西门子SINUMERIK802D系统在轧辊车床数控改造中的应用

1、西门子SINUMERIK 802D 数控系统在轧辊车床数控改造中的应用孙瑜摘要 数控机床和普通机床相比具有工作效率高，加工精度高，易操作，故障率底等优点。但要购买一台新的数控轧辊车床可能要耗资数百万甚至数千万元，如果利用802D系统对原有的轧辊车床进行数控改造，只需要几十万的投资。而且轧辊的加工工艺相对来说比较简单，对轧辊加工的尺寸精度要求也并不是非常苛刻，所以采用SIEMENS 的经济型数控系统SINUMERIK 802D 作为轧辊车床的数控改造系统是非常合适的。本文根据一个轧辊车床的改造实例，阐述了使用SINUMERIK 802D数控系统进行轧辊车床数控改造的方法与步骤。关键词：SINUM

2、ERIK 802D数控系统、轧辊车床、 数控改造、 数控系统调试 原CA84125D轧辊车床的基本功能描述 该车床具有一个主轴和两个独立刀架。每个刀架可以独立的进行操作。整个轧辊加工过程全都由操作人员手动进行操作。每个刀架的纵向和横向进给是由一台永直流伺服电动机驱动的，依靠六只电磁离合器来切换刀架的进给方向和机械档位，所以刀架的纵向和横向不能同时进给。主轴直流电动机速度的调整是通过调整操作面板上的可调电位器从而改变SIMOREG V57直流调速器的模拟给定来完成的。主轴速度分为三档，由两只液压缸执行换档动作，由五只限位开关来检测三档档位。车床没有测量装置，工件的加工尺寸完全由操作人员手工测量控

3、制。机床有一个液压站，主要负责给主轴浮动轴承和主轴换档液压缸供油。机床尾座的前后移动是电动的。顶针的前后移动有电动和手动两种方式。顶针的压力值由一只测力仪显示。由于该车床采用传统的接触器、继电器控制回路完成逻辑控制，所以电气柜内元件布置的十分拥挤，接线也相当复杂。一旦出现电气故障，检查处理非常困难。SINUMERIK 802D 系统描述 SINUMERIK802D是西门子公司推出的全数字化控制系统。它集成了NCK、PLC、HMI于一体，拥有易操作的人机界面。并通过PROFIBUS连接PLC I/O 模块（PP72/48）和数字驱动器（SIMODRIVE611U）。可控制4个数字进给轴和1个数字

4、或模拟主轴、10.4寸液晶显示器，中英文显示。集成了如：三坐标直线和圆弧插补、提供编程模拟及图形循环支持功能、螺纹加工、刀具补偿、丝杆螺距误差补偿、反向间隙补偿等大量CNC功能。而且该系统的故障诊断能力也很强，可以从系统获取各种信息，甚至可以在系统中以梯形图的形式打开PLC程序进行在线检查。 SINUMERIK802系列数控产品以其良好的性价比优势，在我国的普通机床数控化改造中得到了广泛的应用。 SINUMERIK 802D 数控系统的组成及功能：在下图中，可以看出802D 系统可以分为4个部分。第一部分：由SINUMERIK 802D PCU（PANEL CONTROL UNIT） 主机、电

5、子手轮、NC键盘组成的控制部分。用于实现NCK、PLC和HMI功能。802D PCU 内含软件PLC，其功能相当于SIEMENS 的SIMATIC S7-200的CPU224。第二部分：由PP72/48、端子转换器和机床控制面板组成的远程I/O部分。每一块PP72/48板有72个输入点和48个输出点。802D系统最多可以带2块PP72/48，也就是说最大输入点数为144点，最大输出点数为96点。第一块PP72/48的输入和输出点被SIEMENS提供的标准PLC子程序分配给标准机床控制面板作为机床操作开关信号的输入和操作状态指示信号的输出。第二块PP72/48的输入输出点才可以被用户在用户自编的

6、PLC程序中自由定义。第三部分：由SIMODRIVE 611的馈电模块、功率模块、闭环控制板和永磁同步伺服电动机组成的伺服驱动部分。SIMODRIVE 611变频系统是一种模紧凑型的块组合式交直交变频系统。由馈电模块将电网的交流电源整流为600V的直流电，并送出到直流总线上。功率模块再将直流总线上的直流电逆变后驱动伺服电动机。在伺服电动机的尾部内装了一只旋转编码器。该编码器用于提供伺服电动机转子转角信号和速度信号。第四部分：由PROFIBUS接口和PROFIBUS电缆组成的PROFIBUS网络。PROFIBUS 总线网络将以上三个部分连接起来，使整个系统成为一个高速的协调工作的整体。它的数据传

