SINUMERIK 840D sl数控和电气系统在镗铣床技术改造中的应用

许 建 刘明阳

（哈尔滨电动机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

我公司的一台俄罗斯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B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OP010C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，NX15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“0”。

（6）正常启动后，NCU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STEP7中安装840D sl的Toolbox和PROFIBUS部件的GSD文件，创建PLC项目，配置 NCU的 X126口为DP1;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 sp1或更高版本for PC/PG。

在计算机上安装starter软件:先安装STEP 7后，再安装starter，安装SSP SINUMERIK SINAMICS IntV2．6 SP2补丁。

启动 Starter通过 NCU中的 X127网口与 SINAMICS S120驱动系统联机:

启动Starter，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Starter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 Trace）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/1FT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。

手动设置各轴的增益和加速度参数时，在不振荡的条件下，尽量增大增益系数，增加伺服系统的刚度，减小跟随误差而提高定位精度;尽量增大加速度，以保证闭环控制的惯性环节和加速特性相匹配，尽量增加增益和加速度可以有效地解决低速爬行问题。正确调整3个闭环控制环节中的增益与加速度的比例关系，使位置、速度、电流环在闭环控制中既能快速响应又无过度超调，高速平稳运行而不振荡。解决好闭环反馈系统的偏差和扰动问题，使机床稳定地运行。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。在圆度测试时，尽量保证联动两轴的跟随误差相同以保证圆度。

2．5 NC机床数据设置

NC开机调试，设定的NC参数包括设置控制参数、机械传动参数、速度参数等。

2．5．1 通用及通道MD的配置

依次按菜单，调试，机床数据，通用MD。按通道MD，将10000号参数（机床轴名称）依次设定为X1、Y1、Z1、W1、SP1、B1。10001 号参数（轴参数）依次修改为AX1、AX2、AX3、AX4、AX5、AX6。将 20060 号参数（定义哪几个通道轴为几何轴）依次改为X、Y、Z。20050号参数（定义几何轴轴名称）依次改为1，2，3。20080号参数（通道中的通道轴名称）依次改为X11、Y11、Z11、W、C、B。20070 号参数（通道中有效的机床轴号）依次改为 1、2、3、4、5、6。以上参数为对机床轴名进行配置。

2．5．2 轴MD的配置

依次按菜单，调试，机床数据，轴MD。分别对各轴的以下参数进行设定。

30300:旋转轴/主轴。将主轴和B轴该参数设定为1。

30310:旋转轴/主轴的模数转换。将主轴和B轴该参数设定为1。

30320:旋转轴和主轴的系数360°（显示模态）。将主轴和B轴该参数设定为1。

35000:设定主轴到机床轴。主轴设定为1。

35010:有几个齿轮级。主轴设定为1，代表主轴可以换挡。

35020:定义主轴工作模式。0～3:0为速度模式，1为定位模式（检测位置），3为轴模式。

35090:齿轮级的速度。主轴各档位的速度。

31030:丝杠螺距。

31050:负载变速箱分母。

31060:负载变速箱分子。以上3个参数共同组成轴的传动比。

32200:位置环增益系数。该参数除B轴外最小不能小于0.3，建议设定为0.5（对机械要求高）。

32000:最大轴速率。轴的最高速度，G00速度。

32010:JOG模式下的快速速率。手动模式下的高速速度。

32020:JOG模式下的点动速率。手动模式下的正常速度。

32300:轴的加速度。

35100:最大主轴速度。

35110:齿轮换挡的最大速度。执行M40时，主轴各档位对应的最大速度。

35120:齿轮换挡的最小速度。执行M40时，主轴各档位对应的最小速度。

35130:齿轮级的最大速度。主轴各档位的最大速度。

35140:齿轮级的最小速度。主轴各档位的最小速度。

35400:摆动速度。主轴换档时的点车速度，设定为5。

30110:设定输出值轴模块号，轴设定值来源于哪块控制板。

30220:编码器的模块号。编码器信号反馈到哪块控制板。（反馈实际值接口与轴对应）。

30200:编码器的数量。当只有电动机编码器的时候（半闭环模式）设定为1，有闭环测量系统的时候（全闭环模式）设定为2。首次上电可以先设置为1，挂闭环的时候再修改。

30230:选择反馈接口，30230［0］=1选第一测量系统/30230［1］=1选第二测量系统。对应Profidrive Message Fram中报文Telegram 103:1（=G1_2SM）/2（=G2_2SM）。对应 PLC 中 DBX1．5=1/DBX1．6=1。

