SIEMENS 802D sl数控系统在C61200车床中的应用

天水星火机床有限责任公司 张周平

1.引言

C61200是我厂生产的大型卧式车床，主要用于各种大型轴类的粗精加工。由于电力电子器件的飞速发展和技术的不断更新，该设备不能适应各工厂产品系列化、快速化发展的战略目标。其具体表现为：原有设备采用的是继电器逻辑控制，线路老化严重，故障频繁；且许多主要电器元件现已经淘汰，备件购买困难而且周期长，不易维护；手动人为操作，不能实现加工程序控制的运行实现资源的共享目标。因此，为了合理整合利用工厂资源，设备能更加自动化加工，经论证提出了对该卧式车床进行全面的电气和机械改造。

2.机床的结构和特点

C61200由床头箱、四工位数控刀架、尾座、闭式中心架构成机床的主体。冷却装置、液压装置、油温冷却和排屑装置等作为机床的辅助设备。

改造前该设备采用的是欧姆龙PLC通过继电器控制方式：主轴的变速通过液压实现机械换档；刀架由大拖板、中拖板、小拖板构成，大拖板的运动可以通过大拖板电机和主轴带动光杆两种方式实现，中拖板的运动是通过中拖板电机实现的，小拖板是通过机械齿轮手动旋转实现，刀架位置检测是通过安装数显表确定。尾座分上体和下体分别由两个电机拖动。

3.设计方案提出

为了保证机床能实现粗加工和精加工，不改变原有操作方式的情况下，提出了如下改造方案：1主轴伺服(6RA70)驱动控制。2刀架大拖板、中拖板改为滚珠丝杠传动，采用数字轴控制。3取消小拖板。4原机床的所有动作控制由原欧姆龙PLC电路控制改为802D SL数控系统控制。

在满足以上条件的要求下，选用了西门子的802D SL数控系统，该系统是西门子公司近年来推出的数字化数控系统，它的车床版标准配置中带有一块PP72/48模板，可以实现72点输入和48点输出的PLC控制，同时驱动模块为一个双轴功率模块，可以带两个线性轴和一个模拟主轴，在伺服电机中内置了速度反馈和位移反馈传感器可以和主机一起形成一个半闭环控制系统从而能达到很高的机床精度。而且价格适中，具有很高的性价比，可以很好的满足设备数控改造的要求。

4.硬件的配置与连接

由于C61200车床在对核电转子进行精加工，机床其他所有动作控制则全部由802D SL数控系统自带的PLC控制单元来控制。采用802D SL系统的主要硬件配置为：

(1)PCU210.3(Panel Control Unit)主机1块

(2)水平键盘1块

(3)MCPA面板1块

(4)PP72/48模板2块

(5)SINAMIC S120驱动器进线电源模块调节型-Active Line Module(ALM)1块

(6)SINAMIC S120双轴电机模块-Motor Module(double axis)1块

(7)1FT6电机2个

(8)外接2500P/旋转编码器1个

(9)连接电缆和PROFIBUS数据总线及插头若干

(10)光栅尺2根

(11)主轴伺服驱动（6RA70）1个

(12)手轮1个

(13)连接DRIVE-CLiQ集线器模块DMC20 5块

5.软件设计及各个模块的调试

SINUMERIK 802D的软件设计就是处理NCK和MCP之间，NCK和PLC之间，PLC与MCP之间的接口信号，驱动的配置及连接，NC的参数配置(包括各种补偿)以及PLC报警文本。NCK、PLC和MCP之间既相互独立，各自负责一部分功能；又相互联系，彼此交换信息。

5.1 通讯电缆和PROFIBUS配置

在调试802D sl数控系统或SINAMIC S120驱动器时个人计算机是必不可少的工具.网络通讯电缆是连接两者的唯一途径.因此保证通讯电缆接线方式正确是非常重要的，网络通讯电缆用于PLC编程和SINAMIC S120驱动器连接。

首先利用准备好的“直连网线”将计算机和802D sl的X5连接起来；

启动PLC编程工具，进入通讯画面，设定以太网参数：802D SL默认地址为169.254.11.22。

首先要拥有一个编译无误的PLC应用程序，然后才能利用PLC编程工具软件将该应用程序下载到802D sl中；下载成功后，需要启动PLC应用程序；可利用监控梯图的状态；(不包括局部变量L的状态)；可利用监控内部地址的状态；还可利用“交叉引用表”来检查是否有地址冲突；如果PLC应用程序是在子程序库基础上建立的，需要在制造商的级别下(口令：EVENING)设定相关的PLC机床参数，如MD14510[16]-机床类型：1表示车床，2表示铣床；请参阅《PLC子程序库说明》。利用软件包中提供的RCS软件将车床版的初始文件下载到802Dsl数控系统中，文件路径：\ToolboxV01040100TechnoTurningConfig_Siemensprosetup_T.arc。

