一臺俄羅斯Φ160 mm數控鏜銑床，原西門子810M數控系統嚴重老化，故障率高，維修困難，且機械精度較差。為滿足生產要求，采用SINuMERIK 840D sl新型數控系統和sINAMIcs S120伺服系統及交流伺服電動機加進給齒輪箱對其進行升級改造，旋轉工作臺日軸新增加一套伺服驅動系統及進給齒輪箱，增加圓光柵編碼器構成全閉環控制，3個直線X、Y、W軸采用海德漢光柵尺作位置測量與系統連接構成全閉環控制，直線z軸采用在絲杠端部安裝的海德漢編碼器作位置測量構成全閉環控制，保留原主軸電動機和驅動系統，制作電氣控制柜及操作站，重新磨削導軌，經過升級改造使這臺舊設備被更新。

1 機床控制系統硬件構成

　　機床配置的840D sl數控系統采用NCU710.2模塊，TCU及0P010C操作顯示單元，MCP 483 PN機床控制面板可以擴展連接手持單元和手輪，NXl5軸位置反饋檢測模塊，驅動采用具有DRIVE—CliQ接口的SINAMICS S120驅動，采用sIEMENS 1FT6型交流伺服電動機，以上各單元都是由以太網連接的。由ADI4發出主軸模擬指令，PLC選用ET200擴展輸入輸出單元，通過ProfiBus現場總線與系統連接。

　　送電前必須對照原理圖保證機床電柜內部及外部的連線正確，特別是高壓電與低壓電不允許接錯；對于系統部分，需注意系統的電動機反饋線和閉環反饋線是否連接正確。電柜外部連線需注意：三相交流回路中各相之間不能短路；電動機動力線不允許對地且三相電阻應平衡；應避免24 V信號線直接對地短路；輸入部分是否全部正常(如限位是否導通)；電磁閥、離合器等輸出部分的電阻是否正常；各元件的接地部分是否連接良好，確保信號電纜屏蔽兩端都與機架或機殼連接。

2 數控系統軟件調試

　　840D sl數控系統調試大概可分成以下幾個方面：

　　系統正確連接后首次上電總清；調試接口的連接；PLC調試；Ncu內集成SINAMICS s120驅動調試；NC機床數據的設定；數據備份；制作用戶報警文本等。

　　2.1 系統正確連接后首次上電總清

　　首次接通和啟動NcU單元必須進行NCK和PLC總清。操作步驟如下：

　　(1)NcK開機調試開關(左)轉到位置“1”；PLC運行方式開關(右)轉到位置“3”。　　(2)執行上電(接通控制系統)。　　(3)等待，直到NCU持續進行下列顯示：LED STOP閃爍，LED SF亮起。　　(4)在下列開關位置上依次旋轉PLC運行方式開關：短時轉動到位置“2—3—2”此動作必須在3 s內完成，首先LED sTOP燈約2 Hz頻率閃爍，等待LED STOP亮起。　　(5)轉動NCK和PLC開關返回到位置“O”。　　(6)正常啟動后，NXU狀態顯示屏上輸出數字“6”和右下角一個閃爍的燈LED RUN持續亮起呈綠色。　　(7)重新進行一次啟動，PLC和NCU處于循環運行模式下，總清結束。

　　2.2 調試接口的連接

　　計算機連接到NCU的x127或x120以太網口進行調試工作，CP 840D sl的IP地址設置：x127為192.168.215.1；x120為192.168.214.1。若連接到NCU的X127以太網口，計算機可設置自動獲得IP地址。

　　2.3 PLC調試

　　調試840D sl必須要做硬件配置。在計算機STEIy7中安裝840D s1的T00lbox和PROFIBUS部件的GSD文件，創建PLC項目，配置NCU的X126口為DPI；X136口為DP2/MPI；PROFIBUS3是NC系統與SINAMICS S120驅動通訊的總線；設置CP的IP地址，在硬件配置中雙擊CP840D sl，內部PROFIBUS CP子網ID號與840D sl X127(IP address：192.168.215.1，Subnet mask：255.255.255.244)相對一致，PLC程序用X127口才可以在線監控。在PROFIBUS3上配置Nx板硬件，如果NX板連接到Ncu710．2的x105口上，則做STEP7硬件配置時，該Nx板的站地址必須設為15。

