一臺俄羅斯Φ160 mm數(shù)控鏜銑床，原西門子810M數(shù)控系統(tǒng)嚴重老化，故障率高，維修困難，且機械精度較差。為滿足生產(chǎn)要求，采用SINuMERIK 840D sl新型數(shù)控系統(tǒng)和sINAMIcs S120伺服系統(tǒng)及交流伺服電動機加進給齒輪箱對其進行升級改造，旋轉(zhuǎn)工作臺日軸新增加一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)及進給齒輪箱，增加圓光柵編碼器構(gòu)成全閉環(huán)控制，3個直線X、Y、W軸采用海德漢光柵尺作位置測量與系統(tǒng)連接構(gòu)成全閉環(huán)控制，直線z軸采用在絲杠端部安裝的海德漢編碼器作位置測量構(gòu)成全閉環(huán)控制，保留原主軸電動機和驅(qū)動系統(tǒng)，制作電氣控制柜及操作站，重新磨削導軌，經(jīng)過升級改造使這臺舊設(shè)備被更新。

1 機床控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　機床配置的840D sl數(shù)控系統(tǒng)采用NCU710.2模塊，TCU及0P010C操作顯示單元，MCP 483 PN機床控制面板可以擴展連接手持單元和手輪，NXl5軸位置反饋檢測模塊，驅(qū)動采用具有DRIVE—CliQ接口的SINAMICS S120驅(qū)動，采用sIEMENS 1FT6型交流伺服電動機，以上各單元都是由以太網(wǎng)連接的。由ADI4發(fā)出主軸模擬指令，PLC選用ET200擴展輸入輸出單元，通過ProfiBus現(xiàn)場總線與系統(tǒng)連接。

　　送電前必須對照原理圖保證機床電柜內(nèi)部及外部的連線正確，特別是高壓電與低壓電不允許接錯；對于系統(tǒng)部分，需注意系統(tǒng)的電動機反饋線和閉環(huán)反饋線是否連接正確。電柜外部連線需注意：三相交流回路中各相之間不能短路；電動機動力線不允許對地且三相電阻應(yīng)平衡；應(yīng)避免24 V信號線直接對地短路；輸入部分是否全部正常(如限位是否導通)；電磁閥、離合器等輸出部分的電阻是否正常；各元件的接地部分是否連接良好，確保信號電纜屏蔽兩端都與機架或機殼連接。

2 數(shù)控系統(tǒng)軟件調(diào)試

　　840D sl數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試大概可分成以下幾個方面：

　　系統(tǒng)正確連接后首次上電總清；調(diào)試接口的連接；PLC調(diào)試；Ncu內(nèi)集成SINAMICS s120驅(qū)動調(diào)試；NC機床數(shù)據(jù)的設(shè)定；數(shù)據(jù)備份；制作用戶報警文本等。

　　2.1 系統(tǒng)正確連接后首次上電總清

　　首次接通和啟動NcU單元必須進行NCK和PLC總清。操作步驟如下：

　　(1)NcK開機調(diào)試開關(guān)(左)轉(zhuǎn)到位置“1”；PLC運行方式開關(guān)(右)轉(zhuǎn)到位置“3”?！　?2)執(zhí)行上電(接通控制系統(tǒng))?！　?3)等待，直到NCU持續(xù)進行下列顯示：LED STOP閃爍，LED SF亮起。　　(4)在下列開關(guān)位置上依次旋轉(zhuǎn)PLC運行方式開關(guān)：短時轉(zhuǎn)動到位置“2—3—2”此動作必須在3 s內(nèi)完成，首先LED sTOP燈約2 Hz頻率閃爍，等待LED STOP亮起?！　?5)轉(zhuǎn)動NCK和PLC開關(guān)返回到位置“O”?！　?6)正常啟動后，NXU狀態(tài)顯示屏上輸出數(shù)字“6”和右下角一個閃爍的燈LED RUN持續(xù)亮起呈綠色。　　(7)重新進行一次啟動，PLC和NCU處于循環(huán)運行模式下，總清結(jié)束。

