許 建 劉明陽

（哈爾濱電動機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040）

我公司的一臺俄羅斯φ160 mm數(shù)控鏜銑床，原西門子810M數(shù)控系統(tǒng)嚴(yán)重老化，故障率高，維修困難，且機(jī)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(jī)加進(jìn)給齒輪箱對其進(jìn)行升級改造，旋轉(zhuǎn)工作臺B軸新增加一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)及進(jìn)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(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)，制作電氣控制柜及操作站，重新磨削導(dǎo)軌，經(jīng)過升級改造使這臺舊設(shè)備被更新。

1 機(jī)床控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

機(jī)床配置的840D sl數(shù)控系統(tǒng)采用NCU710．2模塊，TCU及OP010C操作顯示單元，MCP 483 PN機(jī)床控制面板可以擴(kuò)展連接手持單元和手輪，NX15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(jī)，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(kuò)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(jī)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(jī)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(jī)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(dǎo)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(jī)架或機(jī)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(jī)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(jìn)行NCK和PLC總清。操作步驟如下:

（1）NCK開機(jī)調(diào)試開關(guān)（左）轉(zhuǎn)到位置“1”;PLC運(yùn)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(jìn)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(yùn)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“0”。

（6）正常啟動后，NCU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(jìn)行一次啟動，PLC和NCU處于循環(huán)運(yùn)行模式下，總清結(jié)束。

2．2 調(diào)試接口的連接

計算機(jī)連接到NCU的X127或X120以太網(wǎng)口進(jìn)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(jī)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(jī)STEP7中安裝840D sl的Toolbox和PROFIBUS部件的GSD文件，創(chuàng)建PLC項目，配置 NCU的 X126口為DP1;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?fù)制到SIMATIC 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 Yes 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(jìn)行修改，組態(tài)修改完成后，可以將程序進(jìn)行傳輸。

PLC程序設(shè)計采用模塊化編程，將機(jī)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(jī)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(jìn)行實(shí)際修改。以上步驟完成后，試驗三相油泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向及調(diào)整油壓，可以運(yùn)行各軸。運(yùn)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(hù)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(jī)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(jī)械擋位，在主軸箱內(nèi)安裝有4個檔位確認(rèn)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(jī)是否處于停止?fàn)顟B(tài)，在6RA27主軸驅(qū)動系統(tǒng)上有主軸電動機(jī)零速Nmin信號，只有在主軸電動機(jī)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(dāng)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(yùn)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(diǎn)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(jìn)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 sp1或更高版本for PC/PG。

在計算機(jī)上安裝starter軟件:先安裝STEP 7后，再安裝starter，安裝SSP SINUMERIK SINAMICS IntV2．6 SP2補(bǔ)丁。

啟動 Starter通過 NCU中的 X127網(wǎng)口與 SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)機(jī):

啟動Starter，建立新項目。

選擇節(jié)點(diǎn)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。

上載項目文件“l(fā)oad to PG”，保存并編譯。

用Starter軟件可以在線調(diào)試S120進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

系統(tǒng)開機(jī)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(jī)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(dāng)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?fù)渥R別，供電模塊配置，做不帶DRIVE－CLiQ西門子標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)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(fù)位、重新上電。

驅(qū)動優(yōu)化:當(dāng)使用上述缺省設(shè)定不能滿足要求時，需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。順序是先利用測試（Measurement）和跟蹤（Servo Trace）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/1FT電動機(jī)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(jìn)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(jìn)行各種不同的測試，從而全面地了解優(yōu)化對象的特征，進(jìn)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。

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(yùn)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(jī)床穩(wěn)定地運(yùn)行。軸的位置增益是反映位置環(huán)中對軸運(yùn)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(yùn)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(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)置

NC開機(jī)調(diào)試，設(shè)定的NC參數(shù)包括設(shè)置控制參數(shù)、機(jī)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(jī)床數(shù)據(jù)，通用MD。按通道MD，將10000號參數(shù)（機(jī)床軸名稱）依次設(shè)定為X1、Y1、Z1、W1、SP1、B1。10001 號參數(shù)（軸參數(shù)）依次修改為AX1、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X11、Y11、Z11、W、C、B。20070 號參數(shù)（通道中有效的機(jī)床軸號）依次改為 1、2、3、4、5、6。以上參數(shù)為對機(jī)床軸名進(jìn)行配置。

2．5．2 軸MD的配置

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

30300:旋轉(zhuǎn)軸/主軸。將主軸和B軸該參數(shù)設(shè)定為1。

30310:旋轉(zhuǎn)軸/主軸的模數(shù)轉(zhuǎn)換。將主軸和B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。

