DECKEL—FP4CC 數控銑Z軸伺服驅動技術改造

李勇明+孟寬林

摘要： DECKEL-FP4CC數控銑是90年代生產的設備，由于Z軸伺服電機故障而無法使用，且同型號電機已不生產，經多個方案比較，以松下伺服驅動系統(tǒng)替代原Z軸伺服系統(tǒng)，改造后機床運行良好，為老機床解決相似故障提供一種借鑒和思路。

Abstract： DECKEL-FP4CC NC milling machine is produced in 90's，which could not operate because of the fault of Z axis servo motor， and same type motor had no production， so the Panasonic servo drive system substitute for Z axis servo system， and after the transformation， the machine runs well， providing a useful reference for the old machine tool to solve the similar fault.

關鍵詞： DECKEL-FP4CC數控銑；松下伺服驅動系統(tǒng)替代；技術改造

Key words： DECKEL-FP4CC NC milling machine；Panasonic servo drive system substitution；technological transformation

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）10-0035-02

1 設備簡介

DECKEL-FP4CC數控銑是德國DECKEL公司90年代生產的設備，該數控銑數控系統(tǒng)采用DECKEL公司專用的數控系統(tǒng)，控制軟件采用DECKEL公司自己開發(fā)的DIALOG 11 CNC控制軟件，伺服驅動系統(tǒng)采用BOSCH SM系列伺服模塊，伺服電機采用SIEMENS 1FT系列電機，位置反饋采用HEIDENHAIN系列光柵尺，組成全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該設備機械性能穩(wěn)定，精度較高。CNC系統(tǒng)采用菜單操作方式，各種診斷齊全，使用方便。在我公司使用近二十年。該設備一直較穩(wěn)定，但再好的設備也有出問題的時候，去年該設備在工作中Z軸出現報警，經過技術人員檢查，發(fā)現Z軸伺服電機損壞，經過咨詢西門子公司，同型號的電機已不生產，也沒有替代產品，考慮到該設備機械性能穩(wěn)定，幾何精度沒有喪失，公司決定對其進行改造。

2 改造方案的選擇

方案1：保留原機床機械結不變，保留原來的光柵反饋系統(tǒng)，拆除原CNC系統(tǒng)、驅動模塊和伺服電機。采用成熟的數控系統(tǒng)和伺服驅動對該機床進行全面的升級改造，費用大約需25萬左右，改造周期大約兩個月。

方案2、保留原機床機械結構和CNC系統(tǒng)不變，保留X、Y軸和主軸驅動不變，只拆除Z軸驅動和伺服電機。只對Z軸驅動模塊和Z軸電機進行技術改造。由于原CNC系統(tǒng)伺服控制采用模擬量控制，故這個方案較易試驗，費用大約只4萬元，改造周期二周。

方案1雖成熟，沒有風險，但費用較多，周期較長，且該機床已使用近二十年，機械性能雖然較穩(wěn)定，但也接近壽命期，花費是否值得。方案2費用低，周期短，也不改變原操作界面和習慣，使用方便，但原CNC系統(tǒng)與新配的驅動系統(tǒng)之間能否對接，由于沒有成熟的經驗，存在一定的風險。雖然方案2存在風險，經綜合考慮決定采用方案2。

3 改造方案的實施

3.1 技術準備

3.1.1 分析原機床原理圖 原機床的CNC控制系統(tǒng)采用DECKEL DIALOG11數控系統(tǒng)，CNC與Z軸驅動模塊信號如圖1。①速度模擬量信號±10VDC。②伺服使能信號24VDC。③伺服驅動模塊到CNC系統(tǒng)的信號只有兩個伺服故障報警信號BT1和BT2（24VDC）。④光柵位置反饋信號直接接入CNC系統(tǒng)。⑤PLC輸出的Z軸電機的剎車信號（24VDC）。

3.1.2 伺服模塊及電機的選擇 根據原來CNC驅動信號的要求，選擇技術成熟先進的松下伺服驅動系統(tǒng)，型號MFDDTB3A2。根據原電機扭矩和速度的要求，選擇與只配套的伺服電機：型號MSMA502P1H功率5KW電壓3相200VAC電流28.5A轉速3000r/min，自帶反饋編碼器和24V抱閘。

3.2 線路設計及安裝

3.2.1 線路設計 由于MFDDTB32伺服模塊供電電壓為3相200V，要增加一臺3相380V變3相200V 5KVA的變壓器T3。伺服模塊報警輸出端只有一個，可以接一個24V繼電器Kin1，再利用Kin1的兩對觸點做BT1和BT2的輸入。PLC輸出的驅動使能信號連接一個繼電器Krun1，Krun1的觸點連接24V到MFDD模塊的運行控制端。電源直接從原電源模塊前接入，增加一個14A的負荷開關QF3用于保護。電氣原理如圖2。