　　2.2 調(diào)試接口的連接

　　計算機連接到NCU的x127或x120以太網(wǎng)口進行調(diào)試工作，CP 840D sl的IP地址設(shè)置：x127為192.168.215.1；x120為192.168.214.1。若連接到NCU的X127以太網(wǎng)口，計算機可設(shè)置自動獲得IP地址。

　　2.3 PLC調(diào)試

　　調(diào)試840D sl必須要做硬件配置。在計算機STEIy7中安裝840D s1的T00lbox和PROFIBUS部件的GSD文件，創(chuàng)建PLC項目，配置NCU的X126口為DPI；X136口為DP2/MPI；PROFIBUS3是NC系統(tǒng)與SINAMICS S120驅(qū)動通訊的總線；設(shè)置CP的IP地址，在硬件配置中雙擊CP840D sl，內(nèi)部PROFIBUS CP子網(wǎng)ID號與840D sl X127(IP address：192.168.215.1，Subnet mask：255.255.255.244)相對一致，PLC程序用X127口才可以在線監(jiān)控。在PROFIBUS3上配置Nx板硬件，如果NX板連接到Ncu710．2的x105口上，則做STEP7硬件配置時，該Nx板的站地址必須設(shè)為15。

　　將安裝有STEP 7的筆記本與840D sl系統(tǒng)通過網(wǎng)線連接后，打開sTEP7，建立新項目。將需要傳輸?shù)某绦驈椭频絪IMATIc 300(1)\PLc(型號與具體PLC有關(guān))\S7 Program(1)\Blocks中，然后選擇PLC，按上方的Download鍵將程序傳輸至PLc中；反之也可以選擇PLC，upload Station to PG，在彈出的對話框中按下VIEW，再按OK，有需要覆蓋的地方Y(jié)es To All，上載后，打開SIMATIC 300(1)中的Hardware，查看系統(tǒng)ET200組態(tài)與圖紙上的地址是否一致，不一致的話進行修改，組態(tài)修改完成后，可以將程序進行傳輸。PLC程序設(shè)計采用模塊化編程，將機床啟動條件、驅(qū)動使能信號處理、軸控制、輔助功能、報警信息等系統(tǒng)及機床功能編制成不同的模塊。模塊化編程使程序結(jié)構(gòu)合理、層次清晰，方便閱讀查找。打開程序中的模塊，根據(jù)圖紙進行實際修改。以上步驟完成后，試驗三相油泵電動機的轉(zhuǎn)動方向及調(diào)整油壓，可以運行各軸。運行時注意多觀察菜單、診斷、服務(wù)顯示里面的選項。電氣需要驗證各直線軸行程限位、主軸換檔、急停保護功能等是否正常。由數(shù)控指令自動控制各軸的液壓夾緊松開功能，編有輔助代碼M20～M27等。

　　主軸換擋的控制過程：主軸換擋機構(gòu)由4個電磁閥控制2個油缸，分別推動4個齒輪組左右移動變換齒輪改變速比，產(chǎn)生4個機械擋位，在主軸箱內(nèi)安裝有4個檔位確認開關(guān)。主軸換擋的控制過程是接受到換擋命令，先檢查主軸電動機是否處于停止狀態(tài)，在6RA27主軸驅(qū)動系統(tǒng)上有主軸電動機零速Nmin信號，只有在主軸電動機停止時，才允許主軸變擋。輔助代碼M41～M44為主軸變一檔至四檔，通過S代碼指定主軸轉(zhuǎn)速檔位，接受換擋命令后與“當前檔位”信號比較，如果不同，啟動換擋有效信號，推動相應(yīng)的換擋電磁閥推動相應(yīng)的齒輪運動，系統(tǒng)指令設(shè)置擺動頻率，使齒輪在擺動中嚙合，檢測相應(yīng)的檔位開關(guān)是否嚙合到位，同時點亮相應(yīng)檔位指示燈，說明換擋完成。

