西門子802D系統(tǒng)數(shù)控機床模擬主軸控制與調(diào)試

雷楠南

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 三門峽 472000 ）

一、引言

西門子802D數(shù)控系統(tǒng)因其經(jīng)濟性好、可靠性高、易于安裝等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控機床控制。802D系統(tǒng)的核心部件為PUC(面板控制單元)，它將CNC、PLC、人機界面和通訊等功能集成于一體，可實現(xiàn)4個進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸控制[1]302-303。在西門子802D系統(tǒng)數(shù)控機床上，主軸控制PLC編程處理的信號主要有CNC軸控制信號、通道輔助功能控制信號及機床側(cè)的I/O信號[2]205-207；在PLC程序編制時還涉及機床操作面板信號、主軸運動方向信號等，可基于西門子公司的子程序庫進行修改使用[3]57-58。由于模擬量主軸在經(jīng)濟型數(shù)控機床上應(yīng)用較多，所以本文主要介紹模擬量主軸控制系統(tǒng)的PLC編程及調(diào)試方法。

二、西門子802D系統(tǒng)模擬主軸電氣連接

西門子802Dsl系統(tǒng)用于數(shù)控機床控制時，在數(shù)控車床上通常配置2個伺服進給軸、1個模擬量主軸；在數(shù)控銑床上則配置3個伺服進給軸、1個模擬或數(shù)字主軸；如圖1所示為配置3個伺服進給軸、1個模擬量主軸時的電氣連接圖[4]18-19。

圖1 西門子802D系統(tǒng)電氣連接圖

在配置西門子802D系統(tǒng)的數(shù)控機床上采用模擬量主軸控制時，通常需選配MCPA 模塊。MCPA模塊上的X1、X2接口用于連接機床操作面板；X1021接口連接24V直流穩(wěn)壓電源；X701 接口的X701.1、X701.6連接變頻器的模擬量輸入端，用于產(chǎn)生模擬量給定信號；X701.5、X701.9用于主軸使能控制；X701.4、X701.3連接至I/O模塊用于主軸正、反轉(zhuǎn)方向控制。主軸轉(zhuǎn)速的檢測是通過安裝西門子TTL增量編碼器，通過SM30連接到系統(tǒng)的 DriveCLiQ 接口。若選配西門子1Vpp Sin/Cos增量編碼器，則通過SM20連接到系統(tǒng)的DriveCLiQ 接口[5]。模擬量主軸控制時，速度取決于模擬量電壓大小，方向則取決于MCPA接口的X701.4、X701.3端子接通狀態(tài)。

三、西門子802D系統(tǒng)模擬主軸控制PLC程序編制

（一）主軸正反轉(zhuǎn)方向信號處理PLC程序編制

如圖2所示為主軸正反轉(zhuǎn)按鍵信號處理PLC程序[6][7]。其中，L1.4、L1.5、L1.6分別為機床操作面板上的主軸正轉(zhuǎn)、主軸停止與主軸反轉(zhuǎn)按鍵；V10000001.4、V10000001.5、V10000001.6分別表示主軸正轉(zhuǎn)、主軸停止與主軸反轉(zhuǎn)按鍵相對應(yīng)的PLC接口信號。V31000001.2、V31000000.2、V30000000.7分別表示CNC系統(tǒng)的回參考點方式、JOG手動操作方式與CNC復(fù)位。在圖示程序中，按下主軸正轉(zhuǎn)按鍵時，若主軸處于停止狀態(tài)且回參考點方式未生效，則L1.4觸點接通并置位V10000001.4線圈，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)按鍵信號；同理，按下主軸反轉(zhuǎn)按鍵時，則L1.6觸點可接通并置位V10000001.6線圈，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)按鍵信號。當按下主軸停止按鍵或CNC系統(tǒng)復(fù)位按鍵時，則L1.5或V30000000.7觸點可接通V10000001.5線圈，產(chǎn)生主軸停止按鍵信號；同時，這兩個信號還可復(fù)位V10000001.4、V10000001.6線圈，撤銷正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鍵信號。為了保證數(shù)控機床操作、運行安全，通常在選擇JOG手動方式時應(yīng)使主軸停止運動；因此，PLC程序處理時，利用JOG手動方式生效信號V31000000.2的上升沿來復(fù)位V10000001.4、V10000001.6線圈，撤銷正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鍵信號。