3.2.2 電氣安裝 原控制柜內空間較大，在柜底適當位置安裝變壓器T3，伺服模塊安裝在柜內后板上，適當位置裝負荷開關QF3和繼電器Kin1和Krun1，走線注意電磁干擾。

3.2.3 機械安裝 由于原滾珠絲杠與電機采用同步帶傳動，不改變原主從同步輪的齒比，由于新的電機比原來的電機尺寸要小很多，必須重新制作電機安裝法蘭和電機軸安裝同步輪的襯套，具體尺寸實際測繪。

3.3 伺服模塊參數設定和調試

3.3.1 主要參數設定 在按下緊停按鈕情況下機床通電，新的伺服模塊上電，設定伺服模塊的參數：參數Pr02設為1，表示 S模式（速度控制模式）。Pr21設為6（慣量自動學習）。參數Pr50為速度控制模擬電壓值，單位為（r/min）/v，它的大小決定著Z軸運行速度的準確度。Pr50值與Z軸的最高G0速度S、Z軸絲杠螺距T、模擬量最大電壓值V、主從同步輪的齒比P有關，如下公式：Pr50﹦S÷T÷P÷V。在此機床中S=10000mm/min，T=10mm，V=10v，P=1/2，故Pr50=200。參數Pr51設定速度模擬電壓的方向，如果實際運行方向與理論給定方向不一致，請改變這個參數設定0或1。

3.3.2 上電調試 松開緊停按鈕，其他軸伺服上電，新的伺服模塊使能加上，檢查抱閘信號，確認抱閘松開（通電前可以在Z軸下方墊一塊枕木，防止意外滑落），將進給倍率調到最小，點動Z軸上升，同時觀察實際位置和理論顯示是否變化，確認Z軸實際上升，但Z軸上升到一定距離就出現Z軸跟隨誤差過大報警。將顯示屏幕切換到跟隨誤差監(jiān)視界面，發(fā)現隨Z軸移動距離越大，Z軸跟隨誤差就越大，這說明實際速度與理論速度有誤差，伺服模塊的參數Pr50設定不正確。仔細檢查各個參數的選擇，發(fā)現絲杠螺距測量不正確，應該是8mm而不是10mm。Pr50應設為250。修改參數后Z軸運行平穩(wěn)，定位準確，滿足生產要求。

4 總結

這次改造技術可能不是最先進的和最好的，但達到了原來預想的目的，為公司節(jié)約了改造經費，為老機床解決相似故障提供一種借鑒和思路。

參考文獻：

[1]宋濤，張清泉，張勇，安晨輝，張飛虎.基于PMAC的直線電機進給控制系統(tǒng)研究[J].航空精密制造技術，2009（05）.

[2]程登元.一種雙電機消隙伺服系統(tǒng)[J].雷達科學與技術，2009（05）.

[3]薛漢杰.雙電機驅動消隙技術及其在數控設備中的應用[J].航空制造技術，2009（17）.

摘要： DECKEL-FP4CC數控銑是90年代生產的設備，由于Z軸伺服電機故障而無法使用，且同型號電機已不生產，經多個方案比較，以松下伺服驅動系統(tǒng)替代原Z軸伺服系統(tǒng)，改造后機床運行良好，為老機床解決相似故障提供一種借鑒和思路。

Abstract： DECKEL-FP4CC NC milling machine is produced in 90's，which could not operate because of the fault of Z axis servo motor， and same type motor had no production， so the Panasonic servo drive system substitute for Z axis servo system， and after the transformation， the machine runs well， providing a useful reference for the old machine tool to solve the similar fault.

關鍵詞： DECKEL-FP4CC數控銑；松下伺服驅動系統(tǒng)替代；技術改造

Key words： DECKEL-FP4CC NC milling machine；Panasonic servo drive system substitution；technological transformation

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）10-0035-02

1 設備簡介

DECKEL-FP4CC數控銑是德國DECKEL公司90年代生產的設備，該數控銑數控系統(tǒng)采用DECKEL公司專用的數控系統(tǒng)，控制軟件采用DECKEL公司自己開發(fā)的DIALOG 11 CNC控制軟件，伺服驅動系統(tǒng)采用BOSCH SM系列伺服模塊，伺服電機采用SIEMENS 1FT系列電機，位置反饋采用HEIDENHAIN系列光柵尺，組成全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該設備機械性能穩(wěn)定，精度較高。CNC系統(tǒng)采用菜單操作方式，各種診斷齊全，使用方便。在我公司使用近二十年。該設備一直較穩(wěn)定，但再好的設備也有出問題的時候，去年該設備在工作中Z軸出現報警，經過技術人員檢查，發(fā)現Z軸伺服電機損壞，經過咨詢西門子公司，同型號的電機已不生產，也沒有替代產品，考慮到該設備機械性能穩(wěn)定，幾何精度沒有喪失，公司決定對其進行改造。