　　2.4 NCU內(nèi)集成SINAMICS S120驅(qū)動調(diào)試

　　SINAMICS s120是西門子公司新一代驅(qū)動系統(tǒng)。s120驅(qū)動系統(tǒng)采用了西門子最先進的硬件技術(shù)、軟件技術(shù)以及通訊技術(shù)；采用高速DRIVE—CLiQ驅(qū)動接口；驅(qū)動系統(tǒng)各部件具有電子銘牌；系統(tǒng)可以自動識別所配置的驅(qū)動系統(tǒng)；具有更高的控制精度和動態(tài)控制特性；具有更高的可靠性。

　　安裝驅(qū)動調(diào)試軟件：IBN—Tool sw7．6 spl或更高版本for PC／PG。

　　在計算機上安裝staner軟件：先安裝sTEP 7后，再安裝starter，安裝SSP sINuMERIK sINAMIcs Intv2．6 SP2補丁。

　　啟動Staner通過NCU中的x127網(wǎng)口與SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)機：　　啟動Staner，建立新項目。　　選擇節(jié)點設(shè)置(Accessible Nodes)，設(shè)置調(diào)試接口IP地址。若用x127，則IP地址為：192．168．215．1　　刷新(updata)，選擇驅(qū)動，接受(Accept)。　　選擇驅(qū)動單元，選擇在線?！　∩陷d項目文件“load to PG”，保存并編譯?！　∮肧taner軟件可以在線調(diào)試S120進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)開機后自動檢測驅(qū)動部件的固件(前提條件必須先做PLC硬件配置)，保證驅(qū)動系統(tǒng)的固件與驅(qū)動控制系統(tǒng)(840D sl系統(tǒng)內(nèi)置)完全一致。

　　驅(qū)動器及電動機參數(shù)自動配置，系統(tǒng)初次調(diào)試必須作驅(qū)動系統(tǒng)出廠設(shè)置。選擇調(diào)試，驅(qū)動系統(tǒng)，選擇出廠設(shè)置包括三個選項：當前驅(qū)動對象、驅(qū)動設(shè)備、驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)，NCK reset。

　　驅(qū)動系統(tǒng)的拓撲識別，供電模塊配置，做不帶DRIVE—CLiQ西門子標準電動機配置，做第二編碼器配置，驅(qū)動邏輯號分配，NCU X122／X132端子信號分配，PLC程序控制驅(qū)動系統(tǒng)上電時序。保存數(shù)據(jù)后，NCK復位、重新上電。

　　驅(qū)動優(yōu)化：當使用上述缺省設(shè)定不能滿足要求時，需要進行優(yōu)化調(diào)整。順序是先利用測試(Measurement)和跟蹤(Servo rIIrace)優(yōu)化單個軸，再利用圓度測試(circularity Test)協(xié)調(diào)軸之間的關(guān)系，最后才是通道以及系統(tǒng)的調(diào)整。

　　優(yōu)化單個軸的順序：電流環(huán)(可選，1FK／1Fr電動機沒必要做)；速度環(huán)；位置環(huán)以及跟蹤。

　　優(yōu)化的方法：可用SINUMERIK HMI—Advanced軟件來優(yōu)化；或用SINUMERIK Operate軟件進行優(yōu)化。

　　使用sINuMERIK HMI—Advanced軟件優(yōu)化的方法主要用于手動優(yōu)化，需要進行各種不同的測試，從而全面地了解優(yōu)化對象的特征，進行有針對性的手動調(diào)整。測試時的順序為：選定測試類型(如：參考頻率響應(yīng))；設(shè)定合適的測試參數(shù)(如：幅值、頻寬等)；啟動測試；在顯示中觀察結(jié)果。測試的種類有參考頻率響應(yīng)、階躍響應(yīng)以及擾動響應(yīng)等，分別用于電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，另外還有圓度測試、伺服跟蹤等。NC機床數(shù)據(jù)設(shè)置