7、输率最高可以达到12MBaud。 SINUMERIK 802D系统部件连接图数控改造的系统配置1 一套802D PCU 、电子手轮和NC 键盘组合。2 两块PP72/48模板和一个标准车床控制面板。3 一个25KW 的SIMODRIVE 611馈电模块。4 一个2*50A的双轴功率模块（它拥有两个相对独立的控制通道，通道A和通道B）。5 一块支持PROFIBUS总线的611UE双轴闭环控制板。6 两台SIEMENS 1FK6103-8AF71-1AG0伺服电动机18.5NM、3000r/min 电机内置旋转编码器。7 保留原来的功率为55KW，转速为400/1200 r/min的主轴直流电动机

8、。8 将主轴直流调速器改为SIEMENS SIMOREG K DC 6RA2475-6DV62-0其额定输出为84KW。9 一只用于主轴位置检测的1024ppr TTL 增量旋转编码器。10 一只用于主轴电动机速度反馈的22W 110V 2000r/min 测速发电机。系统调试的方法与步骤 由于篇幅所限，我就不再赘述如：任何修改电气原理图、电气柜的改造和控制面板的安装等改造细节了。我将要叙述的是数控系统改造的关键-802D系统调试。调试软件工具：系统调试需要一个802D工具盒光盘。光盘内包含所有调试所需要的软件。调试步骤：系统初始化- 机床数据设定- PLC数据设定- PLC编程- SIMOD

9、RIVE 611U驱动器调试- 主轴直流调速器的特殊控制- 调试数据备份1 802D系统初始化 802D工具盒中提供了车床和铣床的初始化文件。将车床初始化文件通过通讯工具WINPCIN传入到802D系统就完成了系统的初始化。初始化后，系统将自己设定为专用于标准车床的系统。成套的适应于车床功能的机床数据被作为缺省值装入到系统之中。2 机床数据设定 为了能够在改造的轧辊车床上发挥802D系统的各项功能，同时又能充分的利用西门子编写的标准子程序。就必须遵循802D的安装调试手册的要求对其机床数据进行合理的设置。现将一些重要的数据设置说明如下：* PROFIBUS 数据设置将PROFIBUS 地址设定

10、数据 MD11240设为3。这样就定义了系统中所有连接在PROFIBUS总线上的设备所对应的PB地址和驱动器号。PCU是PROFIBUS的主站，不能修改它的地址。各个在线从站都要自己设置自己的地址以匹配上表的地址。注意：这里没有用到地址为10和11的两个单轴功率摸板，但是他们的存在不会影响到其他模块。* 轴数据设定 首先将MD30130（控制给定输出类型）和MD30240（编码器反馈类型）都设为1，以指定这两个信号都是由PROFIBUS传送的。再将各轴自己的MD30110（速度给定轴号）和MD30220（位置反馈轴号）按实际分配情况在机床数据中设置好。注意：每个机床轴都有一组相同的编号和相同数

11、量的轴数。使用几个轴，就设置几组数据。* 机械传动参数的数据设定传动系统的参数决定了这个坐标轴的实际移动量。31030 LEADSCREW_PITCH mm 丝杠螺距31050 DRIVE_AX_RATIO_DENUM0.5 电机端齿轮齿数（减速比分子）31060 DRIVE_AX_RATIO_NOMERA0.5 丝杠端齿轮齿数（减速比分母）注意：对于主轴，索引号为0的减速比分子和分母均无效。索引号1表示主轴第一档的减速比，2表示主轴第二档的减速比，依此类推。注意：对于进给轴，减速比应设定在索引号0；* 返回参考点相关的机床数据设定34010 REFP_CAM_DIR_IS_MINUS 返回参

12、考点方向：0正；1负34020 REFP_VELO_SEARCH_CAM 检测参考点开关的速度34040 REFP_VELO_SEARCH_MARKER 检测零脉冲的速度34050 REFP_SEARCH_MARKER_REVERSE 寻找零脉冲方向：0正；1负34060 REFP_MAX_MARKER_DIST 检测参考点开关的最大距离34070 REFP_VELO_POS 返回参考点定位速度34080 REFP_MOVE_DIST 参考点移动距离（带符号）34090 REFP_MOVE_DIST_CORR 参考点移动距离修正量34092 REFP_CAM_SHIFT 参考点撞块电子偏移34