2 改造方案的選擇

方案1：保留原機床機械結不變，保留原來的光柵反饋系統(tǒng)，拆除原CNC系統(tǒng)、驅動模塊和伺服電機。采用成熟的數控系統(tǒng)和伺服驅動對該機床進行全面的升級改造，費用大約需25萬左右，改造周期大約兩個月。

方案2、保留原機床機械結構和CNC系統(tǒng)不變，保留X、Y軸和主軸驅動不變，只拆除Z軸驅動和伺服電機。只對Z軸驅動模塊和Z軸電機進行技術改造。由于原CNC系統(tǒng)伺服控制采用模擬量控制，故這個方案較易試驗，費用大約只4萬元，改造周期二周。

方案1雖成熟，沒有風險，但費用較多，周期較長，且該機床已使用近二十年，機械性能雖然較穩(wěn)定，但也接近壽命期，花費是否值得。方案2費用低，周期短，也不改變原操作界面和習慣，使用方便，但原CNC系統(tǒng)與新配的驅動系統(tǒng)之間能否對接，由于沒有成熟的經驗，存在一定的風險。雖然方案2存在風險，經綜合考慮決定采用方案2。

3 改造方案的實施

3.1 技術準備

3.1.1 分析原機床原理圖 原機床的CNC控制系統(tǒng)采用DECKEL DIALOG11數控系統(tǒng)，CNC與Z軸驅動模塊信號如圖1。①速度模擬量信號±10VDC。②伺服使能信號24VDC。③伺服驅動模塊到CNC系統(tǒng)的信號只有兩個伺服故障報警信號BT1和BT2（24VDC）。④光柵位置反饋信號直接接入CNC系統(tǒng)。⑤PLC輸出的Z軸電機的剎車信號（24VDC）。

3.1.2 伺服模塊及電機的選擇 根據原來CNC驅動信號的要求，選擇技術成熟先進的松下伺服驅動系統(tǒng)，型號MFDDTB3A2。根據原電機扭矩和速度的要求，選擇與只配套的伺服電機：型號MSMA502P1H功率5KW電壓3相200VAC電流28.5A轉速3000r/min，自帶反饋編碼器和24V抱閘。

3.2 線路設計及安裝

3.2.1 線路設計 由于MFDDTB32伺服模塊供電電壓為3相200V，要增加一臺3相380V變3相200V 5KVA的變壓器T3。伺服模塊報警輸出端只有一個，可以接一個24V繼電器Kin1，再利用Kin1的兩對觸點做BT1和BT2的輸入。PLC輸出的驅動使能信號連接一個繼電器Krun1，Krun1的觸點連接24V到MFDD模塊的運行控制端。電源直接從原電源模塊前接入，增加一個14A的負荷開關QF3用于保護。電氣原理如圖2。

3.2.2 電氣安裝 原控制柜內空間較大，在柜底適當位置安裝變壓器T3，伺服模塊安裝在柜內后板上，適當位置裝負荷開關QF3和繼電器Kin1和Krun1，走線注意電磁干擾。

3.2.3 機械安裝 由于原滾珠絲杠與電機采用同步帶傳動，不改變原主從同步輪的齒比，由于新的電機比原來的電機尺寸要小很多，必須重新制作電機安裝法蘭和電機軸安裝同步輪的襯套，具體尺寸實際測繪。

3.3 伺服模塊參數設定和調試

3.3.1 主要參數設定 在按下緊停按鈕情況下機床通電，新的伺服模塊上電，設定伺服模塊的參數：參數Pr02設為1，表示 S模式（速度控制模式）。Pr21設為6（慣量自動學習）。參數Pr50為速度控制模擬電壓值，單位為（r/min）/v，它的大小決定著Z軸運行速度的準確度。Pr50值與Z軸的最高G0速度S、Z軸絲杠螺距T、模擬量最大電壓值V、主從同步輪的齒比P有關，如下公式：Pr50﹦S÷T÷P÷V。在此機床中S=10000mm/min，T=10mm，V=10v，P=1/2，故Pr50=200。參數Pr51設定速度模擬電壓的方向，如果實際運行方向與理論給定方向不一致，請改變這個參數設定0或1。