　　手動設(shè)置各軸的增益和加速度參數(shù)時，在不振蕩的條件下，盡量增大增益系數(shù)，增加伺服系統(tǒng)的剛度，減小跟隨誤差而提高定位精度；盡量增大加速度，以保證閉環(huán)控制的慣性環(huán)節(jié)和加速特性相匹配，盡量增加增益和加速度可以有效地解決低速爬行問題。正確調(diào)整3個閉環(huán)控制環(huán)節(jié)中的增益與加速度的比例關(guān)系，使位置、速度、電流環(huán)在閉環(huán)控制中既能快速響應(yīng)又無過度超調(diào)，高速平穩(wěn)運行而不振蕩。解決好閉環(huán)反饋系統(tǒng)的偏差和擾動問題，使機床穩(wěn)定地運行。軸的位置增益是反映位置環(huán)中對軸運動位置的動態(tài)跟蹤特性，軸的位置加速度是反映位置環(huán)中在軸啟動到設(shè)定速度和設(shè)定速度到停止期間運動位置的加速、減速特性。在圓度測試時，盡量保證聯(lián)動兩軸的跟隨誤差相同以保證圓度。

　　2.5 NC機床數(shù)據(jù)設(shè)置

　　NC開機調(diào)試，設(shè)定的NC參數(shù)包括設(shè)置控制參數(shù)、機械傳動參數(shù)、速度參數(shù)等。

　　2.5.1 通用及通道MD的配置

　　依次按菜單，調(diào)試，機床數(shù)據(jù)，通用MD。按通道MD，將10000號參數(shù)(機床軸名稱)依次設(shè)定為X1、Yl、Z1、W1、SP1、B1。1000l號參數(shù)(軸參數(shù))依次修改為AXl、AX2、AX3、AX4、AX5、AX6。將20060號參數(shù)(定義哪幾個通道軸為幾何軸)依次改為X、Y、Z。20050號參數(shù)(定義幾何軸軸名稱)依次改為1，2，3。20080號參數(shù)(通道中的通道軸名稱)依次改為Xll、Y11、Z11、W、C、B。20070號參數(shù)(通道中有效的機床軸號)依次改為1、2、3、4、5、6。以上參數(shù)為對機床軸名進行配置。

