西门子数控系统在机床五轴联动技术改造中的应用

许 建 安 毅 侯宇峰 刘明阳

（哈尔滨电动机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

MAHO 700C镗铣床是从德国购入的1台普通三轴联动数控机床。有5个进给轴和1个主轴，5个进给轴分别由INDRAMAT伺服控制，位置环采用全闭环控制方式，主轴由INDRAMAT主轴驱动系统控制，采用飞利浦432数控系统。由于原数控系统控制元器件老化，整体可靠性差，故障频繁，已经无法正常使用。考虑到该机床机电功能齐全，伺服驱动及电动机等功能部件完好，刚度高、机械精度保持得较好，我们针对MAHO 700C镗铣床的结构特点，采用840Di数控系统对MAHO 700C进行五轴联动数控化改造。

1 MAHO 700C数控镗铣床的结构特点

该机床在结构上有志个闭环的进给轴、1个主轴，带有1个立卧转换的附件头。3个直线坐标轴X、Y、Z传动为:交流伺服电动机—同步齿形带—滚珠丝杠—螺母副—滑动部件。Y轴为垂直移动轴，滚珠丝杠没有自锁功能，为防止Y轴在位置开环或机床断电时工作台下落，在Y轴电动机的尾部增加了一个电磁抱闸;为防止Y轴传动同步齿形带的断裂而使工作台自由下落，在丝杠带轮旁安装了安全刹车装置。在移动轴的末端装有机械挡块和限位安全保护开关。旋转的A、B轴，有液压夹紧松开装置。主轴齿轮箱可有4个机械档位，由2台小直流电动机驱动实现换档。由液压驱动爪头来实现主轴的松、夹刀具。液压系统由电动机、液压泵、压力表、蓄能器、溢流阀、电磁换向阀、单向阀、截止阀、压力开关和油管执行元件等组成。润滑系统由中心润滑单元、润滑泵电动机、油管和分配器等组成。中心润滑单元按设定的周期泵出润滑油，为机床导轨和丝杠提供润滑。冷却液循环系统由冷却液箱、电动机、冷却液泵、管路和喷嘴组成，用来完成加工时刀具、工件的冷却。

2 数控系统的选型设计

根据该机床的结构﹑性能﹑运行状态﹑现有加工精度和特殊功能等要求，结合电缆长度﹑电动机扭矩及额定转速﹑主轴功率﹑数控系统安装空间、系统控制部件连接接口等特点，提出性能价格比较优的选型与配置方案。采用西门子SINUMERIK 840Di数控系统和S7 300可编程控制器及ADI4位控单元与原伺服系统、位置反馈元件等接口连接，原来的机床逻辑控制由西门子S7 300可编程逻辑控制器取代。

PCU50通过 PROFIBUS总线与 PLC扩展单元ET200和ADI4进行信息交换，通过PROFIBUS－DP实现I/O与驱动参数的调整，由ADi4轴卡输出模拟指令信号对伺服进行运动指令控制，ADI4可接收圆光栅编码器或光栅尺经过整型放大后的TTL信号，并与位置检测元件一起构成全闭环位置控制系统。

电控柜的设计与制造时要特别注意的是，数控系统各接口信号的特点和形式要匹配，应尽量简化强电控制线路，逻辑连锁保护由PLC完成，拆除原电气控制系统，安装新的数控及电气系统。

3 MAHO 700卧式镗铣床PLC控制程序的开发与编制

首先在计算机中用STEP7编程软件对S7 300的ET200和ADI4的硬件配置进行软件组态的设置，然后进行PLC的编程。对PLC的编程可分以下几个步骤进行:（1）分析机床的电气控制原理和结构特点。（2）理解原机床液压控制功能。（3）建立新的PLC程序框图。（4）编制新的软件和硬件接口控制程序。（5）编制新的功能块程序。

把编制好的PLC程序下载到数控系统的PCU50的PLC中去，PLC接口信号与 NC交换数据信号。PLC程序设计采用模块化编程，将机床启动条件、PLC使能信号处理、轴控制、辅助功能、A/C/Y轴自动夹紧松开功能、主轴自动换档的控制、报警信息、手持单元操作等机床控制功能编成不同的模块，模块化编程使程序结构合理、层次清晰，方便阅读查找。

