车铣加工中心S3 轴定位改造

杨永涛，唐剑华

（中车资阳机车有限公司钢结构事业部，四川资阳 641300）

0 引言

为了满足新型曲轴的加工质量要求，提高曲轴生产效率，中车资阳机车有限公司引进了一台德国车铣加工中心（图1）。该加工中心采用西门子840C 控制系统，目前用于铣削曲轴安装面、连杆颈，车削主轴颈、开档以及安装面钻孔、镗孔的工作。

1 问题的提出

在此机床的使用过程中，出现了编号为20082 的“主轴闭环硬件故障”的报警。根据西门子840C 相关报警资料查阅，了解到故障是发生在S3轴的位置环控制。引起这一报警的原因有4 个：NC 启动被锁住；继电器设定点丢失；准备信号被切除；伺服使能信号超时主轴伺服使能失效。

图1 车铣加工中心

首先检查与S3 轴控制模块611D 相连接的编码器线，没有发现有断线现象，然后打开S3 轴的控制参数一一核对，也没有发现被改动的情况。接着又使用示波器检查编码器的输出信号，发现没有信号输出，因此初步判断是安装在S3 轴齿轮上的磁性编码器出了问题。随后将机床轴监控数据5212.3“no measuring circuit monitoring”的值由“no”改为“yes”，报警随即消失。这一步的目的是取消测量环的监控，从而判断出故障在测量环。

由于S3 轴采用的是全闭环控制，为了确定故障是否由磁性编码器引起，采用了全闭环改半闭环的方法，目的是隔离磁性编码器。在操作界面上具体设置方法如下：

2 改造方案

针对这次车铣加工中心S3 轴定位系统故障的解决，先后考虑了3 种方案。

图2 S3 轴磁性编码器

方案1：维修。在查明了故障原因之后，首先想到的是自行修复，这是最迅速、最经济、最直接的解决问题的方法。但是由于编码器为精密部件，又没有专门的检测仪器，依靠现有的技术无法判断出其故障位置，在对其表面及内部进行检查和清理之后，问题仍然存在。此设备是德国进口，这种编码器很难在国内找到能够维修的厂家，而且维修成功率也是一个未知数，再加上没有备用元件，在维修期间只能等待。这从生产的角度出发是不允许的。

方案2：购买。购买新的磁性编码器可以解决问题，但是其昂贵的价格和购买的周期都是必须要考虑的因素。由于这些设备元件都是设计机床时原配的，如果新购的编码器在功能和尺寸上出现某些不合适，那么将会带来更麻烦的后果。

方案3：改造。查阅西门子相关资料弄清楚了磁性编码器与SIMODRIVE 611D 通信的工作原理，根据以往的经验发现，利用十分常见的接近开关传感器可以实现磁性传感器为S3 轴定位的功能。这种方案的优点是改造周期短、费用低（与编码器相比，接近开关很经济），而且在发生故障时维修也比较方便。

比较以上3 种方案的优缺点之后，认为方案3 最经济、可靠和方便。因为只需利用接近开关的输出点给SIMODRIVE 611D一个24 V 的电压信号就可以达到控制S3 轴电机的目的，从而使S3 轴停在预想的位置。

3 主要器件的选用、原理、机床参数设定

接近开关与端子X432 的连线如图3 所示。

由图3 可以看出，X432 的19 号端子与9 号端子分别为接近开关提供了0 V 以及+24 V 的工作电源：当接近开关在工作状态时，其感应头感应到金属感应块后便输出一个高电平，通过X432 的B1 端给S3 轴电机一个准停信号，从而使S3 轴停在指定位置。

此外，因为用接近开关代替了磁性编码器。机床的部分参数也必须进行一定调整，参数更改如下。

（1）齿轮比。在使用磁性编码器时，编码器与主轴通过齿轮盘直接相连（图4），所以它的齿轮比的数值是1颐1 的关系。但是在使用接近开关之后，电机轴通过齿型带连接在主轴转盘（图5），转盘齿数发生了变化，齿轮比也因此做出如下改变。

图3 接近开关与端子X432 的连线

图4 改造前磁性编码器与主轴的关系

Gear factor r=r1/r2

24202 r1:Load speed 1 保持不变

24212 r2:motor speed 由1 改为6（电机旋转6 周，主轴旋转1 周）

（2）零点偏置。接近开关只是在硬限位上确定了S3 轴的停止位置，当接近开关感应到感应块后，就向驱动系统发出一个电机准停信号。要求准停信号的软限位和接近开关的硬限位重合，从而达到S3 轴停在指定位置的目的，因此需要对S3 轴的零点标记位进行设定。

4592 Zero mark offset=某一个值（该值是一个变量，根据每一次的实际偏移量进行修改）

4 调试

S3 轴的准停功能主要是为换刀和车功能服务，因为只有在特定的位置，刀具的夹紧放松才能实现，同时才允许进行车削加工。因此，安装金属感应块与接近开关的相对位置就显得特别关键，如果出现偏差将会使刀盘不能完成抓刀动作，严重时还会导致授油嘴损坏。考虑到上述问题，经过了多次试验和调试，最终决定将其安装在如图6 所示位置。

安装结束后，经过多次实验，每一次主轴都能停止在要求的位置，满足了改造要求。

图6 接近开关及感应块安装位置

5 结束语

通过此次改造工作，在恢复了S3 轴定位功能的同时，进一步了解和认识了西门子840C 系统位置检测的相关内容和原理，为今后类似的维修工作积累了经验。