西门子SINUMERIK 840D sl数控和电气系统在镗铣床技术改造中的应用

　　一台俄罗斯Φ160 mm数控镗铣床，原西门子810M数控系统严重老化，故障率高，维修困难，且机械精度较差。为满足生产要求，采用SINuMERIK 840D sl新型数控系统和sINAMIcs S120伺服系统及交流伺服电动机加进给齿轮箱对其进行升级改造，旋转工作台日轴新增加一套伺服驱动系统及进给齿轮箱，增加圆光栅编码器构成全闭环控制，3个直线X、Y、W轴采用海德汉光栅尺作位置测量与系统连接构成全闭环控制，直线z轴采用在丝杠端部安装的海德汉编码器作位置测量构成全闭环控制，保留原主轴电动机和驱动系统，制作电气控制柜及操作站，重新磨削导轨，经过升级改造使这台旧设备被更新。

1 机床控制系统硬件构成

　　机床配置的840D sl数控系统采用NCU710.2模块，TCU及0P010C操作显示单元，MCP 483 PN机床控制面板可以扩展连接手持单元和手轮，NXl5轴位置反馈检测模块，驱动采用具有DRIVE—CliQ接口的SINAMICS S120驱动，采用sIEMENS 1FT6型交流伺服电动机，以上各单元都是由以太网连接的。由ADI4发出主轴模拟指令，PLC选用ET200扩展输入输出单元，通过ProfiBus现场总线与系统连接。

　　送电前必须对照原理图保证机床电柜内部及外部的连线正确，特别是高压电与低压电不允许接错；对于系统部分，需注意系统的电动机反馈线和闭环反馈线是否连接正确。电柜外部连线需注意：三相交流回路中各相之间不能短路；电动机动力线不允许对地且三相电阻应平衡；应避免24 V信号线直接对地短路；输入部分是否全部正常(如限位是否导通)；电磁阀、离合器等输出部分的电阻是否正常；各元件的接地部分是否连接良好，确保信号电缆屏蔽两端都与机架或机壳连接。

2 数控系统软件调试

　　840D sl数控系统调试大概可分成以下几个方面：

　　系统正确连接后首次上电总清；调试接口的连接；PLC调试；Ncu内集成SINAMICS s120驱动调试；NC机床数据的设定；数据备份；制作用户报警文本等。

　　2.1 系统正确连接后首次上电总清

　　首次接通和启动NcU单元必须进行NCK和PLC总清。操作步骤如下：

　　(1)NcK开机调试开关(左)转到位置“1”；PLC运行方式开关(右)转到位置“3”。
　　(2)执行上电(接通控制系统)。
　　(3)等待，直到NCU持续进行下列显示：LED STOP闪烁，LED SF亮起。
　　(4)在下列开关位置上依次旋转PLC运行方式开关：短时转动到位置“2—3—2”此动作必须在3 s内完成，首先LED sTOP灯约2 Hz频率闪烁，等待LED STOP亮起。
　　(5)转动NCK和PLC开关返回到位置“O”。
　　(6)正常启动后，NXU状态显示屏上输出数字“6”和右下角一个闪烁的灯LED RUN持续亮起呈绿色。
　　(7)重新进行一次启动，PLC和NCU处于循环运行模式下，总清结束。

　　2.2 调试接口的连接

　　计算机连接到NCU的x127或x120以太网口进行调试工作，CP 840D sl的IP地址设置：x127为192.168.215.1；x120为192.168.214.1。若连接到NCU的X127以太网口，计算机可设置自动获得IP地址。

　　2.3 PLC调试

　　调试840D sl必须要做硬件配置。在计算机STEIy7中安装840D s1的T00lbox和PROFIBUS部件的GSD文件，创建PLC项目，配置NCU的X126口为DPI；X136口为DP2/MPI；PROFIBUS3是NC系统与SINAMICS S120驱动通讯的总线；设置CP的IP地址，在硬件配置中双击CP840D sl，内部PROFIBUS CP子网ID号与840D sl X127(IP address：192.168.215.1，Subnet mask：255.255.255.244)相对一致，PLC程序用X127口才可以在线监控。在PROFIBUS3上配置Nx板硬件，如果NX板连接到Ncu710．2的x105口上，则做STEP7硬件配置时，该Nx板的站地址必须设为15。