圖2 主軸正反轉(zhuǎn)按鍵信號處理程序

圖3 主軸手動正反轉(zhuǎn)方向信號處理程序

如圖3所示主軸手動正反轉(zhuǎn)方向控制PLC程序，其中，V31000000.2、V31000001.0、V31000001.2分別為CNC手動JOG操作方式、示教方式及回參考點方式生效信號；VW45000032由用戶數(shù)據(jù)MD14510[16]進行數(shù)控機床類型的設(shè)定，設(shè)定值為1表示數(shù)控車床；設(shè)定值為2表示數(shù)控銑床。V380*1000.0、V380*1000.1（*可為2，3）分別為第3、4軸負向與正向超程限位信號；V10000001.4、V10000001.5、V10000001.6分別表示機床MCP面板上的主軸“正轉(zhuǎn)按鍵”、“停止按鍵”、“反轉(zhuǎn)按鍵”信號。當用戶數(shù)據(jù)MD14510[16]設(shè)定值為1，為數(shù)控車床時則VW45000032接通，第 3軸為主軸控制；因此在按下機床MCP面板上的主軸“正轉(zhuǎn)按鍵”時，則V10000001.4信號接通V38020004.7線圈，使機床主軸正向運動。反之，按下機床MCP面板上的主軸“反轉(zhuǎn)按鍵”時，則V10000001.6信號接通V38020004.6線圈，使機床主軸負向運動。對于數(shù)控銑床而言，第4軸為主軸；因此在按下機床MCP面板上的主軸“正轉(zhuǎn)按鍵”或“反轉(zhuǎn)按鍵”時，則可利用V10000001.4或V10000001.6信號接通V38030004.7或V38030004.6線圈，使機床主軸實現(xiàn)正、反向運動；不論是數(shù)控車床或銑床主軸控制情況，在按下主軸停止按鍵時，可立即復(fù)位V10000001.4、V10000001.6線圈，從而使其常開觸點復(fù)位斷開V380*0004.7（*可為2，3）或V380*0004.6（*可為2，3）線圈，撤銷主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)方向信號，停止主軸運動。

（二）主軸使能控制信號處理PLC程序編制

如圖4所示為數(shù)控機床主軸使能控制PLC程序，L5.5、L5.6為主軸生效信號，均通過用戶數(shù)據(jù)來設(shè)定；V390*0004.6、V390*0004.7、V390*0001.4（*可為2,3）分別表示第3、4軸負向運動、正向運動及停止狀態(tài)信號。在圖示程序中，若通過用戶數(shù)MD14512[16]設(shè)定值配置2個進給軸、1個主軸，即數(shù)控車床情況，則利用L5.5信號生效主軸控制；若第3軸處于正向或負向運動狀態(tài)時，可利用V39020004.7或V39020004.6觸點接通并置位M138.1線圈。若通過用戶數(shù)MD14512[16]設(shè)定值配置3個進給軸、1個主軸，即數(shù)控銑床情況，則利用L5.6信號生效主軸控制；若第4軸處于正向或負向運動狀態(tài)時，可利用V39030004.7或V39030004.6觸點接通并置位M138.1線圈。在按下主軸停止按鍵時，因為主軸正、負向信號V39030004.7或V39030004.6斷開，主軸停止運動，所以主軸停止狀態(tài)信號V390*0001.4（*可為2,3）為1。當?shù)?次按下主軸停止按鍵時，可由圖4中的V10000001.5接通并復(fù)位M138.1線圈。

圖4 主軸使能信號處理程序

圖5 主軸伺服使能控制信號生成程序

在圖5所示程序中，L5.2、L5.3分別為第3、4軸生效信號；L2.0為PCU端子X20.2的狀態(tài)，即驅(qū)動器的進給使能信號；V390*4001.5（*可為2,3）分別表示第3、4軸驅(qū)動器準備好信號；V380*4001.7（*可為2,3）分別表示第3、4軸的驅(qū)動器脈沖使能信號；V380*0002.1（*可為2,3）分別表示第3、4的伺服使能信號。在驅(qū)動器準備好信號接通，即V390*4001.5（*可為2,3）觸點接通后，若按下驅(qū)動器進給使能按鍵，則L2.0接通并置位V380*4001.7（*可為2,3），使驅(qū)動器脈沖使能信號生效。利用L5.5信號生效主軸控制時，可由L5.5觸點與M138.1觸點共同接通并置位V38020002.1線圈，使主軸伺服使能信號生效。利用L5.6信號生效主軸控制時，可由L5.6觸點與M138.1觸點共同接通并置位V38030002.1線圈，使主軸伺服使能信號生效。在伺服使能信號V38020002.1或V38030002.1置位為1后，主軸便可根據(jù)CNC系統(tǒng)的運動指令進行運動。