　　將安裝有STEP 7的筆記本與840D sl系統通過網線連接后，打開sTEP7，建立新項目。將需要傳輸的程序復制到sIMATIc 300(1)\PLc(型號與具體PLC有關)\S7 Program(1)\Blocks中，然后選擇PLC，按上方的Download鍵將程序傳輸至PLc中；反之也可以選擇PLC，upload Station to PG，在彈出的對話框中按下VIEW，再按OK，有需要覆蓋的地方Yes To All，上載后，打開SIMATIC 300(1)中的Hardware，查看系統ET200組態與圖紙上的地址是否一致，不一致的話進行修改，組態修改完成后，可以將程序進行傳輸。PLC程序設計采用模塊化編程，將機床啟動條件、驅動使能信號處理、軸控制、輔助功能、報警信息等系統及機床功能編制成不同的模塊。模塊化編程使程序結構合理、層次清晰，方便閱讀查找。打開程序中的模塊，根據圖紙進行實際修改。以上步驟完成后，試驗三相油泵電動機的轉動方向及調整油壓，可以運行各軸。運行時注意多觀察菜單、診斷、服務顯示里面的選項。電氣需要驗證各直線軸行程限位、主軸換檔、急停保護功能等是否正常。由數控指令自動控制各軸的液壓夾緊松開功能，編有輔助代碼M20～M27等。

　　主軸換擋的控制過程：主軸換擋機構由4個電磁閥控制2個油缸，分別推動4個齒輪組左右移動變換齒輪改變速比，產生4個機械擋位，在主軸箱內安裝有4個檔位確認開關。主軸換擋的控制過程是接受到換擋命令，先檢查主軸電動機是否處于停止狀態，在6RA27主軸驅動系統上有主軸電動機零速Nmin信號，只有在主軸電動機停止時，才允許主軸變擋。輔助代碼M41～M44為主軸變一檔至四檔，通過S代碼指定主軸轉速檔位，接受換擋命令后與“當前檔位”信號比較，如果不同，啟動換擋有效信號，推動相應的換擋電磁閥推動相應的齒輪運動，系統指令設置擺動頻率，使齒輪在擺動中嚙合，檢測相應的檔位開關是否嚙合到位，同時點亮相應檔位指示燈，說明換擋完成。

　　2.4 NCU內集成SINAMICS S120驅動調試

　　SINAMICS s120是西門子公司新一代驅動系統。s120驅動系統采用了西門子最先進的硬件技術、軟件技術以及通訊技術；采用高速DRIVE—CLiQ驅動接口；驅動系統各部件具有電子銘牌；系統可以自動識別所配置的驅動系統；具有更高的控制精度和動態控制特性；具有更高的可靠性。

　　安裝驅動調試軟件：IBN—Tool sw7．6 spl或更高版本for PC／PG。

　　在計算機上安裝staner軟件：先安裝sTEP 7后，再安裝starter，安裝SSP sINuMERIK sINAMIcs Intv2．6 SP2補丁。

　　啟動Staner通過NCU中的x127網口與SINAMICS S120驅動系統聯機：　　啟動Staner，建立新項目。　　選擇節點設置(Accessible Nodes)，設置調試接口IP地址。若用x127，則IP地址為：192．168．215．1　　刷新(updata)，選擇驅動，接受(Accept)。　　選擇驅動單元，選擇在線。　　上載項目文件“load to PG”，保存并編譯。　　用Staner軟件可以在線調試S120進給伺服驅動系統。

　　系統開機后自動檢測驅動部件的固件(前提條件必須先做PLC硬件配置)，保證驅動系統的固件與驅動控制系統(840D sl系統內置)完全一致。

　　驅動器及電動機參數自動配置，系統初次調試必須作驅動系統出廠設置。選擇調試，驅動系統，選擇出廠設置包括三個選項：當前驅動對象、驅動設備、驅動系統，驅動系統保存數據，NCK reset。

　　驅動系統的拓撲識別，供電模塊配置，做不帶DRIVE—CLiQ西門子標準電動機配置，做第二編碼器配置，驅動邏輯號分配，NCU X122／X132端子信號分配，PLC程序控制驅動系統上電時序。保存數據后，NCK復位、重新上電。

　　驅動優化：當使用上述缺省設定不能滿足要求時，需要進行優化調整。順序是先利用測試(Measurement)和跟蹤(Servo rIIrace)優化單個軸，再利用圓度測試(circularity Test)協調軸之間的關系，最后才是通道以及系統的調整。

　　優化單個軸的順序：電流環(可選，1FK／1Fr電動機沒必要做)；速度環；位置環以及跟蹤。

　　優化的方法：可用SINUMERIK HMI—Advanced軟件來優化；或用SINUMERIK Operate軟件進行優化。

　　使用sINuMERIK HMI—Advanced軟件優化的方法主要用于手動優化，需要進行各種不同的測試，從而全面地了解優化對象的特征，進行有針對性的手動調整。測試時的順序為：選定測試類型(如：參考頻率響應)；設定合適的測試參數(如：幅值、頻寬等)；啟動測試；在顯示中觀察結果。測試的種類有參考頻率響應、階躍響應以及擾動響應等，分別用于電流環、速度環、位置環，另外還有圓度測試、伺服跟蹤等。NC機床數據設置

