西门子802D数控系统在机床数控技术改造中的应用

1 前言

　　西门子802D数控系统是西门子公司新推出的经济型数控系统，性价比较高，广泛应用于中小型数控机床的装配，同时也适用于中小型机床的数控技术改造，具有广泛的应用前景。它的车床版本标准配置中带一块PP72/48模板，可以实现72个输入点和48个输出点，同时驱动模块为一个双轴功率模块，可以带两个线形轴和一个主轴，在伺服电动机中内置了速度反馈和位置反馈传感器，可以和主机一起形成一个半闭环控制系统。现以我公司CAK63小卧车为实例，阐述西门子802D数控系统和其相关设备与部件在机床数控技术改造中的应用。

2 设计与安装调试

　　CAK63小卧车是我公司1990年代初引进的由北京机床研究所早期自行开发的BS一03A简易数控系统，配置BESK—SERVOFMw直流伺服电机及其驱动装置。原来X、Y轴配置直流伺服电机及其驱动放大器，机械传动采用了定比齿轮箱和滚珠丝杠，传动精度高，具备改造条件。但是该机床的主轴采用的是普通三相电机，由手动机械变档来控制转速，同时主轴电机携带一个润滑泵，对主轴齿轮箱进行润滑，主轴转速范围为10～1400 r/min。据此，决定采用西门子802D数控系统配置611UE伺服放大器，更换原有的伺服装置，并配套选用西门子1FK7电机；主轴采用西门子MASTER 440变频器对其实施控制。611 UE伺服放大器双轴模块可以携带两个进给轴和一个模拟主轴，主轴可由CNc发出指令，能够执行M03、M04指令，并且由于安装了带有直接编码器的模拟量主轴，可以实现每转进给量G94和G33等功能，是比较经济的选型。

　　2.1 西门子802D数控系统的安装调试

　　SINuMERIK 802D是基于PROFIBUS总线的数控系统，输入输出信号是通过PROFIBus传送的，位置调节(速度给定和位置反馈信号)也是通过PROFIBus完成的。PCu作为PROFIBus的主设备，每个PROFIBus从设备都具有自己的总线地址，因而从设备在PROFIBUS总线上的排列次序是任意的。通过PROFIBuS接口连接的PP72/48的总线地址由模块上的地址开关sl设定。第一块PP72/48的总线地址为“9”，如果选配第二块PP72/48，其总线地址为“8”。611uE的总线地址可利用工具软件SimoCom U设定，也可通过611UE上的输入键设定。SIMODRIVE 61luE配备PROFIBUs接口模块用于速度环和电流环控制。SINUMERIK 802D数控系统还提供用于车床、铣床的标准机床控制面板(MCP)。在标准MCP上提供了6个用户自定义键，并且McP上的每一个键都有固定的地址，可以通过PLC对其编程，所以用户也可以根据自己的需要来设计与定义机床操作面板。

　　2.2 PLC的设计与调试

　　根据机床的实际特点，在此次改造中增加了主轴箱油泵电机、导轨润滑的电子泵，更换了冷却泵和电机、刀架电机。其中油泵电机、冷却电机和刀架电机均采集其控制的辅助触点用于逻辑控制。充分考虑到机床的限位、急停以及主轴与进给轴之间的重要连锁，将机床的所有输入与输出信号分别通过DP72/48采集到PLC内进行控制。在PLC程序方面，通过对机床电气原理的分析，编写正确的PLC程序，如：润滑控制、冷却控制、换刀控制等来对机床进行逻辑控制。由于西门子公司在SINUMERIK802D数控系统中提供了一个标准的车床程序，所以用户也可以使用西门子公司提供的标准程序加以改进，来达到对机床的逻辑控制。