3.3.2 上電調試 松開緊停按鈕，其他軸伺服上電，新的伺服模塊使能加上，檢查抱閘信號，確認抱閘松開（通電前可以在Z軸下方墊一塊枕木，防止意外滑落），將進給倍率調到最小，點動Z軸上升，同時觀察實際位置和理論顯示是否變化，確認Z軸實際上升，但Z軸上升到一定距離就出現Z軸跟隨誤差過大報警。將顯示屏幕切換到跟隨誤差監(jiān)視界面，發(fā)現隨Z軸移動距離越大，Z軸跟隨誤差就越大，這說明實際速度與理論速度有誤差，伺服模塊的參數Pr50設定不正確。仔細檢查各個參數的選擇，發(fā)現絲杠螺距測量不正確，應該是8mm而不是10mm。Pr50應設為250。修改參數后Z軸運行平穩(wěn)，定位準確，滿足生產要求。

4 總結

這次改造技術可能不是最先進的和最好的，但達到了原來預想的目的，為公司節(jié)約了改造經費，為老機床解決相似故障提供一種借鑒和思路。

參考文獻：

[1]宋濤，張清泉，張勇，安晨輝，張飛虎.基于PMAC的直線電機進給控制系統(tǒng)研究[J].航空精密制造技術，2009（05）.

[2]程登元.一種雙電機消隙伺服系統(tǒng)[J].雷達科學與技術，2009（05）.

[3]薛漢杰.雙電機驅動消隙技術及其在數控設備中的應用[J].航空制造技術，2009（17）.

摘要： DECKEL-FP4CC數控銑是90年代生產的設備，由于Z軸伺服電機故障而無法使用，且同型號電機已不生產，經多個方案比較，以松下伺服驅動系統(tǒng)替代原Z軸伺服系統(tǒng)，改造后機床運行良好，為老機床解決相似故障提供一種借鑒和思路。

Abstract： DECKEL-FP4CC NC milling machine is produced in 90's，which could not operate because of the fault of Z axis servo motor， and same type motor had no production， so the Panasonic servo drive system substitute for Z axis servo system， and after the transformation， the machine runs well， providing a useful reference for the old machine tool to solve the similar fault.

關鍵詞： DECKEL-FP4CC數控銑；松下伺服驅動系統(tǒng)替代；技術改造

Key words： DECKEL-FP4CC NC milling machine；Panasonic servo drive system substitution；technological transformation

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）10-0035-02

1 設備簡介

DECKEL-FP4CC數控銑是德國DECKEL公司90年代生產的設備，該數控銑數控系統(tǒng)采用DECKEL公司專用的數控系統(tǒng)，控制軟件采用DECKEL公司自己開發(fā)的DIALOG 11 CNC控制軟件，伺服驅動系統(tǒng)采用BOSCH SM系列伺服模塊，伺服電機采用SIEMENS 1FT系列電機，位置反饋采用HEIDENHAIN系列光柵尺，組成全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該設備機械性能穩(wěn)定，精度較高。CNC系統(tǒng)采用菜單操作方式，各種診斷齊全，使用方便。在我公司使用近二十年。該設備一直較穩(wěn)定，但再好的設備也有出問題的時候，去年該設備在工作中Z軸出現報警，經過技術人員檢查，發(fā)現Z軸伺服電機損壞，經過咨詢西門子公司，同型號的電機已不生產，也沒有替代產品，考慮到該設備機械性能穩(wěn)定，幾何精度沒有喪失，公司決定對其進行改造。

2 改造方案的選擇

方案1：保留原機床機械結不變，保留原來的光柵反饋系統(tǒng)，拆除原CNC系統(tǒng)、驅動模塊和伺服電機。采用成熟的數控系統(tǒng)和伺服驅動對該機床進行全面的升級改造，費用大約需25萬左右，改造周期大約兩個月。

方案2、保留原機床機械結構和CNC系統(tǒng)不變，保留X、Y軸和主軸驅動不變，只拆除Z軸驅動和伺服電機。只對Z軸驅動模塊和Z軸電機進行技術改造。由于原CNC系統(tǒng)伺服控制采用模擬量控制，故這個方案較易試驗，費用大約只4萬元，改造周期二周。

方案1雖成熟，沒有風險，但費用較多，周期較長，且該機床已使用近二十年，機械性能雖然較穩(wěn)定，但也接近壽命期，花費是否值得。方案2費用低，周期短，也不改變原操作界面和習慣，使用方便，但原CNC系統(tǒng)與新配的驅動系統(tǒng)之間能否對接，由于沒有成熟的經驗，存在一定的風險。雖然方案2存在風險，經綜合考慮決定采用方案2。

