西門子數控系統在機床五軸聯動技術改造中的應用

許 建 安 毅 侯宇峰 劉明陽

（哈爾濱電動機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040）

MAHO 700C鏜銑床是從德國購入的1臺普通三軸聯動數控機床。有5個進給軸和1個主軸，5個進給軸分別由INDRAMAT伺服控制，位置環采用全閉環控制方式，主軸由INDRAMAT主軸驅動系統控制，采用飛利浦432數控系統。由于原數控系統控制元器件老化，整體可靠性差，故障頻繁，已經無法正常使用。考慮到該機床機電功能齊全，伺服驅動及電動機等功能部件完好，剛度高、機械精度保持得較好，我們針對MAHO 700C鏜銑床的結構特點，采用840Di數控系統對MAHO 700C進行五軸聯動數控化改造。

1 MAHO 700C數控鏜銑床的結構特點

該機床在結構上有志個閉環的進給軸、1個主軸，帶有1個立臥轉換的附件頭。3個直線坐標軸X、Y、Z傳動為:交流伺服電動機—同步齒形帶—滾珠絲杠—螺母副—滑動部件。Y軸為垂直移動軸，滾珠絲杠沒有自鎖功能，為防止Y軸在位置開環或機床斷電時工作臺下落，在Y軸電動機的尾部增加了一個電磁抱閘;為防止Y軸傳動同步齒形帶的斷裂而使工作臺自由下落，在絲杠帶輪旁安裝了安全剎車裝置。在移動軸的末端裝有機械擋塊和限位安全保護開關。旋轉的A、B軸，有液壓夾緊松開裝置。主軸齒輪箱可有4個機械檔位，由2臺小直流電動機驅動實現換檔。由液壓驅動爪頭來實現主軸的松、夾刀具。液壓系統由電動機、液壓泵、壓力表、蓄能器、溢流閥、電磁換向閥、單向閥、截止閥、壓力開關和油管執行元件等組成。潤滑系統由中心潤滑單元、潤滑泵電動機、油管和分配器等組成。中心潤滑單元按設定的周期泵出潤滑油，為機床導軌和絲杠提供潤滑。冷卻液循環系統由冷卻液箱、電動機、冷卻液泵、管路和噴嘴組成，用來完成加工時刀具、工件的冷卻。

2 數控系統的選型設計

根據該機床的結構﹑性能﹑運行狀態﹑現有加工精度和特殊功能等要求，結合電纜長度﹑電動機扭矩及額定轉速﹑主軸功率﹑數控系統安裝空間、系統控制部件連接接口等特點，提出性能價格比較優的選型與配置方案。采用西門子SINUMERIK 840Di數控系統和S7 300可編程控制器及ADI4位控單元與原伺服系統、位置反饋元件等接口連接，原來的機床邏輯控制由西門子S7 300可編程邏輯控制器取代。

PCU50通過 PROFIBUS總線與 PLC擴展單元ET200和ADI4進行信息交換，通過PROFIBUS－DP實現I/O與驅動參數的調整，由ADi4軸卡輸出模擬指令信號對伺服進行運動指令控制，ADI4可接收圓光柵編碼器或光柵尺經過整型放大后的TTL信號，并與位置檢測元件一起構成全閉環位置控制系統。

電控柜的設計與制造時要特別注意的是，數控系統各接口信號的特點和形式要匹配，應盡量簡化強電控制線路，邏輯連鎖保護由PLC完成，拆除原電氣控制系統，安裝新的數控及電氣系統。

3 MAHO 700臥式鏜銑床PLC控制程序的開發與編制

首先在計算機中用STEP7編程軟件對S7 300的ET200和ADI4的硬件配置進行軟件組態的設置，然后進行PLC的編程。對PLC的編程可分以下幾個步驟進行:（1）分析機床的電氣控制原理和結構特點。（2）理解原機床液壓控制功能。（3）建立新的PLC程序框圖。（4）編制新的軟件和硬件接口控制程序。（5）編制新的功能塊程序。

把編制好的PLC程序下載到數控系統的PCU50的PLC中去，PLC接口信號與 NC交換數據信號。PLC程序設計采用模塊化編程，將機床啟動條件、PLC使能信號處理、軸控制、輔助功能、A/C/Y軸自動夾緊松開功能、主軸自動換檔的控制、報警信息、手持單元操作等機床控制功能編成不同的模塊，模塊化編程使程序結構合理、層次清晰，方便閱讀查找。