　　手動設置各軸的增益和加速度參數時，在不振蕩的條件下，盡量增大增益系數，增加伺服系統的剛度，減小跟隨誤差而提高定位精度；盡量增大加速度，以保證閉環控制的慣性環節和加速特性相匹配，盡量增加增益和加速度可以有效地解決低速爬行問題。正確調整3個閉環控制環節中的增益與加速度的比例關系，使位置、速度、電流環在閉環控制中既能快速響應又無過度超調，高速平穩運行而不振蕩。解決好閉環反饋系統的偏差和擾動問題，使機床穩定地運行。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。在圓度測試時，盡量保證聯動兩軸的跟隨誤差相同以保證圓度。

　　2.5 NC機床數據設置

　　NC開機調試，設定的NC參數包括設置控制參數、機械傳動參數、速度參數等。

　　2.5.1 通用及通道MD的配置

　　依次按菜單，調試，機床數據，通用MD。按通道MD，將10000號參數(機床軸名稱)依次設定為X1、Yl、Z1、W1、SP1、B1。1000l號參數(軸參數)依次修改為AXl、AX2、AX3、AX4、AX5、AX6。將20060號參數(定義哪幾個通道軸為幾何軸)依次改為X、Y、Z。20050號參數(定義幾何軸軸名稱)依次改為1，2，3。20080號參數(通道中的通道軸名稱)依次改為Xll、Y11、Z11、W、C、B。20070號參數(通道中有效的機床軸號)依次改為1、2、3、4、5、6。以上參數為對機床軸名進行配置。

　　2.5.2 軸MD的配置

　　依次按菜單，調試，機床數據，軸MD。分別對各軸的以下參數進行設定。

　　30300：旋轉軸／主軸。將主軸和曰軸該參數設定為1。　　30310：旋轉軸／主軸的模數轉換。將主軸和曰軸該參數設定為1。　　30320：旋轉軸和主軸的系數360。(顯示模態)。將主軸和B軸該參數設定為1。　　35000：設定主軸到機床軸。主軸設定為1。　　35010：有幾個齒輪級。主軸設定為1，代表主軸可以換擋。　　35020：定義主軸工作模式。0～3：0為速度模式，1為定位模式(檢測位置)，3為軸模式。　　35090：齒輪級的速度。主軸各檔位的速度。　　31030：絲杠螺距。　　31050：負載變速箱分母。　　31060：負載變速箱分子。以上3個參數共同組成軸的傳動比。　　32200：位置環增益系數。該參數除B軸外最小不能小于0．3，建議設定為0．5(對機械要求高)。　　32000：最大軸速率。軸的最高速度，G00速度。　　32010：JOG模式下的快速速率。手動模式下的高速速度。　　32020：JOG模式下的點動速率。手動模式下的正常速度。　　32300：軸的加速度。　　35100：最大主軸速度。　　35110：齒輪換擋的最大速度。執行M40時，主軸各檔位對應的最大速度。　　35120：齒輪換擋的最小速度。執行M40時，主軸各檔位對應的最小速度。　　35130：齒輪級的最大速度。主軸各檔位的最大速度。　　35140：齒輪級的最小速度。主軸各檔位的最小速度。　　35400：擺動速度。主軸換檔時的點車速度，設定為5。　　30110：設定輸出值軸模塊號，軸設定值來源于哪塊控制板。　　30220：編碼器的模塊號。編碼器信號反饋到哪塊控制板。(反饋實際值接口與軸對應)。　　30200：編碼器的數量。當只有電動機編碼器的時候(半閉環模式)設定為l，有閉環測量系統的時候(全閉環模式)設定為2。首次上電可以先設置為1，掛閉環的時候再修改。　　30230：選擇反饋接口，30230[0]=l選第一測量系統／30230[1]=1選第二測量系統。對應Profidrive Message Fram中報文Telegram 103：1(=G1—2SM)／2(=G2_2SM)。對應PLC中DBXl．5=1／DBXl．6=1。　　30240：編碼器類型。=0為虛擬軸；=1為增量1Vpp信號；=4為絕對值編碼器。　　31020：每轉的編碼器線數。與編碼器有關，將主軸的[1]設1024，B軸的[1]設36000。　　31000：直線標尺。將所有有直線光柵尺的軸[1]設1。　　31010：直線標尺的分割點。所有有直線光柵尺的軸[1]需要設定，數值與光柵尺有關，安裝海德漢直線光柵尺的軸[1]設0.04。　　31040：編碼器直接安裝在機床上。將主軸和B軸的[1]設1。　　32100：運動方向(不是反饋極性)。機床的運行方向，如某一軸運轉方向反了，將其設定為-1。　　32110：反饋極性。編碼器的反饋極性，如某一軸反饋極性反了，將其設定為一1。　　34000：軸帶參考點凸輪。沒有原點撞塊的軸及更改為任意回原點的軸可以設定為0。　　34020：回參考點速率。從負方向到原點撞塊的速度；主軸及B軸為從任意點到找到原點信號的速度。建議設定為31020的值。　　34040：蠕動速度。主軸，縣軸設定為參考點定位速度的一半即可。　　34050：參考點定位速度。從原點撞塊反車到達原點位置的速度；主軸及曰軸為從原點信號到實際原點位置的速度。建議設定為31020的一半。　　34060：到原點標記的最大位移。建議直線軸設定為85，方便修改任意點回原點；旋轉軸設定為360。　　34090：參考點偏移。旋轉軸以及任意點方式回原點的軸需要設定。　　36100：第一負向軟限位。負向軟限位，回原點后生效。　　36110：第一正向軟限位。正向軟限位，回原點后生效。　　32450：反向間隙。該參數輸入后需要重新回原點才可以生效，全閉環的軸在[0]中輸入的數值無效(如機械開環間隙大，想要電氣補數，補完后對閉環是否爬行沒有影響)。

