西門(mén)子802Dsl在曲軸偏心磨床數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造中的應(yīng)用

劉 斌

（華意壓縮機(jī)股份有限公司，江西景德鎮(zhèn)333001）

公司1992年引進(jìn)意大利MECCANODARA公司90年代初期制造的專用曲拐外圓磨床，采用的數(shù)控系統(tǒng)是單片機(jī)式的CVS95系統(tǒng)，PLC采用西門(mén)子SIEMENS S5－103系列PLC控制，該系統(tǒng)已經(jīng)使用多年，系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性均已下降，故障率較以前有較大增加，且該系列產(chǎn)品屬于西門(mén)子公司較早的產(chǎn)品，備件已停產(chǎn)無(wú)法供應(yīng)。同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，故障點(diǎn)多，給維修、故障查找?guī)?lái)諸多不便，導(dǎo)致設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。

現(xiàn)改造根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，及改造后須達(dá)到的高穩(wěn)定性和可靠性的要求，綜合考慮國(guó)內(nèi)外各種數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)選西門(mén)子802Dsl經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)替代原磨床系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)升級(jí)改造。

1 原系統(tǒng)概述

機(jī)床共有3個(gè)伺服軸，其中夾頭旋轉(zhuǎn)軸和砂輪進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)采用的是LABOD公司的ECR系列，額定扭矩分別為4.5 N·m和6.5 N·m，砂輪修整軸采用的是BERGER（百格拉）公司早期的D450步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，扭矩為3.7 N·m。砂輪主軸采用普通三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，固定轉(zhuǎn)速，無(wú)需調(diào)速。所有軸位置控制全部采用半閉環(huán)，砂輪進(jìn)給和砂輪修整軸電動(dòng)機(jī)與絲杠通過(guò)彈性聯(lián)軸器1∶1直聯(lián)，旋轉(zhuǎn)軸電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步皮帶與夾頭連接。

PLC系統(tǒng)采用SIEMENS S5－103，共計(jì)96點(diǎn)，其中輸入輸出各48點(diǎn)。

這臺(tái)老式曲軸偏心磨床最終加工工件尺寸控制采用MARPOSS E9在線量?jī)x檢測(cè)方式，以保證曲拐外圓尺寸的加工精度。系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。

2 系統(tǒng)改造要求

（1）電氣控制柜整體更換，新電氣柜應(yīng)密封良好，并安裝空調(diào)系統(tǒng);

（2）保留現(xiàn)有在線量?jī)xMARPOSS E9，實(shí)現(xiàn)磨削閉環(huán)控制;

（3）砂輪主軸、冷卻、潤(rùn)滑保留原控制方式，更換伺服電動(dòng)機(jī)及鋪設(shè)電纜;

（4）數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)選SIEMENS 802Dsl系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路;

（5）機(jī)床原有機(jī)械系統(tǒng)全部保留，設(shè)計(jì)制作伺服電動(dòng)機(jī)安裝聯(lián)接板、聯(lián)軸器，床身精度在設(shè)備整修改造時(shí)已恢復(fù);

（6）設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，操作培訓(xùn)。

3 系統(tǒng)改造方案

數(shù)控系統(tǒng)改造選用德國(guó)SIEMENS最新高性價(jià)比SINUMERIK 802Dsl控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種將數(shù)控系統(tǒng)（NC、PLC、HMI）的所有部件集成在一起的操作面板控制系統(tǒng)。通過(guò)DRIVE－CLIQ可以連接5個(gè)數(shù)字式驅(qū)動(dòng)裝置。它可以輕松通過(guò)PROFIBUS DP連接外圍設(shè)備。因而可最大程度地減少布線工作，同時(shí)簡(jiǎn)化安裝步驟且更為牢固。加上模塊結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使該控制系統(tǒng)可以提供更加靈活的應(yīng)用。

SINUMERIK 802Dsl的功能范圍使之可用于標(biāo)準(zhǔn)的車床、銑床、磨床、沖床，并適合于從一次性加工直到三軸聯(lián)動(dòng)的模具制造等多種應(yīng)用需要。此外，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供的PLC附加軸可作為獨(dú)立的非插補(bǔ)軸使用，進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