　　2.5.2 軸MD的配置

　　依次按菜單，調(diào)試，機床數(shù)據(jù)，軸MD。分別對各軸的以下參數(shù)進行設(shè)定。

　　30300：旋轉(zhuǎn)軸／主軸。將主軸和曰軸該參數(shù)設(shè)定為1?！　?0310：旋轉(zhuǎn)軸／主軸的模數(shù)轉(zhuǎn)換。將主軸和曰軸該參數(shù)設(shè)定為1。　　30320：旋轉(zhuǎn)軸和主軸的系數(shù)360。(顯示模態(tài))。將主軸和B軸該參數(shù)設(shè)定為1?！　?5000：設(shè)定主軸到機床軸。主軸設(shè)定為1?！　?5010：有幾個齒輪級。主軸設(shè)定為1，代表主軸可以換擋?！　?5020：定義主軸工作模式。0～3：0為速度模式，1為定位模式(檢測位置)，3為軸模式?！　?5090：齒輪級的速度。主軸各檔位的速度?！　?1030：絲杠螺距?！　?1050：負載變速箱分母。　　31060：負載變速箱分子。以上3個參數(shù)共同組成軸的傳動比?！　?2200：位置環(huán)增益系數(shù)。該參數(shù)除B軸外最小不能小于0．3，建議設(shè)定為0．5(對機械要求高)。　　32000：最大軸速率。軸的最高速度，G00速度?！　?2010：JOG模式下的快速速率。手動模式下的高速速度?！　?2020：JOG模式下的點動速率。手動模式下的正常速度?！　?2300：軸的加速度?！　?5100：最大主軸速度?！　?5110：齒輪換擋的最大速度。執(zhí)行M40時，主軸各檔位對應(yīng)的最大速度?！　?5120：齒輪換擋的最小速度。執(zhí)行M40時，主軸各檔位對應(yīng)的最小速度。　　35130：齒輪級的最大速度。主軸各檔位的最大速度?！　?5140：齒輪級的最小速度。主軸各檔位的最小速度。　　35400：擺動速度。主軸換檔時的點車速度，設(shè)定為5?！　?0110：設(shè)定輸出值軸模塊號，軸設(shè)定值來源于哪塊控制板?！　?0220：編碼器的模塊號。編碼器信號反饋到哪塊控制板。(反饋實際值接口與軸對應(yīng))。　　30200：編碼器的數(shù)量。當只有電動機編碼器的時候(半閉環(huán)模式)設(shè)定為l，有閉環(huán)測量系統(tǒng)的時候(全閉環(huán)模式)設(shè)定為2。首次上電可以先設(shè)置為1，掛閉環(huán)的時候再修改?！　?0230：選擇反饋接口，30230[0]=l選第一測量系統(tǒng)／30230[1]=1選第二測量系統(tǒng)。對應(yīng)Profidrive Message Fram中報文Telegram 103：1(=G1—2SM)／2(=G2_2SM)。對應(yīng)PLC中DBXl．5=1／DBXl．6=1?！　?0240：編碼器類型。=0為虛擬軸；=1為增量1Vpp信號；=4為絕對值編碼器?！　?1020：每轉(zhuǎn)的編碼器線數(shù)。與編碼器有關(guān)，將主軸的[1]設(shè)1024，B軸的[1]設(shè)36000?！　?1000：直線標尺。將所有有直線光柵尺的軸[1]設(shè)1?！　?1010：直線標尺的分割點。所有有直線光柵尺的軸[1]需要設(shè)定，數(shù)值與光柵尺有關(guān)，安裝海德漢直線光柵尺的軸[1]設(shè)0.04?！　?1040：編碼器直接安裝在機床上。將主軸和B軸的[1]設(shè)1。　　32100：運動方向(不是反饋極性)。機床的運行方向，如某一軸運轉(zhuǎn)方向反了，將其設(shè)定為-1?！　?2110：反饋極性。編碼器的反饋極性，如某一軸反饋極性反了，將其設(shè)定為一1。　　34000：軸帶參考點凸輪。沒有原點撞塊的軸及更改為任意回原點的軸可以設(shè)定為0?！　?4020：回參考點速率。從負方向到原點撞塊的速度；主軸及B軸為從任意點到找到原點信號的速度。建議設(shè)定為31020的值?！　?4040：蠕動速度。主軸，縣軸設(shè)定為參考點定位速度的一半即可。　　34050：參考點定位速度。從原點撞塊反車到達原點位置的速度；主軸及曰軸為從原點信號到實際原點位置的速度。建議設(shè)定為31020的一半?！　?4060：到原點標記的最大位移。建議直線軸設(shè)定為85，方便修改任意點回原點；旋轉(zhuǎn)軸設(shè)定為360。　　34090：參考點偏移。旋轉(zhuǎn)軸以及任意點方式回原點的軸需要設(shè)定?！　?6100：第一負向軟限位。負向軟限位，回原點后生效?！　?6110：第一正向軟限位。正向軟限位，回原點后生效?！　?2450：反向間隙。該參數(shù)輸入后需要重新回原點才可以生效，全閉環(huán)的軸在[0]中輸入的數(shù)值無效(如機械開環(huán)間隙大，想要電氣補數(shù)，補完后對閉環(huán)是否爬行沒有影響)。