　　2.6 數據備份

　　SINUMERIK 840D Sl數據備份與回裝。依次進入調試區域，按擴展鍵，按批量調試軟鍵，可以選擇：建立批量調試；PLC硬件升級文檔；讀取批量調試；建立原始文檔；讀取原始文檔。

　　在Windows界面支持USB盤后，利用Ghost軟件備份克隆硬盤到USB盤。在系統啟動過程中，出現SINUMERIK時，按“向下鍵”，輸人口令(Password)：SUNRISE，OK，Backup／Restore：a disk imag，Next，選Backup，從硬盤映像到目標U盤。當硬盤損壞時，用USB做的緊急啟動盤去啟動系統，用克隆硬盤的uSB盤的映像文件恢復硬盤，選Restore，從u盤映像到目標硬盤。

　　2．7制作用戶報警文本

　　在計算機上編寫報警文本，從/Siemens/sinumerik/hmi/temppla/lng目錄下拷貝名為“oem_aleerm_deu.ts”的文件到計算機上(借助winScP或者用u盤)，改名為“oem_aleerm_chs.ts”。打開文件添加中文報警文本，將編輯好的文件拷貝到系統/user/sinumerik/hmo/lng目錄下，讓HMI重新上電。

3 系統軟件的安裝

　　一臺個人計算機是調試SINUMERIK 840D sl必不可少的工具。計算機安裝的軟件包括STEP7 SW5．4sp4及以上版本，用于PLC編程。WinSCP軟件：在840D sl系統的CF卡上用Winscp可以重新安裝或升級CNC系統軟件，Winscp與NCu通訊可以拷貝用戶報警文本等文件，Vncviewer可以在計算機上顯示HMI操作界面，STARRIER版本4．1．5以上用于SINAMICS S120驅動調試，840Dsl工具盤安裝在SrIEP7中用于840D sl的硬件配置，IBN—TOOL For PC／PG版本7．6以上用于S120驅動調試，計算機以太網接口用RJ45以太網交叉電纜與NCu單元的X127以太網口連接。可以通過PC／PG上的WinSCP安裝CNC軟件：

　　(1)u盤啟動“NCu維修系統”，復制Toolbox中的Toolbox：＼sw_2．6_hf4＼exp_31a10c_hmi_02060004.tgz系統軟件到U盤，U盤插入NCU的X125口。

　　(2)計算機連接至NCu x127網口，自動獲得NCu IP地址，并啟動winSCP，為登陸Ncu系統必須設定Host N鋤e：192．168．215．1；User Name：manuface(小寫)；Password：SuNRISE(大寫)。　　(3)winSCP終端窗口執行：sc restore—fulL／data／exp_31a10c_hmi-02060004.tgz　　(4)等待“syncing disk．．done”。安裝完畢。　　(5)系統上電，總清，安裝完成。

4 結語

　　Φ160 mm數控鏜銑床有一個主軸和五個進給軸，改造后可以四軸聯動，技術是先進的，西門子840D sl功能齊全，接口信號復雜，開發應用難度大，技術改造中編制的PLC控制程序，采用模塊化結構，邏輯保護及報警功能完善，具有較大的穩定可靠性。通過一段時間的運行證明：840D sl數控系統在鏜銑床的技術改造中的應用是成功的，達到了預期的目標。