SINUMERIK 802Dsl相對(duì)于802D在性能上有許多的改進(jìn)，為廣大的客戶在希望擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和范圍方面提供了更多的可能和受益。具體優(yōu)點(diǎn)如下:

（1）使用DIN標(biāo)準(zhǔn)編程和ISO代碼，易于操作;

（2）控制器，PLC，人機(jī)操作界面，輸入/輸出單元一體化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu);

（3）為各種循環(huán)和輪廓編程提供了擴(kuò)展編程幫助技術(shù);

（4）通過(guò)DRIVE－CLIQ連接的數(shù)字式驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提供了統(tǒng)一的數(shù)字式接口標(biāo)準(zhǔn);

（5）控制系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單且不易受到干擾，結(jié)構(gòu)緊湊;

（6）各種驅(qū)動(dòng)功能按照書(shū)本模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)性能要求和智能化要求靈活安排;

（7）高可靠性、免維護(hù)，無(wú)電池和風(fēng)扇運(yùn)行，因而無(wú)需任何維護(hù)。

4 系統(tǒng)配置清單

選用SINUMERIK 802Dsl最主流產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)性能優(yōu)化，系統(tǒng)供電主回路見(jiàn)圖2所示，更換整套電氣柜、選帶鍵槽伺服電動(dòng)機(jī)、增加電源模塊、CNC立式鍵盤(pán)、倍率開(kāi)關(guān)、組態(tài)工具盤(pán)、工具盤(pán)等，保障設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，便于操作員操作、備件升級(jí)維護(hù)成本低。如表1所示。

表1 SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)硬件配置

配置說(shuō)明:（數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置如圖3所示）

（1）SINUMERIK 802Dsl是一種將數(shù)控系統(tǒng)（NC、PLC、HMI）的所有部件集成在一起的操作面板控制系統(tǒng)

（2）SIEMENS輸入/輸出模塊采用SIEMENS 72點(diǎn)輸入/48點(diǎn)輸出模塊，24 V DC/0.25 A，所有輸出信號(hào)都通過(guò)中間繼電器作信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換，可以很好解決PLC現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中容易出現(xiàn)燒點(diǎn)的現(xiàn)象。

（3）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī):1FK7交流伺服電動(dòng)機(jī)，特點(diǎn)為:體積小不占空間，插頭方向可以按確定的安裝方式進(jìn)行調(diào)整，為機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了靈活性。1FK7交流伺服電動(dòng)機(jī)是高緊湊永磁同步電動(dòng)機(jī)，適用功率范圍較大。1FK7電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝多極對(duì)或單極對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器，用于位置檢測(cè)反饋。

（4）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用 Siemens公司新一代的 SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了最先進(jìn)的硬件技術(shù)、軟件技術(shù)以及通訊技術(shù)。采用高速驅(qū)動(dòng)接口，配套的1FK7永磁同步電動(dòng)機(jī)具有電子名牌，系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別所配置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。具有更高的控制精度和動(dòng)態(tài)控制特性，更高的可靠性。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 NC零件程序設(shè)計(jì)

機(jī)床配置為:砂輪進(jìn)給直線軸X，砂輪修整直線進(jìn)給軸Z，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力夾頭軸C?；跈C(jī)床加工特點(diǎn):砂輪進(jìn)給軸X粗定位，在線測(cè)量?jī)xMARPOSS為精定位。設(shè)計(jì)出零件加工程序MPF102與砂輪修整程序L100，加工時(shí)，NC通過(guò)PLC采集MARPOSS在線量?jī)x檢測(cè)的工件尺寸的精磨和光磨到位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程閉環(huán)控制。

5.2 機(jī)床參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）定義通道機(jī)床軸

（2）位置控制使能

（3）傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)配比

（4）坐標(biāo)速度和加速度設(shè)定

（5）位置環(huán)增益

（6）軟限位

（7）反向間隙補(bǔ)償

5.3 PLC 程序設(shè)計(jì)

利用PLC子程序庫(kù)可非常迅速地建立一個(gè)PLC應(yīng)用程序。在開(kāi)始設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用程序之前，請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀《802Dsl PLC子程序庫(kù)說(shuō)明》。