　　在调试PLC用户程序时我们需做以下的工作：

　　(1)首先利用准备好的802D调试电缆将计算机和802D的COMl端口连接。

　　(2)802D必须进入联机方式：系统-PLC-STEP7连接→设定通讯参数→选择“连接开启”；

　　(3)启动PLc编程工具，进入通讯画面，设定通讯参数；

　　(4)拥有一个编辑无误的PLc应用程序，利用编程工具软件将该应用下载到802D中；下载成功后，需要启动PLC应用程序。

　　在经过各个进给轴和主轴的调试后，运行PLC程序满足车床所要求的具体功能，同时根据操作人员的需要，将机床照明、润滑、换刀等功能定义在6个西门子所提供的自定义键上。

　　2.3 西门子MASTER 440变频器的安装调试

MICROMASTER 440变频器适用于各种变速驱动应用场合，其灵活性提供了广泛的应用可能。MICROMAsTER 440变频器采用模块化设计，操作面板和PROFIBUS模块能够安装和固定于其上，同时采取了最新的ICBT技术，是一个高质量、易操作的矢量控制器。磁通电流控制FCC改善动态响应，并且优化电机控制。在本次改造中主要实施对主轴电机的矢量控制。通过PROFIBUS模块与CNC和驱动装置进行通讯，来完成对其的控制。利用611UE提供的模拟接口75.A和15端子对变频器MICROMAsTER 440进行控制，同时通过设计PLC程序切断或接通变频器。

　　2.4 机床伺服系统的安装调试

　　此机床采用SIMODRIvE 611 UE驱动装置和带有编码器的1FK7伺服电机作为驱动进给系统。数控机床的性能很大程度上取决于伺服驱动系统和位置控制系统的性能，如机床的最高运行速度、跟踪精度、定位进度、重复定位进度等重要指标均取决于伺服驱动系统及位置控制系统的动态和静态特性。伺服驱动系统由电机和速度控制单元组成，它可以任意调节速度并且提供切削过程所需的转矩和功率。位置闭环控制系统需要位置反馈检测元件，它是基于反馈控制原理工作的。在PLC应用程序调试正确无误后，利用准备好的驱动器调试电缆将计算机与611UE的X47l连接，调试过程中，当驱动器上电后，在611UE的液晶窗口显示：“A1106”表示没有驱动数据；彤F红灯亮；总线接口模块上的红灯亮，在启动驱动器调试工具SimoComu后，选择联机方式，接着配置电机参数，如：命名轴名，输入PROFIBus总线地址，设定电机型号，电机测量元件的设定，直接测量系统的设定，存储参数。这时611UE的R屑红灯灭；液晶窗口显示：“A0831”一表示总线数据通讯；总线接口模块上的红灯亮。

　　2.5 802D的基本参数设定

　　总线配置：PROFIBUS的配置通过参数MD11240来确定，在这里MD11240=4，该参数生效后，611UE液晶窗口显示：“A832”(总线无同步信号)；6lluE总线接口插件上的指示灯变为绿色。

　　驱动器模块定位MD30110，MD30220。

　　位置控制使能MD30130，MD30240，该参数生效后，611UE液晶窗口显示：“RUN”。传动系统参数配比MD31030，MD31050，MD31060。返回参考点相关的机床数据等等。

3 所实现的数控机床的基本功能

　　(1)回参考点功能

　　数控系统通电后，将操作方式选择到“返回参考点”，然后操作进给轴启动按钮。此时，机床自动寻找参考点。

　　(2)AUT0(自动加工)方式

要想在AuT0方式下使用程序，先进人‘PROGRAM’软键，找到所需要的程序，装载程序，按程序启动按钮，程序运转。‘PROGRAM’软键中的程序可以自己在编辑状态下编辑，然后存储；也可以用个人电脑先编辑好程序，然后通过串口传人数控系统中。

　　(3)增量点动功能

可以设定1、10、100μm等方式。只需要按一下方向键，对应的轴就移动所设定的增量。另外，该机床增加的手摇脉冲发生器，对操作带来了极大的方便。

　　(4)MDA(手动数据输入/自动加工)方式

　　操作人员能在Nc控制下单程序段的运行，可以通过键盘直接输入程序。

　　(5)设定实际值功能

　　操作人员可将零点偏置的数据输入到实际值存储器中进行预设。此功能对刀具补偿尤其重要，操作人员在设定实际值之前应先输入刀具补偿数据(半径、长度等)，包括刀号、补偿方向和刀具类型等。

4 改造后的实用价值和经济价值

　　此次小卧车的数控技术改造方案是以机床的实际情况为基础，综合考虑了机床的性能与相关的技术指标，应用的数控系统为当前的主流产品。经过机械方面的调整，消除了原有机床存在的齿轮间隙较大的缺点，同时将原来简易数控卧车实现了真正意义上的数字控制。机床改造后通过一段时间的运行，证明此次改造是成功的，选型是正确的。机床改造后运行效益十分明显。精度高、速度快，解决了大批量小工件的加工制造问题，为我公司创造了很大的经济效益。