　　2.6 數(shù)據(jù)備份

　　SINUMERIK 840D Sl數(shù)據(jù)備份與回裝。依次進入調(diào)試區(qū)域，按擴展鍵，按批量調(diào)試軟鍵，可以選擇：建立批量調(diào)試；PLC硬件升級文檔；讀取批量調(diào)試；建立原始文檔；讀取原始文檔。

　　在Windows界面支持USB盤后，利用Ghost軟件備份克隆硬盤到USB盤。在系統(tǒng)啟動過程中，出現(xiàn)SINUMERIK時，按“向下鍵”，輸人口令(Password)：SUNRISE，OK，Backup／Restore：a disk imag，Next，選Backup，從硬盤映像到目標U盤。當硬盤損壞時，用USB做的緊急啟動盤去啟動系統(tǒng)，用克隆硬盤的uSB盤的映像文件恢復硬盤，選Restore，從u盤映像到目標硬盤。

　　2．7制作用戶報警文本

　　在計算機上編寫報警文本，從/Siemens/sinumerik/hmi/temppla/lng目錄下拷貝名為“oem_aleerm_deu.ts”的文件到計算機上(借助winScP或者用u盤)，改名為“oem_aleerm_chs.ts”。打開文件添加中文報警文本，將編輯好的文件拷貝到系統(tǒng)/user/sinumerik/hmo/lng目錄下，讓HMI重新上電。

3 系統(tǒng)軟件的安裝

　　一臺個人計算機是調(diào)試SINUMERIK 840D sl必不可少的工具。計算機安裝的軟件包括STEP7 SW5．4sp4及以上版本，用于PLC編程。WinSCP軟件：在840D sl系統(tǒng)的CF卡上用Winscp可以重新安裝或升級CNC系統(tǒng)軟件，Winscp與NCu通訊可以拷貝用戶報警文本等文件，Vncviewer可以在計算機上顯示HMI操作界面，STARRIER版本4．1．5以上用于SINAMICS S120驅(qū)動調(diào)試，840Dsl工具盤安裝在SrIEP7中用于840D sl的硬件配置，IBN—TOOL For PC／PG版本7．6以上用于S120驅(qū)動調(diào)試，計算機以太網(wǎng)接口用RJ45以太網(wǎng)交叉電纜與NCu單元的X127以太網(wǎng)口連接?？梢酝ㄟ^PC／PG上的WinSCP安裝CNC軟件：

　　(1)u盤啟動“NCu維修系統(tǒng)”，復制Toolbox中的Toolbox：＼sw_2．6_hf4＼exp_31a10c_hmi_02060004.tgz系統(tǒng)軟件到U盤，U盤插入NCU的X125口。

　　(2)計算機連接至NCu x127網(wǎng)口，自動獲得NCu IP地址，并啟動winSCP，為登陸Ncu系統(tǒng)必須設(shè)定Host N鋤e：192．168．215．1；User Name：manuface(小寫)；Password：SuNRISE(大寫)?！　?3)winSCP終端窗口執(zhí)行：sc restore—fulL／data／exp_31a10c_hmi-02060004.tgz　　(4)等待“syncing disk．．done”。安裝完畢?！　?5)系統(tǒng)上電，總清，安裝完成。

4 結(jié)語

　　Φ160 mm數(shù)控鏜銑床有一個主軸和五個進給軸，改造后可以四軸聯(lián)動，技術(shù)是先進的，西門子840D sl功能齊全，接口信號復雜，開發(fā)應(yīng)用難度大，技術(shù)改造中編制的PLC控制程序，采用模塊化結(jié)構(gòu)，邏輯保護及報警功能完善，具有較大的穩(wěn)定可靠性。通過一段時間的運行證明：840D sl數(shù)控系統(tǒng)在鏜銑床的技術(shù)改造中的應(yīng)用是成功的，達到了預(yù)期的目標。