802Dsl為用戶提供了3種類型的PLC機(jī)床參數(shù)。它們是32個(gè)16位整型 －MD14510［0］～［31］、32個(gè)8位十六進(jìn)制數(shù)－MD14512［0］～［31］和8個(gè)32位浮點(diǎn)數(shù)－MD14514［0］～［7］。PLC機(jī)床參數(shù)可以使PLC應(yīng)用程序更加靈活。但必須注意的是，如果使用了PLC機(jī)床參數(shù)，一定要在PLC應(yīng)用程序中考慮其取值范圍。

（1）先編主程序，如圖4所示（組織塊1）MAIN（OB1）:內(nèi)容包括PLC初始化，一般機(jī)床側(cè)動(dòng)作程序調(diào)用，特殊功能的調(diào)用，急?？刂疲‥MG_STOP），MCP_802D、MCP_NCK、AXIS_CTL、LUBRICAT 子程序塊的調(diào)用和設(shè)置。

（2）設(shè)計(jì)一般動(dòng)作程序塊:包括液壓?jiǎn)⑼?、砂輪啟停、排泄啟停、冷卻啟停、磁分離器啟停、量?jī)x前進(jìn)/后退、金剛筆前進(jìn)/后退、砂輪擋板前進(jìn)/后退、工件夾緊/放松。

（3）特殊功能的PLC程序設(shè)計(jì):包括手輪、倍率開(kāi)關(guān)、主軸夾頭的定位、在線量?jī)x及修整控制（見(jiàn)圖5）、報(bào)警變量（見(jiàn)圖6）等。

主軸C定向功能相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì):

編輯PLC應(yīng)用程序如圖7，下載到802Dsl中，然后啟動(dòng)。

修改驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù):進(jìn)入802Dsl系統(tǒng)畫(huà)面［SHIFT］+［ALARM］，進(jìn)入［機(jī)床數(shù)據(jù)］→［驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)］→選擇主軸對(duì)應(yīng)的 SERVO→選擇［顯示參數(shù)］:設(shè)定參數(shù)P495［0］=2，P971=1，等待 P971 由 1 變 0。

在執(zhí)行SPOS命令時(shí)，主軸由靜止啟動(dòng)，主軸加速到MD34040定義的速度，與接近開(kāi)關(guān)同步，并且以MD35300定義的速度定位。主軸旋轉(zhuǎn)方向由機(jī)床數(shù)據(jù)MD35350確定。

802Dsl中的PLC應(yīng)用程序可以讀取軸機(jī)床坐標(biāo)的位置，在此數(shù)控磨床上有關(guān)擋板合上保護(hù)上料安全的程序設(shè)計(jì)如圖8，首先要通過(guò)PLC應(yīng)用程序激活讀位值的功能:V26000001.1=1;激活讀取機(jī)床坐標(biāo)的位置。

6 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試

6.1 系統(tǒng)初始化

802Dsl通電后，首先應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)初始化，根據(jù)系統(tǒng)類型和工藝要求安裝初始化文件。為了簡(jiǎn)化802Dsl數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試，在802Dsl的工具盒中提供了車床、銑床、磨床等的初始化文件。初始化的方法是利用工具軟件RCS 802或CF卡將所需的初始化文件傳入802Dsl系統(tǒng)。

6.2 PLC 調(diào)試

在802Dsl的各個(gè)部件正確連接后，首先應(yīng)設(shè)計(jì)并調(diào)試PLC的控制邏輯。至關(guān)重要的是必須在所有有關(guān)PLC的安全功能全部準(zhǔn)確無(wú)誤后，才能開(kāi)始調(diào)試驅(qū)動(dòng)器和802Dsl參數(shù)的調(diào)試。

6.3 驅(qū)動(dòng)控制調(diào)試及參數(shù)設(shè)定

當(dāng)PLC應(yīng)用程序的正確無(wú)誤后，即可進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試。驅(qū)動(dòng)器調(diào)試步驟是:

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

（2）裝載驅(qū)動(dòng)出廠設(shè)置－激活各驅(qū)動(dòng)部件的出廠參數(shù);

（3）拓?fù)渥R(shí)別和確認(rèn)（快速開(kāi)機(jī)調(diào)試）－讀出驅(qū)動(dòng)器連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及實(shí)際電動(dòng)機(jī)的控制參數(shù)，設(shè)定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較等級(jí)。

802Dsl為簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)器SINAMICS S120調(diào)試，專門(mén)設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)調(diào)試向?qū)?，通過(guò)調(diào)試向?qū)?，可輕松實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的調(diào)試。驅(qū)動(dòng)調(diào)試向?qū)г谂渲抿?qū)動(dòng)的同時(shí)，還對(duì)PCU 210.3的X20、X21端子進(jìn)行了定義，如果需要，用戶也可修改端子定義。

除不帶Drive CliQ接口的電源模塊外，SINAMICS部件內(nèi)部均具有固化軟件，簡(jiǎn)稱固件;為保證驅(qū)動(dòng)器與數(shù)控系統(tǒng)軟件的匹配，首先需要對(duì)驅(qū)動(dòng)器的固件進(jìn)行裝載，在硬件未更換的情況下，固件裝載執(zhí)行一次即可，如果更換了新的硬件，需重新執(zhí)行固件裝載。

SINAMICS S120的參數(shù)有CU控制單元參數(shù)、ALM電源模塊參數(shù)、SERVO軸參數(shù);其中R參數(shù)為只讀參數(shù)，P參數(shù)為可讀可寫(xiě)參數(shù)。

6.4 數(shù)控NC調(diào)試

其他調(diào)試數(shù)據(jù)前面已經(jīng)敘述，現(xiàn)在此進(jìn)行返回參考點(diǎn)相關(guān)機(jī)床數(shù)據(jù)調(diào)試，根據(jù)所用全是絕對(duì)編碼器式的伺服電動(dòng)機(jī)，就以X軸絕對(duì)編碼器伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)試為例:

（1）設(shè)置機(jī)床參數(shù)。

（2）進(jìn)入“手動(dòng)”方式，將坐標(biāo)移動(dòng)到一個(gè)已知位置。

（3）輸入一個(gè)已知位的位置值:N34100$MA_REFP_SET_POS;機(jī)床坐標(biāo)位置。

（4）激活絕對(duì)值編碼器的調(diào)整狀態(tài):N34210$MA_ENC_REFP_STATE［0，AX1］=2。

（5）激活機(jī)床參數(shù):按機(jī)床控制面板上的復(fù)位鍵，可激活以上設(shè)定的參數(shù)。

（6）通過(guò)機(jī)床控制面板進(jìn)入返回參考點(diǎn)方式。

（7）按照返回參考點(diǎn)的方向按方向鍵，無(wú)坐標(biāo)移動(dòng)，但系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定了下列參數(shù)。

屏幕上的顯示位置為MD34100設(shè)定的位置，回參考點(diǎn)結(jié)束。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，這臺(tái)曲軸偏心磨床數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造最終獲得了圓滿成功，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收合格，機(jī)床操作簡(jiǎn)單，故障率降低，所加工的曲軸節(jié)拍與加工精度等指標(biāo)均優(yōu)于原系統(tǒng)。802Dsl數(shù)控系統(tǒng)在我廠老式進(jìn)口數(shù)控設(shè)備的系統(tǒng)升級(jí)改造中得到了廣泛應(yīng)用，曾分別對(duì)立式雙端面磨床、曲軸軸肩磨床、無(wú)心磨床實(shí)現(xiàn)成功改造。

［1］蔡厚道，羅春華.數(shù)控機(jī)床維修與調(diào)試［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2010.

［2］鄭利敏，吳劍平.數(shù)控機(jī)床維修與維護(hù)［M］.南昌:江西高校出版社，2009.

［3］SIEMENS.T7111 簡(jiǎn)明調(diào)試手冊(cè)［Z］.北京:西門(mén)子培訓(xùn)中心，2008.