13、100 REFP_SET_POS 参考点（相对机床坐标系）位置注意：参考点撞块的长度要根据MD34020 定义的速度确定，既要求在该速度下碰到撞块后减速。到“0”速时，坐标轴能停在撞块之上（不能冲过撞块）！注意：使用缺省设置时是以零脉冲在参考点开关之外的方式回参考点的。* 软限位设定36100 POS_LIMIT_MINUS 负向软限位36110 POS_LIMIT_PLUS 正向软限位建议：软限位是可以不用设的，但是如果将它设在硬限位范围内时，会有一个好处：一旦一个轴到达了软限位，此轴还可以直接返回并离开软限位。而如果没设软限位，一旦轴触碰硬限位，就必须采取短接该限位信号的方法才能将轴开回。

14、注意：软限位在机床没有返回参考点前是不起作用的。3 PLC机床数据设定 为了使被使用的802D车床标准子程能够正常工作，就必须要将修改一些PLC机床数据：MD1451016：定义机床类型。这里使用的是车床，应设为1。MD1451024：间隔。单位：1分钟 。MD1451025：导轨润滑时间 单位：0.01秒将MD1451024设为20分钟，将MD1451025设为3秒。4 PLC编程4.1 PLC编程工具PROGRAMMING TOOL PLC 802 运用PROGRAMMING TOOL PLC 802可以脱机编程，再通过RS232接口与PCU连接，然后将程序下载到802D系统中去。在程序开

15、始传送之前802D会自动提示：要求停止当前PLC程序的运行。当程序下载完毕后系统会自动从新启动，新程序生效。4.2 应用802D PLC 标准子程序库 SIEMENS 针对802D系统在车床和铣床上的应用，编写了两组标准的PLC子程序库。只要按照802D安装调试手册中的要求适当的分配PLC I/O、配置各系统组件的PROFIBUS的地址和系统的机床数据，这些PLC子程序大多都可以不经修改的被直接运用于我们的程序。在我们的PLC组织块中调用了以下标准子程序：以上被调用的标准子程序已经可以用来完成诸如：系统初始化、传送机床操作面板信号、急停逻辑和驱动器使能、主轴和伺服轴控制、手轮控制、润滑控制等基

16、本功能。注意：要特别指出的是，用于系统初始化的子程序PLC_INI总是在组织块的开头被调用，而且它只在PLC程序第一次执行时被调用一次。这样的特殊调用是通过用一个特殊标志SM 0.1作为PLC_INI的调用条件。SM 0.1只在PLC程序运行的第一个周期内为1，以后都为0。4.3 自编功能子程序 除了以上的标准子程序，还必须自己编程来完成一些特殊功能。比如，机床故障报警功能、主轴自动换档功能的子程序。4.3.1有关PLC用户报警的处理方法 在802D系统里已经包集成了大量的系统报警。如PROFIBUS 网络故障报警、驱动器故障报警、CNC系统本身的硬件故障报警和G代码工件程序编译错误报警，等等

17、。但是除此之外系统还提供了64个可编程的PLC用户报警，它们的报警号编号从到。这64个报警依次对应与NCK变量位V.0到V.7。例如：当在PLC程序中把V.0设为“1”时，它对应的报警就被激活，其报警信息将出现在系统屏幕上，并且根据预先在机床报警属性设定数据MD145160中对其的设置同样被激活。 PLC用户报警文本可以使用802D工具中提供的编辑器TextManager在个人计算机中脱机编写后，再通过WIN PCIN软件导入802D系统中。如果使用的报警不多，还可以在802D系统启动后进入系统界面，在其相应的窗口中，直接输入报警文本（可以使用拼音输入中文报警信息）。我们可以利用这些PLC报警

18、实现对机床故障的自动诊断。例如，将所有电动机主回路中的断路器的辅助触点信号接入PLC，用来判断断路器是被否分断。如果某个断路器被分断了，相应报警就被激活。根据报警信息就可以找到故障点。 我们将系统分配的64个PLC用户报警一起编写到一个子程序中，以便于监控和管理。4.3.2编写主轴自动换档子程序 主轴共有三个档位，靠两只电磁换向阀，分别控制两只液压缸来完成换档任务。由五只行程开关来检测两只液压缸的位置从而间接的检测档位。主轴自动换档功能是通过在CNC工件加工程序中遍入换档指令来实现的。G40为自动换档、G41为一档命令、G42为二档命令、G43为三档命令。当CNC执行换档命令时会将目标档位编码