4 SINUMERIK 840Di数控系统的启动和整机调试

按照设计的电气原理图进行接线，在认真检查各接口信号连接正确，电源对地无短路时，才可通电。通电后，先调整基本的机床数据，调整有关各轴数据建立全闭环控制，调试PLC程序块的各控制功能等。

4.1 NC 启动

首先安装PCU50的HMI系统软件，配置PROFIBUS－DP现场总线参数，启动数控系统，

进行840Di系统参数设定和调整:进入机床的参数设定界面，列举主要数据。

（1）进入“GENERAL”窗口（通用机床数据设定）:

MD10000 定义机床轴名称:X1、Y1、Z1、SP1、A1、B1

MD10050定义系统循环时间:0.004 s

MD10720定义默认工作方式:7

修改MD18000后面的通用机床数据时，会造成DRAM区的重新分配，致使数据丢失，应先把数据存档，重新自动分配后，再加载存储的数据。

（2）进入“CHANNEL SPECIFIC”（特别通道机床数据设定）:

MD20050定义通道中几何轴分配:1、2、3

MD20060定义通道中几何轴名称:X、Y、Z

MD20070 定义通道中通道轴编号:1、2、3、4、5、6

MD20070 定义通道中通道轴名称:X、Y、Z、SP、A、B

（3）进入“AXEX SPECIFIC”（特别轴机床数据设定）:

MD30110定义电动机轴的物理模块位置:X=1、Y=2、Z=3、SP=4、A=5、B=6

MD30130定义轴输出类型:0（0表示模拟方式）

MD30240定义测量系统的类型:X=Y=Z=A=B=SP=1（1表示增量测量系统）

MD30300定义轴是旋转轴还是直线轴:X=Y=Z=0，A=B=1（0表示直线轴）

MD31000定义直接测量元件类型:X=Y=Z=1，A=B=0（1表示光栅尺，0表示编码器）

MD31010定义光栅尺栅距:输入值要与实际值相符

MD31020定义编码器每转脉冲数:A=B=36000

MD31030定义丝杠螺距

MD31040定义测量元件直接安装在机床上设为1

MD31050和MD31060定义电动机到丝杠的减速比:输入值要与实际值相符

MD31070和MD31080定义丝杠到编码器的减速比:输入值要与实际值相符

（4）最后进入“MACHINE DATA”，设置各个轴（包括主轴）的具体参数:转速极限、最高速度、加速度、运动方向、反馈极性、位置增益、定位误差和报警极限等。

4.2 整机调试

按照MAHO 700镗铣床的数控与电气设计图纸，完成硬件连接，并将安装有SIMATIC S7 300的编程软件的计算机通过PROFIBUS－DP现场总线和SINUMERIK 840Di数控系统连接，系统可以通电调试。首先将各种机床数据、PLC机床控制程序和报警文本等信息传送到SINUMERIK 840Di数控系统，操作机床的各种基本功能，如机床控制面板的操作、急停控制、进给伺服、主轴上电顺序和使能控制、行程限位保护控制、手持单元操作控制、报警处理和回参考点控制等;另外还有外围设备的控制功能，如液压、润滑、冷却、进给轴机械夹紧放松、刀具夹紧放松和主轴换档等。

设置各个轴的具体参数时，按照不同的功能和调试的实际情况，可对数控系统的上千个参数进行修改调整。在位置控制中匹配参数使检测的脉冲当量为1 μm，设置前馈控制功能等，插补周期选为4 ms，设定加减速时间常数为1 s;在不振荡的条件下，尽量增大位置环和速度环的比例增益系数，增加伺服系统的刚度，减小跟随误差以提高定位精度。设定粗精停范围参数，设定跟随误差报警范围等参数，使机床稳定可靠地运行。

轴的位置增益是反映位置环中对轴运动位置的动态跟踪特性。轴的位置加速度是反映位置环中在轴启动到设定速度和设定速度到停止期间运动位置的加速、减速特性。轴速度能反映出机床的工作效率，速度越大，效率越高。它一般分为最大速度、手动快速度、手动速度、回零速度等。轴位置增益与加速度也是互相影响。