30240:编码器类型。=0为虚拟轴;=1为增量1 Vpp信号;=4为绝对值编码器。

31020:每转的编码器线数。与编码器有关，将主轴的［1］设1024，B轴的［1］设36000。

31000:直线标尺。将所有有直线光栅尺的轴［1］设1。

31010:直线标尺的分割点。所有有直线光栅尺的轴［1］需要设定，数值与光栅尺有关，安装海德汉直线光栅尺的轴［1］设0．04。

31040:编码器直接安装在机床上。将主轴和B轴的［1］设1。

32100:运动方向（不是反馈极性）。机床的运行方向，如某一轴运转方向反了，将其设定为－1。

32110:反馈极性。编码器的反馈极性，如某一轴反馈极性反了，将其设定为－1。

34000:轴带参考点凸轮。没有原点撞块的轴及更改为任意回原点的轴可以设定为0。

34020:回参考点速率。从负方向到原点撞块的速度;主轴及B轴为从任意点到找到原点信号的速度。建议设定为31020的值。

34040:蠕动速度。主轴，B轴设定为参考点定位速度的一半即可。

34050:参考点定位速度。从原点撞块反车到达原点位置的速度;主轴及B轴为从原点信号到实际原点位置的速度。建议设定为31020的一半。

34060:到原点标记的最大位移。建议直线轴设定为85，方便修改任意点回原点;旋转轴设定为360。

34090:参考点偏移。旋转轴以及任意点方式回原点的轴需要设定。

36100:第一负向软限位。负向软限位，回原点后生效。

36110:第一正向软限位。正向软限位，回原点后生效。

32450:反向间隙。该参数输入后需要重新回原点才可以生效，全闭环的轴在［0］中输入的数值无效（如机械开环间隙大，想要电气补数，补完后对闭环是否爬行没有影响）。

2．6 数据备份

SINUMERIK 840D sl数据备份与回装。依次进入调试区域，按扩展键，按批量调试软键，可以选择:建立批量调试;PLC硬件升级文档;读取批量调试;建立原始文档;读取原始文档。

在Windows界面支持USB盘后，利用Ghost软件备份克隆硬盘到USB盘。在系统启动过程中，出现SINUMERIK时，按“向下键↓”，输入口令（Password）:SUNRISE，OK，Backup/Restore:a disk imag，Next，选Backup，从硬盘映像到目标U盘。当硬盘损坏时，用USB做的紧急启动盘去启动系统，用克隆硬盘的USB盘的映像文件恢复硬盘，选Restore，从U盘映像到目标硬盘。

2．7 制作用户报警文本

在计算机上编写报警文本，从/Siemens/sinumerik/hmi/tempplat/lng目录下拷贝名为“oem_alarm_deu．ts”的文件到计算机上（借助WinSCP或者用U盘），改名为“oem_alarm_chs．ts”。打开文件添加中文报警文本，将编辑好的文件拷贝到系统/user/sinumerik/hmi/lng目录下，让HMI重新上电。

3 系统软件的安装

一台个人计算机是调试SINUMERIK 840D sl必不可少的工具。计算机安装的软件包括STEP7 SW5．4 sp4及以上版本，用于 PLC编程。WinSCP软件:在840D sl系统的CF卡上用Winscp可以重新安装或升级CNC系统软件，Winscp与NCU通讯可以拷贝用户报警文本等文件，Vncviewer可以在计算机上显示HMI操作界面，STARTER版本4．1．5以上用于 SINAMICS S120驱动调试，840Dsl工具盘安装在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驱动调试，计算机以太网接口用RJ45以太网交叉电缆与NCU单元的X127以太网口连接。

可以通过PC/PG上的WinSCP安装CNC软件:

（1）U盘启动“NCU维修系统”，复制Toolbox中的Toolbox:sw_2．6_hf4exp_31a10c_hmi_02060004．tgz系统软件到U盘，U盘插入NCU的X125口。

（2）计算机连接至 NCU X127网口，自动获得NCU IP地址，并启动WinSCP，为登陆NCU系统必须设定 Host Name:192．168．215．1;User Name:manuface（小写）;Password:SUNRISE（大写）。

（3）WinSCP终端窗口执行:sc restore－full/data/exp_31a10c_hmi_02060004．tgz

（4）等待“Syncing disk．．done”。安装完毕。

（5）系统上电，总清，安装完成。

4 结语

φ160 mm数控镗铣床有一个主轴和五个进给轴，改造后可以四轴联动，技术是先进的，西门子840D sl功能齐全，接口信号复杂，开发应用难度大，技术改造中编制的PLC控制程序，采用模块化结构，逻辑保护及报警功能完善，具有较大的稳定可靠性。通过一段时间的运行证明:840D sl数控系统在镗铣床的技术改造中的应用是成功的，达到了预期的目标。