19、传送到PLC，并命令机床主轴减速停止。当主转动轴停止时，齿轮换档的时序过程立即开始。当PLC通过行程开关检测的档位与CNC发来的目标档位一致，换档过程结束，PLC会返回CNC一个换档过程结束确认信号。主轴自动换档子程序的控制顺序如下：1：收到换档命令后，如主轴有换档请求并且主轴已经停止，就可以启动主轴摇摆功能。摇摆的幅度和速度可以在机床数据中定义。2：根据新档位的要求设置相应PLC的输出，去控制四只电磁阀，以使液压缸动作完成换档。3：根据五只限位开关的信号判断当前档位。4：用当前档位与换档命令要求的档位进行比较。一旦一致则取消换档信号并退出换档动作。*（主轴自动换档的梯形图程序见附录）5 SI

20、MODRIVE 611U驱动器调试 在该轧辊车床上使用的是半闭环位置反馈方式。X轴和Z轴的实际位置值不是直接由两个轴的直线位移测量而来的。它们的位置值是利用电动机尾部的增量旋转编码器检测到的电动机转子转动的角度计算得来的。例如：对于由一级齿轮副和滚珠丝杆构成传动机构驱动的工作台来说，如果齿轮变比为1：1，滚珠丝杆的螺距为10mm，那么，齿轮端的电动机每转动一圈，滚珠丝杆侧工作台就一定走了10mm.这样就可以根据电动机转子的转动角度的数据推算出该工作台沿该轴方向的位移了。* 调试工具：SimoCom U 它是一种非常易于使用的调试工具。SIMOCOM U 可以通过RS232接口与SIMODRIV

21、E 611U进行通讯连接。通过该工具的图形用户面，你可以对所有的参数进行设置。例如，只需要在电机配置向导中输入电动机型号，SIMOCOM U便会自动的填写该电动机其他的相关技术参数。还可以在这里设置模块的PROFIBUS地址、速度极限、数字输入输出、模拟输出、跟随误差监控等参数。SIMOCOM U会根据提供的以上配置数据自动的生成一个优化了的参数文件。只要将此文件下载到模块中，该模块即可正常工作。l 建议：伺服电机在初始化和试运行时最好都将电机与机床连接的接手断开。l 确保急停功能已经完善，可以正常工作，确保终端限位已经起作用。 6主轴直流调速器的特殊控制 SIMOREG K DC 6RA24

22、 的速度给定是一个正负10V的模拟电压信号。而802D是一个全数字控制系统。如何能够对6RA24进行控制？802D系统提供了一个比较特殊的解决方案。利用在611U双轴模块A通道上的数字量输出来为6RA24提供使能信号，然后再用A通道的模拟量输出去连接6RA24的速度给定端子作为速度给定。将与主轴同轴安装的编码器连接到611U上的X472增量编码器接口，用于主轴位置反馈。虽然线路连接比较简单，但是还要在机床数据和SIMODRIVE 611U中同时设置多个参数才能通过这种连接方式实现对6RA24的控制。要在PCU上设置的机床数据如下表：要在611U控制板上设置的数据如下：P890=4 编码器信号源

23、来自X472 接口P922=104 主轴信号的PROFIBUS 报文类型P1007=编码器线数 外装编码器每的转脉冲数。应与主轴参数MD31020 相同。做一次存储数据上电复位后然后设置下列数据：P922=0 主轴信号的PROFIBUS 报文类型P890=4 编码器信号源来自X472 接口P9158=50103 总线给定值配置：模拟输出送到X441 的端子75.A 和15P9159=50107 总线给定值配置：数字输出送到X453 的端子Q0.A 和Q1.A做一次存储数据上电复位。由于611U控制板上的数字输出和模拟量输出都不止一个，所以还要用SIMOCOM U工具指定相应的输出端口。* （6

24、RA24与611U的电气连接图附录）SIMOREG K DC 6RA24直流调速器调试在完成以上802D系统对6RA24直流调速器模拟速度给定设定之后，就可以在6RA24的简易操作面板上对其进行参数化。参数化步骤简述如下：1：改变存取授权参数使显示所有参数并且可以修改所有参数2：输入电动机数据如额定电枢电流、额定电枢电压、电动机励磁电流等3：设定测速发电机参数。4：对电动机励磁数据的参数化5：设定电流极限6：设定转矩极限7：斜坡发生器设置8：将P051设为25进行最优化运行7调试数据备份 调试数据是整个调试过程的结晶，必须加以妥善保管。802D系统提供了三种数据备份方法。* 数据内部备份：数据的内部备份可以通过“数据存储”软菜单键轻而易举地实现。内部备份的数据不包括PLC 应用程序和用户报警文本。因为PLC 应用程序和报警文本均直接存储在闪存中。802D