5.2 2PLC用户报警

PLC报警是非常有效的诊断手段之一。SINUMERIK802D sl报警系统提供了64个PLC用户报警。每个报警对应一个报警变量(与报警文本相关)，每个报警对应一个设定报警属性的机床参数MD14516。每个报警还对应一个64位的报警变量：VD16001000到VD16001252。变量中的内容（值）可以按照报警文本中定义的数据类型插入显示的报警文本中。用户报警文本是用户处理报警的重要信息。在802D sl的工具盒中提供了报警文本的制作工具，报警文本工具集成于RCS 802中，制作对应的报警文本。然后下载到数控系统。

5.3 驱动器的调试

当PLC应用程序的正确无误后，即可进入驱动器的调试。驱动器调试步骤是：

装载SINAMICS Firmware-确保驱动器各部件具有相同的固件版本

装载驱动出厂设置-激活各驱动部件的出厂参数

拓普识别和确认(快速开机调试)-读出驱动器连接的拓扑结构以及实际电机的控制参数，设定拓扑结构比较等级，802D sl为简化驱动器SINAMICS S120调试，专门设计了驱动调试向导，通过调试向导，可轻松实现驱动的调试。在启动驱动调试向导进行驱动调试之前，必须断掉驱动器的所有使能；对于带ALM的驱动器，建议断掉驱动器的主电源。

驱动调试向导在配置驱动的同时，还对PCU 210.3的X20、X21端子进行了定义，如果需要，用户也可修改端子定义。

5.4 NC调试

5.4.1 装载总线配置

在制造商口令下，SINUMERIK802D sl是通过现场总线PROFIBUS对外设模块(如驱动器和输入输出模块等)，PROFIBUS的配置是通过通用参数MD11240来确定的，对于802D sl T/M V1.4，MD11240默认值即可，不需修改。

5.4.2 通用机床数据(MD10000？-MD18999)

通用机床数据主要用于对机床坐标轴的定义、PLC运行时间的设定与监控、用户数据自定义参数的设定等。

MD10000[0]=X //机床坐标轴名X轴

MD10000[1]=Z //机床坐标轴名Z轴

MD10000[2]=SP //机床坐标轴名SP轴

MD11240=6 //PROFIBUS现场总线的配置

5.4.3 基本通道类机床数据(MD20000-MD28999)

基本通道类机床数据主要用于通道的设定、几何坐标轴的设定和选用、G功能的选用等。

MD20000=C61160 //通道名

MD20050[1]=5 //设定机床所用几何轴号为5

MD20050[2]=2 //设定机床所用几何轴号为2

MD20080[0]=X //设定通道内该机床编程用的轴名

MD20080[1]=Z //设定通道内该机床编程用的轴名

MD20080[2]=SP //设定通道内该机床编程用的轴名

5.4.4 轴类机床数据(MD30000-MD38999)

轴类机床数据是对机床坐标各通道轴速度大小、方向和定位，数控机床保护，误差补偿等参数设定。

MD30110[0 AX1]=5 //定义速度给定端口轴号5

MD30220[0 AX1]=5 //定义反馈端口轴号5

MD30130[0 AX1]=1 //控制给定输出类型为1 设定值输出有效

MD30240[0 AX1]=1 //编码器反馈类型为1 X轴编码器为原信号发生器，高分辨率

MD31000[0 AX1]=1 //直接测量系统 X轴为光栅尺

MD32000[AX1]=3000mm/min // X轴最大轴速度

MD32010[AX1]=15000mm/min // X轴点动快速

MD32020[AX1]=1000mm/min // X轴点动速度

MD32020[AX1]=1000mm/min // X轴速率初始值

MD32110[AX1]= -1 // X轴运动的方向

MD32200[AX1]=2.3 // X轴伺服增益系数

MD32600[AX1]=2000 rev/min // X轴伺服增益系数

MD32700[AX1]=1 // X轴插补补偿

MD34020[AX1]=1000 mm/min // X轴检测参考点开关的速度

MD34060[AX1]=200 mm // X轴检测参考点开关的最大距离

MD34070[AX1]=200mm/min // X轴返回参考点的定位速度

MD34100[AX1]=1111.471mm // X轴参考点（相对机床坐标系）位置

MD36100[AX1]=0 mm // X轴第一软限位开关负向

MD36110[AX1]=1176 mm // X轴第一软限位开关正向

MD36110[AX1]=10 // X轴丝杠螺距误差补偿点数

5.5 模拟主轴调试

对于SINUMERIK802D sl可以利用MCPA模块产生模拟给定信号连接模拟主轴。编码器信号则通过编码器接口模块SMC30模块(连接TTL编码器)或SMC20模块(连接1Vpp Sin/Cos编码器)连接。主轴电机与主轴之间非1:1直连，主轴上安装了一个西门子TTL增量编码器，通过SMC30连接到系统的DriveCLiQ接口；或者选配西门子1Vpp Sin/Cos增量编码器，通过SMC20连接到系统的DriveCLiQ接口。

