；同時在可以發現兩者的結果基本一致。

圖7 主軸功率負載顯示畫面

圖8 變頻器面板顯示電機參數

然后可以操作機床控制面板上的主軸倍率旋鈕，改變主軸的旋轉倍率和速度，顯示面板上的主軸負載進度條會隨著電機實時功率的變化而顯示不同長短的進度條，見表4，證明了本研究所提出的負載顯示方法可行。

表4 模擬量輸入運行方式設置

4 結語

在828D數控系統上實現模擬量主軸功率顯示的方法完全滿足了設計和用戶要求，達到了預期目的，這種方法簡便易行，便于機床操作者隨時了解加工過程中主軸的負載情況，不僅簡化了操作，提高了加工效率，還為機床維護提供了有價值的參考信息。