　　将安装有STEP 7的笔记本与840D sl系统通过网线连接后，打开sTEP7，建立新项目。将需要传输的程序复制到sIMATIc 300(1)\PLc(型号与具体PLC有关)\S7 Program(1)\Blocks中，然后选择PLC，按上方的Download键将程序传输至PLc中；反之也可以选择PLC，upload Station to PG，在弹出的对话框中按下VIEW，再按OK，有需要覆盖的地方Yes To All，上载后，打开SIMATIC 300(1)中的Hardware，查看系统ET200组态与图纸上的地址是否一致，不一致的话进行修改，组态修改完成后，可以将程序进行传输。PLC程序设计采用模块化编程，将机床启动条件、驱动使能信号处理、轴控制、辅助功能、报警信息等系统及机床功能编制成不同的模块。模块化编程使程序结构合理、层次清晰，方便阅读查找。打开程序中的模块，根据图纸进行实际修改。以上步骤完成后，试验三相油泵电动机的转动方向及调整油压，可以运行各轴。运行时注意多观察菜单、诊断、服务显示里面的选项。电气需要验证各直线轴行程限位、主轴换档、急停保护功能等是否正常。由数控指令自动控制各轴的液压夹紧松开功能，编有辅助代码M20～M27等。

　　主轴换挡的控制过程：主轴换挡机构由4个电磁阀控制2个油缸，分别推动4个齿轮组左右移动变换齿轮改变速比，产生4个机械挡位，在主轴箱内安装有4个档位确认开关。主轴换挡的控制过程是接受到换挡命令，先检查主轴电动机是否处于停止状态，在6RA27主轴驱动系统上有主轴电动机零速Nmin信号，只有在主轴电动机停止时，才允许主轴变挡。辅助代码M41～M44为主轴变一档至四档，通过S代码指定主轴转速档位，接受换挡命令后与“当前档位”信号比较，如果不同，启动换挡有效信号，推动相应的换挡电磁阀推动相应的齿轮运动，系统指令设置摆动频率，使齿轮在摆动中啮合，检测相应的档位开关是否啮合到位，同时点亮相应档位指示灯，说明换挡完成。

　　2.4 NCU内集成SINAMICS S120驱动调试

　　SINAMICS s120是西门子公司新一代驱动系统。s120驱动系统采用了西门子最先进的硬件技术、软件技术以及通讯技术；采用高速DRIVE—CLiQ驱动接口；驱动系统各部件具有电子铭牌；系统可以自动识别所配置的驱动系统；具有更高的控制精度和动态控制特性；具有更高的可靠性。

　　安装驱动调试软件：IBN—Tool sw7．6 spl或更高版本for PC／PG。

　　在计算机上安装staner软件：先安装sTEP 7后，再安装starter，安装SSP sINuMERIK sINAMIcs Intv2．6 SP2补丁。

　　启动Staner通过NCU中的x127网口与SINAMICS S120驱动系统联机：
　　启动Staner，建立新项目。
　　选择节点设置(Accessible Nodes)，设置调试接口IP地址。若用x127，则IP地址为：192．168．215．1
　　刷新(updata)，选择驱动，接受(Accept)。
　　选择驱动单元，选择在线。
　　上载项目文件“load to PG”，保存并编译。
　　用Staner软件可以在线调试S120进给伺服驱动系统。

　　系统开机后自动检测驱动部件的固件(前提条件必须先做PLC硬件配置)，保证驱动系统的固件与驱动控制系统(840D sl系统内置)完全一致。

　　驱动器及电动机参数自动配置，系统初次调试必须作驱动系统出厂设置。选择调试，驱动系统，选择出厂设置包括三个选项：当前驱动对象、驱动设备、驱动系统，驱动系统保存数据，NCK reset。

　　驱动系统的拓扑识别，供电模块配置，做不带DRIVE—CLiQ西门子标准电动机配置，做第二编码器配置，驱动逻辑号分配，NCU X122／X132端子信号分配，PLC程序控制驱动系统上电时序。保存数据后，NCK复位、重新上电。

　　驱动优化：当使用上述缺省设定不能满足要求时，需要进行优化调整。顺序是先利用测试(Measurement)和跟踪(Servo rIIrace)优化单个轴，再利用圆度测试(circularity Test)协调轴之间的关系，最后才是通道以及系统的调整。

　　优化单个轴的顺序：电流环(可选，1FK／1Fr电动机没必要做)；速度环；位置环以及跟踪。

　　优化的方法：可用SINUMERIK HMI—Advanced软件来优化；或用SINUMERIK Operate软件进行优化。

　　使用sINuMERIK HMI—Advanced软件优化的方法主要用于手动优化，需要进行各种不同的测试，从而全面地了解优化对象的特征，进行有针对性的手动调整。测试时的顺序为：选定测试类型(如：参考频率响应)；设定合适的测试参数(如：幅值、频宽等)；启动测试；在显示中观察结果。测试的种类有参考频率响应、阶跃响应以及扰动响应等，分别用于电流环、速度环、位置环，另外还有圆度测试、伺服跟踪等。NC机床数据设置