圖6 主軸伺服使能控制信號撤銷程序

如圖6所示為主軸伺服使能控制信號撤銷程序，其中V390*4002.4（*可為2,3）分別表示第3、4軸速度為0信號。在主軸正常工作情況下，若按下主軸停止按鍵使主軸運動停止后，則V390*4002.4（*可為2,3）信號為1；若再次按下主軸停止按鍵，因為M138.1線圈復(fù)位為0，所以可利用其常閉觸點接通并復(fù)位主軸伺服使能信號V380*0002.1（*可為2,3）。若驅(qū)動器的進給使能端信號L2.0斷開時，也可復(fù)位主軸伺服使能信號V380*0002.1（*可為2,3）。當驅(qū)動器脈沖使能信號L2.1斷開時，可復(fù)位驅(qū)動器脈沖使能信號V380*4001.7（*可為2,3）。

四、模擬主軸系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及調(diào)試

（一）模擬主軸參數(shù)設(shè)定

在主軸控制PLC程序編制完成后，還需設(shè)定一系列參數(shù)如主軸參數(shù)、變頻器參數(shù)、機床通用參數(shù)等來實現(xiàn)主軸功能。主軸參數(shù)設(shè)置正確與否，直接影響到主軸系統(tǒng)的調(diào)試運行。因為西門子802D系統(tǒng)配置的模擬主軸沒有實際的SINAMICS驅(qū)動，所以其編碼器只能疊加于某一伺服軸作為其第二編碼器，調(diào)試方法與直接測量系統(tǒng)的第二編碼器調(diào)試相同；模擬主軸調(diào)試時需設(shè)置如表1所示主軸參數(shù)[8]92-95。

表1 模擬主軸相關(guān)軸參數(shù)

（二）主軸控系統(tǒng)調(diào)試

圖7 主軸正、反轉(zhuǎn)調(diào)試

數(shù)控機床主軸功能調(diào)試主要從以下兩個方面進行：一是在手動方式下通過機床操作面板上的“主軸正轉(zhuǎn)”、“主軸反轉(zhuǎn)”及“主軸停止”按鍵來實現(xiàn)主軸運行，檢驗主軸的運動方向、速度是否正確，主軸動作是否靈活與可靠。另一方面則是在MDA方式下，通過主軸正、反轉(zhuǎn)與停止指令實現(xiàn)主軸運行，檢驗主軸運行是否滿足機床要求。一般情況下，要求主軸實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速的差值應(yīng)在±5%以內(nèi)，否則需調(diào)整主軸參數(shù)。如圖7所示為主軸調(diào)試結(jié)果，主軸指令轉(zhuǎn)速為1400r/min，將倍率選擇為50%時，圖中顯示的速度為700r/min，可見調(diào)試結(jié)果符合要求。

五、結(jié)語

文中主要介紹了西門子802D系統(tǒng)電氣連接、模擬主軸控制PLC程序編制及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，通過主軸系統(tǒng)的調(diào)試實現(xiàn)了主軸控制功能。在西門子802D系統(tǒng)中，針對數(shù)控車床與銑床，廠家都提供有PLC子程序庫，因此編制PLC程序時只需根據(jù)數(shù)控機床功能要求調(diào)用相關(guān)子程序即可。文中介紹的PLC程序其實涉及到幾個子程序，因此使用時必須了解各子程序的功能。模塊化的子程序設(shè)計大大減輕了用戶的編程工作量，但是在編程時一定要按照子程序使用說明進行相關(guān)信號的處理。通過本文中模擬主軸系統(tǒng)調(diào)試，有助于為從事數(shù)控機床維修維護的技術(shù)人員提供參考。