选用了海德汉光栅尺和圆光栅编码器，用激光干涉仪测量定位精度并作螺距误差补偿，精度超过改造前的机床。

4.3 调试中要注意的问题

（1）数控系统PLC用新增+24 V直流电压代替原110 V交流控制电压，应尽量简化外围电气连线，控制逻辑由PLC程序完成，要仔细分开强弱电。

（2）交流伺服系统直流母线上掉电要断开和接入能耗电阻，在控制程序中要加延时。

（3）机床控制面板MCP通过MPI现场总线与主机PCU50进行信息交换，通讯波特率设定为1.5 Mbs，注意总线终端电阻拨码开关MPI侧为开而PCU50侧为关。

（4）840Di数控系统与伺服驱动系统及电动机、位置检测元件等连接的接口信号要匹配并正确连接。

（5）840Di数控系统参数的设置要全面，尤其与精度有关的参数一定要仔细匹配调整后，输入数控系统，并用激光干涉仪校准精度误差，做螺距误差补偿。

（6）840Di数控系统调整的机床参数和编制的PLC控制程序应与机床在精度、结构、性能、控制功能、类型、工艺要求等方面匹配。

（7）Y轴电磁抱闸失电夹紧2 s后，伺服系统使能信号才可失电，电动机再失电，以防止工作台向下滑落。

（8）在自动方式下，主轴停止，各轴进给也必须停止，以防止撞刀。

（9）在主轴运转时，主轴换档、主轴松刀具等指令无效，以防止损坏齿轮或伤人。

5 零件程序的编制

MAHO 700镗铣床数控系统的工件加工程序是用国际标准化的ISO代码编制的，它可以利用自动编程工具软件的图形编程功能，形成ISO代码的工件加工程序或用手工编程。在五轴联动用于自由形状曲面铣削加工时，用高速设置CYCLE832指令可以调用连续路径模式G64/G641至G644指令。G64可实现预读功能，即预读速度控制可同时计算几个CNC程序段并测定模态速率，使各程序段过渡连接平顺，G641至G644可实现角度用圆弧平滑过渡功能。用高速设置CYCLE832指令可以调用前馈控制FFWON和突变限制SOFT功能，FFWON前馈控制可以使与速度相关的轮廓跟踪误差减小至几乎为零，SOFT突变限制通过温和控制提高路径的精确度。TRAORI命令用来调用第一编程方向5轴转换。如指令 CYCLE832（0.01，312101）表示:0.01=机床轴公差，312101=B样条插补，FFWON SOFT，G642，TRAORI，精加工。用转动工作面CYCLE800指令可以转动工作台的A和B轴使工作面被调整至垂直于刀具切削方向，以获得最佳切削力和表面粗糙度等优良效果。本机床除具有840Di数控系统编程手册所描述的功能代码外，还针对该机床的结构特点，通过PLC编程控制机床，使其具有如下辅助的M代码功能:

M00—程序无条件停止;M01—程序有条件停止;M02—程序执行结束;M03—主轴正转;M04—主轴反转;M05—主轴停止;M08—冷却液开;M09—冷却液关;M20—Y轴夹紧;M26—转台A轴夹紧;M28—转台C轴夹紧;M21—Y轴放松;M25—Z轴放松;M27—转台A轴放松;M29—转台C轴放松;M30—主程序结束返回;M40—主轴自动换档;M41—选择主轴第一档;M42—选择主轴第二档;M43—选择主轴第三档;M44—选择主轴第四档。

6 结语

MAHO 700C镗铣床经过改造后通过一段时间的运行证明，SINUMERIK 840Di数控系统在MAHO 700C镗铣床的数控改造中的应用是成功的，尤其是将三轴联动改造成五轴联动，改造后该机床有一个主轴和五个进给轴联动精确地进行三维的立体加工，采用五轴联动功能可以使刀具以最佳形状进行切削，在复杂形状的高速精加工中可以提高效率，减小粗糙度值，技术是先进的，具备现代先进数控机床的功能，编制的PLC逻辑控制程序采用模块化编程具有较好的应用推广价值，调整数控系统和伺服系统参数使机电匹配，达到了较高的定位精度及先进的数控控制功能，达到了预期目标。