用802D SL數(shù)控系統(tǒng)改造ΦJI-37H3數(shù)控銑床

阮 煜

一、改造原因

中國電子科技集團(tuán)公司39所的ΦJI-37H3型數(shù)控銑床是前蘇聯(lián)生產(chǎn)的立式加工設(shè)備。1999年采用國產(chǎn)某型數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了第一次數(shù)控改造，恢復(fù)了原機(jī)床的各項(xiàng)功能。該機(jī)床經(jīng)過10年的滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，其數(shù)控系統(tǒng)已嚴(yán)重老化，近年來故障頻繁，其電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊已更換或維修數(shù)次，維修代價(jià)十分高昂。而生產(chǎn)廠商已停止了該型數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)，系統(tǒng)維修所需零配件非常稀少，極難購買。另外電氣控制元件和電氣線路也已嚴(yán)重老化，也是該機(jī)床故障頻發(fā)的重要原因。

為了使該機(jī)床更好地滿足車間生產(chǎn)的需要，降低其故障頻率，盡量減少因停機(jī)而造成的損失，故對(duì)該機(jī)床進(jìn)行了二次數(shù)控改造。

二、數(shù)控系統(tǒng)選型及主要配置

1.系統(tǒng)選型

通過對(duì)國內(nèi)目前較常用的幾種數(shù)控系統(tǒng)的分析研究，綜合性價(jià)比、可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)用性以及該機(jī)床特點(diǎn)等多方面考慮，選擇了西門子802D SL數(shù)控系統(tǒng)。

SINUMERIK 802D SL 數(shù)控系統(tǒng)將 CNC、PLC、HMI和通信任務(wù)集于一個(gè)單一的部件PCU，免維護(hù)的硬件集成了PROFIBUS接口，用于連接伺服驅(qū)動(dòng)和I/O模塊，并具有速裝結(jié)構(gòu)的超薄操作面板?？煽刂?個(gè)進(jìn)給軸（三軸聯(lián)動(dòng)）和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸。其操作和編程功能除具有基本功能外，還具備FRAME功能（鏡像，比例縮放和旋轉(zhuǎn)），編程語言支持非西門子的G代碼的在線編譯，輪廓編程，算術(shù)和三角函數(shù)功能，支持螺旋線插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)，支持加工路徑圖形模擬，支持DNC加工方式等功能。系統(tǒng)還裝有以太網(wǎng)卡，外部計(jì)算機(jī)可以方便地利用網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這些功能豐富了機(jī)床的編程和加工方式，完全能夠滿足本機(jī)床的加工需要。在機(jī)床的維護(hù)方面，系統(tǒng)具有較完善的監(jiān)控（輪廓、位置、零速、夾緊監(jiān)控）和報(bào)警以及自診斷功能，支持機(jī)載梯形圖在線顯示，為機(jī)床的日常維修工作提供了極大的方便。

2.系統(tǒng)配置

802D SL 基本單元 PCU（6FC5600-0AF02-0AA0），10.4″液晶彩屏（漢化界面），水平型NC鍵盤，插入式PROFIBUS單元，PLC I/O模塊PP72/48，MCPA（機(jī)床控制面板）模塊。

3.驅(qū)動(dòng)配置

因主軸電機(jī)性能完好，所以保留機(jī)床原30kW交流變頻主軸電機(jī)，采用美國ABB公司ACS800型37kW變頻調(diào)速器驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)原進(jìn)給電機(jī)型號(hào)，Y軸選用西門子1FK7101-5AF71-1AA0型永磁同步伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩 27N·m，額定轉(zhuǎn)速3000r/min；Z軸選用西門子1FK7101-5AF71-1AB0型永磁同步伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩27N·m，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，帶抱閘。Y、Z軸采用SINAMIC雙軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊6SL3120-2TE21-8AA3驅(qū)動(dòng)，額定電流2×18A，額定功率9.7kW。X軸電機(jī)與Y軸相同，驅(qū)動(dòng)采用SINAMIC單軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊6SL3120-1TE21-8AA3，額定電流18A，額定功率9.7kW。

電源模塊選用SINAMICS調(diào)節(jié)型電源模塊（ALM）6SL3130-6TE21-6AA3，16kW。

系統(tǒng)基本部件連接見圖1。

三、系統(tǒng)調(diào)試

1.系統(tǒng)初始化

將系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口與外部PC的網(wǎng)絡(luò)接口用對(duì)等網(wǎng)線直聯(lián)后，在PC機(jī)上打開802D工具盒（TOOL BOX 802D）中的通信工具軟件RCS 802，啟動(dòng)在線連接。在PC上利用RCS瀏覽器找到初始化文件：“Milling（銑床）”文件夾下“802D SL PLUS”目錄中的“setup_M.arc”文件，將其拷貝到“Control 802D”文件夾下的“Start-up archive(NC/PLC)”目錄中。系統(tǒng)重新上電后，即完成了系統(tǒng)的初始化。