4 SINUMERIK 840Di數控系統的啟動和整機調試

按照設計的電氣原理圖進行接線，在認真檢查各接口信號連接正確，電源對地無短路時，才可通電。通電后，先調整基本的機床數據，調整有關各軸數據建立全閉環控制，調試PLC程序塊的各控制功能等。

4.1 NC 啟動

首先安裝PCU50的HMI系統軟件，配置PROFIBUS－DP現場總線參數，啟動數控系統，

進行840Di系統參數設定和調整:進入機床的參數設定界面，列舉主要數據。

（1）進入“GENERAL”窗口（通用機床數據設定）:

MD10000 定義機床軸名稱:X1、Y1、Z1、SP1、A1、B1

MD10050定義系統循環時間:0.004 s

MD10720定義默認工作方式:7

修改MD18000后面的通用機床數據時，會造成DRAM區的重新分配，致使數據丟失，應先把數據存檔，重新自動分配后，再加載存儲的數據。

（2）進入“CHANNEL SPECIFIC”（特別通道機床數據設定）:

MD20050定義通道中幾何軸分配:1、2、3

MD20060定義通道中幾何軸名稱:X、Y、Z

MD20070 定義通道中通道軸編號:1、2、3、4、5、6

MD20070 定義通道中通道軸名稱:X、Y、Z、SP、A、B

（3）進入“AXEX SPECIFIC”（特別軸機床數據設定）:

MD30110定義電動機軸的物理模塊位置:X=1、Y=2、Z=3、SP=4、A=5、B=6

MD30130定義軸輸出類型:0（0表示模擬方式）

MD30240定義測量系統的類型:X=Y=Z=A=B=SP=1（1表示增量測量系統）

MD30300定義軸是旋轉軸還是直線軸:X=Y=Z=0，A=B=1（0表示直線軸）

MD31000定義直接測量元件類型:X=Y=Z=1，A=B=0（1表示光柵尺，0表示編碼器）

MD31010定義光柵尺柵距:輸入值要與實際值相符

MD31020定義編碼器每轉脈沖數:A=B=36000

MD31030定義絲杠螺距

MD31040定義測量元件直接安裝在機床上設為1

MD31050和MD31060定義電動機到絲杠的減速比:輸入值要與實際值相符

MD31070和MD31080定義絲杠到編碼器的減速比:輸入值要與實際值相符

（4）最后進入“MACHINE DATA”，設置各個軸（包括主軸）的具體參數:轉速極限、最高速度、加速度、運動方向、反饋極性、位置增益、定位誤差和報警極限等。

4.2 整機調試

按照MAHO 700鏜銑床的數控與電氣設計圖紙，完成硬件連接，并將安裝有SIMATIC S7 300的編程軟件的計算機通過PROFIBUS－DP現場總線和SINUMERIK 840Di數控系統連接，系統可以通電調試。首先將各種機床數據、PLC機床控制程序和報警文本等信息傳送到SINUMERIK 840Di數控系統，操作機床的各種基本功能，如機床控制面板的操作、急停控制、進給伺服、主軸上電順序和使能控制、行程限位保護控制、手持單元操作控制、報警處理和回參考點控制等;另外還有外圍設備的控制功能，如液壓、潤滑、冷卻、進給軸機械夾緊放松、刀具夾緊放松和主軸換檔等。

設置各個軸的具體參數時，按照不同的功能和調試的實際情況，可對數控系統的上千個參數進行修改調整。在位置控制中匹配參數使檢測的脈沖當量為1 μm，設置前饋控制功能等，插補周期選為4 ms，設定加減速時間常數為1 s;在不振蕩的條件下，盡量增大位置環和速度環的比例增益系數，增加伺服系統的剛度，減小跟隨誤差以提高定位精度。設定粗精停范圍參數，設定跟隨誤差報警范圍等參數，使機床穩定可靠地運行。

軸的位置增益是反映位置環中對軸運動位置的動態跟蹤特性。軸的位置加速度是反映位置環中在軸啟動到設定速度和設定速度到停止期間運動位置的加速、減速特性。軸速度能反映出機床的工作效率，速度越大，效率越高。它一般分為最大速度、手動快速度、手動速度、回零速度等。軸位置增益與加速度也是互相影響。