3 改造方案的實施

3.1 技術準備

3.1.1 分析原機床原理圖 原機床的CNC控制系統(tǒng)采用DECKEL DIALOG11數控系統(tǒng)，CNC與Z軸驅動模塊信號如圖1。①速度模擬量信號±10VDC。②伺服使能信號24VDC。③伺服驅動模塊到CNC系統(tǒng)的信號只有兩個伺服故障報警信號BT1和BT2（24VDC）。④光柵位置反饋信號直接接入CNC系統(tǒng)。⑤PLC輸出的Z軸電機的剎車信號（24VDC）。

3.1.2 伺服模塊及電機的選擇 根據原來CNC驅動信號的要求，選擇技術成熟先進的松下伺服驅動系統(tǒng)，型號MFDDTB3A2。根據原電機扭矩和速度的要求，選擇與只配套的伺服電機：型號MSMA502P1H功率5KW電壓3相200VAC電流28.5A轉速3000r/min，自帶反饋編碼器和24V抱閘。

3.2 線路設計及安裝

3.2.1 線路設計 由于MFDDTB32伺服模塊供電電壓為3相200V，要增加一臺3相380V變3相200V 5KVA的變壓器T3。伺服模塊報警輸出端只有一個，可以接一個24V繼電器Kin1，再利用Kin1的兩對觸點做BT1和BT2的輸入。PLC輸出的驅動使能信號連接一個繼電器Krun1，Krun1的觸點連接24V到MFDD模塊的運行控制端。電源直接從原電源模塊前接入，增加一個14A的負荷開關QF3用于保護。電氣原理如圖2。

3.2.2 電氣安裝 原控制柜內空間較大，在柜底適當位置安裝變壓器T3，伺服模塊安裝在柜內后板上，適當位置裝負荷開關QF3和繼電器Kin1和Krun1，走線注意電磁干擾。

3.2.3 機械安裝 由于原滾珠絲杠與電機采用同步帶傳動，不改變原主從同步輪的齒比，由于新的電機比原來的電機尺寸要小很多，必須重新制作電機安裝法蘭和電機軸安裝同步輪的襯套，具體尺寸實際測繪。

3.3 伺服模塊參數設定和調試

3.3.1 主要參數設定 在按下緊停按鈕情況下機床通電，新的伺服模塊上電，設定伺服模塊的參數：參數Pr02設為1，表示 S模式（速度控制模式）。Pr21設為6（慣量自動學習）。參數Pr50為速度控制模擬電壓值，單位為（r/min）/v，它的大小決定著Z軸運行速度的準確度。Pr50值與Z軸的最高G0速度S、Z軸絲杠螺距T、模擬量最大電壓值V、主從同步輪的齒比P有關，如下公式：Pr50﹦S÷T÷P÷V。在此機床中S=10000mm/min，T=10mm，V=10v，P=1/2，故Pr50=200。參數Pr51設定速度模擬電壓的方向，如果實際運行方向與理論給定方向不一致，請改變這個參數設定0或1。

3.3.2 上電調試 松開緊停按鈕，其他軸伺服上電，新的伺服模塊使能加上，檢查抱閘信號，確認抱閘松開（通電前可以在Z軸下方墊一塊枕木，防止意外滑落），將進給倍率調到最小，點動Z軸上升，同時觀察實際位置和理論顯示是否變化，確認Z軸實際上升，但Z軸上升到一定距離就出現Z軸跟隨誤差過大報警。將顯示屏幕切換到跟隨誤差監(jiān)視界面，發(fā)現隨Z軸移動距離越大，Z軸跟隨誤差就越大，這說明實際速度與理論速度有誤差，伺服模塊的參數Pr50設定不正確。仔細檢查各個參數的選擇，發(fā)現絲杠螺距測量不正確，應該是8mm而不是10mm。Pr50應設為250。修改參數后Z軸運行平穩(wěn)，定位準確，滿足生產要求。

4 總結

這次改造技術可能不是最先進的和最好的，但達到了原來預想的目的，為公司節(jié)約了改造經費，為老機床解決相似故障提供一種借鑒和思路。

參考文獻：

[1]宋濤，張清泉，張勇，安晨輝，張飛虎.基于PMAC的直線電機進給控制系統(tǒng)研究[J].航空精密制造技術，2009（05）.

[2]程登元.一種雙電機消隙伺服系統(tǒng)[J].雷達科學與技術，2009（05）.

[3]薛漢杰.雙電機驅動消隙技術及其在數控設備中的應用[J].航空制造技術，2009（17）.