2.PLC調(diào)試

根據(jù)系統(tǒng)與機(jī)床的控制邏輯，在PC上利用PLC編程工具軟件Programming PLC802編制好相應(yīng)的PLC應(yīng)用程序，在編譯無誤后，將其下載到系統(tǒng)中，進(jìn)行PLC程序調(diào)試。

3.驅(qū)動(dòng)器調(diào)試

在PLC應(yīng)用程序正確無誤后，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試。802D SL為簡化驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)器調(diào)試向?qū)Вㄟ^調(diào)試向?qū)?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)調(diào)試，步驟如下。

（1）驅(qū)動(dòng)器固件裝載。①在NC面板上，按壓 [SHIFT]+[ALARM]，進(jìn)入系統(tǒng)畫面，選擇 [機(jī)床參數(shù)]→[驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)]→[SINAMICS_IBN]。②選擇[裝載 SINAMICS Firmware]→[打開]。③選擇[全部組件]→[啟動(dòng)]。④在裝載結(jié)束后，重新上電。

（2）驅(qū)動(dòng)器初始化。①同上。②選擇[全部組件]→[啟動(dòng)]。③當(dāng)系統(tǒng)提示“組件已設(shè)為出廠設(shè)置”時(shí)，表示驅(qū)動(dòng)器初始化完成。

（3）驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)配置。首先自動(dòng)讀取驅(qū)動(dòng)器配置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：①同上。②選擇[拓?fù)渥R(shí)別和確認(rèn)（快速開機(jī)調(diào)試）]→[打開]。③在“拓?fù)渥R(shí)別和確認(rèn)”畫面中→[啟動(dòng)]。④完成后，重新上電。

在驅(qū)動(dòng)調(diào)試結(jié)束后，應(yīng)將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較等級(jí)設(shè)為最低，否則在驅(qū)動(dòng)部件更換后，系統(tǒng)會(huì)提示：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較錯(cuò)誤。因此要設(shè)置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較等級(jí)：①按壓[SHIFT]+[ALARM]，進(jìn)入系統(tǒng)畫面，選擇[機(jī)床參數(shù)]→[驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)]→[顯示參數(shù)]。②找到驅(qū)動(dòng)器CU_I參數(shù)P9輸入1；參數(shù)P9906輸入3；參數(shù)P977輸入1（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)）；觀察參數(shù)P977，當(dāng)其由1變?yōu)?時(shí)表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成。此時(shí)將參數(shù)P9重新設(shè)為0。③系統(tǒng)重新上電。

4.NC調(diào)試

（1）定位驅(qū)動(dòng)器模塊。將X、Y、Z進(jìn)給軸的軸參數(shù)30110（速度給定端口）和30220（位置反饋端口）都相應(yīng)設(shè)為1、2、3。

（2）激活位置控制器使能。將X、Y、Z進(jìn)給軸的軸參數(shù)30130（控制給定輸出類型）和30240（編碼器反饋類型）都設(shè)為1。

（3）傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)配比。根據(jù)機(jī)床3個(gè)進(jìn)給軸的絲杠螺矩和變速箱齒輪比，將X、Y、Z進(jìn)給軸的軸參數(shù)31030（絲杠螺矩）分別設(shè)為 12、12、10；31050（減速比分母）分別設(shè)為 24、24、119；31060（減速比分子）分別設(shè)為 225、225、675。

（4）位置環(huán)增益。將X、Y、Z進(jìn)給軸的軸參數(shù)32200（位置環(huán)增益）分別設(shè)為1（在設(shè)定該參數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況及各軸傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際位置精度綜合調(diào)整）

5.主軸驅(qū)動(dòng)

該機(jī)床主軸交流變頻電機(jī)由ABB交流變頻器驅(qū)動(dòng)，電氣驅(qū)動(dòng)示意見圖2。

通過802D SL的MCPA模塊的X701第1腳和第6腳輸出0～10V模擬電壓到變頻器X21端子第3腳和第4腳控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，用PLC程序控制主軸正/反轉(zhuǎn)、停止/啟動(dòng)和點(diǎn)動(dòng)；同時(shí)將變頻器和主軸狀態(tài)信號(hào)反饋給PLC用于監(jiān)控其運(yùn)行。主軸手動(dòng)換擋由PLC程序完成。

以上各項(xiàng)工作完成后，機(jī)床已可基本正常運(yùn)行，再通過對(duì)相關(guān)機(jī)床參數(shù)、變頻器參數(shù)和PLC程序的優(yōu)化，改造工作完成。改造后經(jīng)試運(yùn)行，該機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置故障率大大降低，可靠性得到了極大改善，提高了設(shè)備的利用率，完全達(dá)到了預(yù)期改造目的。