選用了海德漢光柵尺和圓光柵編碼器，用激光干涉儀測量定位精度并作螺距誤差補償，精度超過改造前的機床。

4.3 調試中要注意的問題

（1）數控系統PLC用新增+24 V直流電壓代替原110 V交流控制電壓，應盡量簡化外圍電氣連線，控制邏輯由PLC程序完成，要仔細分開強弱電。

（2）交流伺服系統直流母線上掉電要斷開和接入能耗電阻，在控制程序中要加延時。

（3）機床控制面板MCP通過MPI現場總線與主機PCU50進行信息交換，通訊波特率設定為1.5 Mbs，注意總線終端電阻撥碼開關MPI側為開而PCU50側為關。

（4）840Di數控系統與伺服驅動系統及電動機、位置檢測元件等連接的接口信號要匹配并正確連接。

（5）840Di數控系統參數的設置要全面，尤其與精度有關的參數一定要仔細匹配調整后，輸入數控系統，并用激光干涉儀校準精度誤差，做螺距誤差補償。

（6）840Di數控系統調整的機床參數和編制的PLC控制程序應與機床在精度、結構、性能、控制功能、類型、工藝要求等方面匹配。

（7）Y軸電磁抱閘失電夾緊2 s后，伺服系統使能信號才可失電，電動機再失電，以防止工作臺向下滑落。

（8）在自動方式下，主軸停止，各軸進給也必須停止，以防止撞刀。

（9）在主軸運轉時，主軸換檔、主軸松刀具等指令無效，以防止損壞齒輪或傷人。

5 零件程序的編制

MAHO 700鏜銑床數控系統的工件加工程序是用國際標準化的ISO代碼編制的，它可以利用自動編程工具軟件的圖形編程功能，形成ISO代碼的工件加工程序或用手工編程。在五軸聯動用于自由形狀曲面銑削加工時，用高速設置CYCLE832指令可以調用連續路徑模式G64/G641至G644指令。G64可實現預讀功能，即預讀速度控制可同時計算幾個CNC程序段并測定模態速率，使各程序段過渡連接平順，G641至G644可實現角度用圓弧平滑過渡功能。用高速設置CYCLE832指令可以調用前饋控制FFWON和突變限制SOFT功能，FFWON前饋控制可以使與速度相關的輪廓跟蹤誤差減小至幾乎為零，SOFT突變限制通過溫和控制提高路徑的精確度。TRAORI命令用來調用第一編程方向5軸轉換。如指令 CYCLE832（0.01，312101）表示:0.01=機床軸公差，312101=B樣條插補，FFWON SOFT，G642，TRAORI，精加工。用轉動工作面CYCLE800指令可以轉動工作臺的A和B軸使工作面被調整至垂直于刀具切削方向，以獲得最佳切削力和表面粗糙度等優良效果。本機床除具有840Di數控系統編程手冊所描述的功能代碼外，還針對該機床的結構特點，通過PLC編程控制機床，使其具有如下輔助的M代碼功能:

M00—程序無條件停止;M01—程序有條件停止;M02—程序執行結束;M03—主軸正轉;M04—主軸反轉;M05—主軸停止;M08—冷卻液開;M09—冷卻液關;M20—Y軸夾緊;M26—轉臺A軸夾緊;M28—轉臺C軸夾緊;M21—Y軸放松;M25—Z軸放松;M27—轉臺A軸放松;M29—轉臺C軸放松;M30—主程序結束返回;M40—主軸自動換檔;M41—選擇主軸第一檔;M42—選擇主軸第二檔;M43—選擇主軸第三檔;M44—選擇主軸第四檔。

6 結語

MAHO 700C鏜銑床經過改造后通過一段時間的運行證明，SINUMERIK 840Di數控系統在MAHO 700C鏜銑床的數控改造中的應用是成功的，尤其是將三軸聯動改造成五軸聯動，改造后該機床有一個主軸和五個進給軸聯動精確地進行三維的立體加工，采用五軸聯動功能可以使刀具以最佳形狀進行切削，在復雜形狀的高速精加工中可以提高效率，減小粗糙度值，技術是先進的，具備現代先進數控機床的功能，編制的PLC邏輯控制程序采用模塊化編程具有較好的應用推廣價值，調整數控系統和伺服系統參數使機電匹配，達到了較高的定位精度及先進的數控控制功能，達到了預期目標。