35000:設(shè)定主軸到機(jī)床軸。主軸設(shè)定為1。

35010:有幾個齒輪級。主軸設(shè)定為1，代表主軸可以換擋。

35020: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。

35090:齒輪級的速度。主軸各檔位的速度。

31030:絲杠螺距。

31050:負(fù)載變速箱分母。

31060:負(fù)載變速箱分子。以上3個參數(shù)共同組成軸的傳動比。

32200: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(jī)械要求高）。

32000:最大軸速率。軸的最高速度，G00速度。

32010:JOG模式下的快速速率。手動模式下的高速速度。

32020:JOG模式下的點(diǎn)動速率。手動模式下的正常速度。

32300:軸的加速度。

35100:最大主軸速度。

35110: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。

35120: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。

35140: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(diǎn)車速度，設(shè)定為5。

30110:設(shè)定輸出值軸模塊號，軸設(shè)定值來源于哪塊控制板。

30220:編碼器的模塊號。編碼器信號反饋到哪塊控制板。（反饋實(shí)際值接口與軸對應(yīng)）。

30200:編碼器的數(shù)量。當(dāng)只有電動機(jī)編碼器的時候（半閉環(huán)模式）設(shè)定為1，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。

30230:選擇反饋接口，30230［0］=1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 DBX1．5=1/DBX1．6=1。

30240:編碼器類型。=0為虛擬軸;=1為增量1 Vpp信號;=4為絕對值編碼器。

31020: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。

31000:直線標(biāo)尺。將所有有直線光柵尺的軸［1］設(shè)1。

31010:直線標(biāo)尺的分割點(diǎn)。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。

31040:編碼器直接安裝在機(jī)床上。將主軸和B軸的［1］設(shè)1。

32100:運(yùn)動方向（不是反饋極性）。機(jī)床的運(yùn)行方向，如某一軸運(yùn)轉(zhuǎn)方向反了，將其設(shè)定為－1。

32110: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－1。

34000:軸帶參考點(diǎn)凸輪。沒有原點(diǎn)撞塊的軸及更改為任意回原點(diǎn)的軸可以設(shè)定為0。

34020:回參考點(diǎn)速率。從負(fù)方向到原點(diǎn)撞塊的速度;主軸及B軸為從任意點(diǎn)到找到原點(diǎn)信號的速度。建議設(shè)定為31020的值。

34040:蠕動速度。主軸，B軸設(shè)定為參考點(diǎn)定位速度的一半即可。

34050:參考點(diǎn)定位速度。從原點(diǎn)撞塊反車到達(dá)原點(diǎn)位置的速度;主軸及B軸為從原點(diǎn)信號到實(shí)際原點(diǎn)位置的速度。建議設(shè)定為31020的一半。

34060:到原點(diǎn)標(biāo)記的最大位移。建議直線軸設(shè)定為85，方便修改任意點(diǎn)回原點(diǎn);旋轉(zhuǎn)軸設(shè)定為360。

34090:參考點(diǎn)偏移。旋轉(zhuǎn)軸以及任意點(diǎn)方式回原點(diǎn)的軸需要設(shè)定。

36100:第一負(fù)向軟限位。負(fù)向軟限位，回原點(diǎn)后生效。

36110:第一正向軟限位。正向軟限位，回原點(diǎn)后生效。

32450:反向間隙。該參數(shù)輸入后需要重新回原點(diǎn)才可以生效，全閉環(huán)的軸在［0］中輸入的數(shù)值無效（如機(jī)械開環(huán)間隙大，想要電氣補(bǔ)數(shù)，補(bǔ)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(jìn)入調(diào)試區(qū)域，按擴(kuò)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↓”，輸入口令（Password）:SUNRISE，OK，Backup/Restore:a disk imag，Next，選Backup，從硬盤映像到目標(biāo)U盤。當(dāng)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(fù)硬盤，選Restore，從U盤映像到目標(biāo)硬盤。

2．7 制作用戶報警文本

在計算機(jī)上編寫報警文本，從/Siemens/sinumerik/hmi/tempplat/lng目錄下拷貝名為“oem_alarm_deu．ts”的文件到計算機(jī)上（借助WinSCP或者用U盤），改名為“oem_alarm_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/hmi/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(jī)是調(diào)試SINUMERIK 840D sl必不可少的工具。計算機(jī)安裝的軟件包括STEP7 SW5．4 sp4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(jī)上顯示HMI操作界面，STARTER版本4．1．5以上用于 SINAMICS S120驅(qū)動調(diào)試，840Dsl工具盤安裝在STEP7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(jī)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。

可以通過PC/PG上的WinSCP安裝CNC軟件:

（1）U盤啟動“NCU維修系統(tǒng)”，復(fù)制Toolbox中的Toolbox:sw_2．6_hf4exp_31a10c_hmi_02060004．tgz系統(tǒng)軟件到U盤，U盤插入NCU的X125口。

（2）計算機(jī)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 Name: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(jìn)給軸，改造后可以四軸聯(lián)動，技術(shù)是先進(jìn)的，西門子840D sl功能齊全，接口信號復(fù)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(hù)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(yùn)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(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。