802D sl配置：PCU210.3，MCPA(选件)用于主轴的模拟给定输出。MCPA可提供1路±10V的模拟信号，用于主轴的速度给定。另外用于连接机床控制面板。模拟主轴由于没有实际的SINAMICS驱动，其编码器只能叠加于某一伺服轴作为其第二编码器，调试方法与直接测量系统的第二编码器调试相同。

NC-机床参数：

MD30100=0 //总线地址10的报文类型

MD30110[0，AX3]=3 //携带坐标轴的逻辑轴号

MD30134 [0，AX3]=0 //携带坐标轴的逻辑轴号

MD30220 [0，AX3]=1 //编码器模块号

MD30230 [0，AX3]=2 //编码器信号端口号

MD31020 [0，AX3]=2500 //TTL编码器脉冲数

MD31040 [0]= 1 //额定输出值100%MD32110 [0，AX3]=1//额定输出转速

6.机床精度检测

机床在对工件进行加工的过程中，由于测量系统和力的传递过程中会产生误差和机床自身磨损。使得加工工件的轮廓偏离理想的几何曲线，导致加工工件产品质量的下降。特别是在加工大型的工件时，由于温度和机械力的影响使的加工精度损失更为严重。因而在机床出厂前，需要进行一定的误差补偿。用车床专用激光干涉仪检测机床定位精度，重复定位精度和反向间隙，根据检测精度的数值在数控系统中对定位和间隙做相应补偿。

6.1 螺距误差补偿

螺距误差的补偿是按坐标轴来进行的，激活误差补偿需设定以下相关机床参数：

(1)MD 38000轴最大误差补偿点数

根据该机床的特点X轴螺距误差参数补偿点数为50即MD 38000 [0 AX1] =10；Z轴螺距误差补偿点数为20，即MD 38000 [0 AX2] =20。参数设定好后，系统自动产生相应轴的补偿文件，补偿文件存放在目录/NCACTIVE-DATA /Meas-System-err-comp下。

(2)MD32700螺距误差补偿使能

MD32700=0 螺距补偿不生效，允许修改补偿文件；

MD32700=1 螺距补偿生效，不允许修改补偿文件。

当设定完参数，把补偿文件传入系统后，只有当该轴返回参考点后才生效。

6.2 编辑螺距补偿文件的方法

(1)将系统产生的补偿文件传出，在PC机上编辑并输入补偿值，再将补偿文件传入系统。

(2)将补偿文件格式改为加工程序，对该程序进行补偿值编辑，再运行加工程序即可将补偿值写入系统。

6.3 编辑螺距补偿的操作步骤

(1)修改MD 38000参数：根据补偿的最大点数决定。

(2)用硬盘数据备份或PCIN软件数据备份的方法将补偿文件复制到硬盘上或计算机上，编辑该备份文件，并输入补偿值(见补偿值)。

(3)设定MD32700=0，将修改过的补偿文件通过数据恢复的方法传入系统或作为零件程序执行一次。

(4)设定MD32700=1，轴回参考后，新补偿值生效。

6.4 反向间隙补偿

由于机械在运行过程中，机械磨损厉害，螺距补偿已经不能满足加工精度的要求。特别如机床在反向运行过程中误差过大时，设计人员要考虑反响间隙补偿。其机床参数号为MD32450，单位mm。

7.数据备份

在系统调试完毕后进行数据备份是十分重要的，SINUMERIK802Dsl提供了多种数据备份的方法。系统数据可以在系统内部备份，可以将数据备份到CF卡或USB设备上，也可以将数据传到计算机硬盘上。

802D sl配备了闪存和静态存储器(由高能电容维持信息)。所有生效的数据均存储于静态存储器，当电容的能量耗尽后，数据将丢失。“内部数据备份”是将静态存储器中所有生效数据存储到闪存中。802D在上电自检时，对静态存储器的进行检测，如果存储器掉电，则会自动将闪存内存储的数据复制到静态存储器中，并且会有提示报警：04062-存储数据已经加载。

802D sl中的数据（包括PLC应用程序，报警文本以及驱动器数据）可以通过RCS802备份到个人计算机的硬盘或软盘上，或者将数据备份到CF卡上。

8.结束语

目前该机床的机械、电气、系统各方面的改造、安装、调试工作已经完成，综合样件加工完全达到预期效果。改造后机床已经投入正常使用，从使用的角度和运行状态来看，改造后机床与原机床相比，功能极大增强、自动化程度得到提高。强大的数控系统拓宽了机床加工零件的范围。更好地保证了零件加工的质量。同时高度的自动化也大大降低了操作工人的劳动强度，但对操作工人的综合素质提出了更高的要求。从机床的可靠性来看，结构紧奏合理，显示器、各种开关和指示灯布局更适合操作人员的使用。同时增加了一个手持操作单元，以便操作人员在不同的状态下选择更适合的操作位置。改造后的机床增加了可维修性，数控系统可以监控各控制部件的运动状态及故障，并及时在显示器上显示出来，同时PLC控制的运用，使整个机床控制系统线路大为简化，所有这些使机床故障检测和维修更为方便和快捷。