西门子802D车床的数控化控制方案设计

摘要： 本文通过对通用车床进行西门子802D数控化改造，介绍机床数控化设计的具体内容，探索旧设备的新型利用方式。

Abstract： This paper introduces a method of the numerical control design based of siemens 802D system and presents the details. It provided a new way to utilize the old equipments.

关键词： 西门子802D；数控化改造

Key words： SIEMENS 802D system；numerical control design

中图分类号：TH11 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）32-0184-02

0引言

数控技术水平的高低和数控设备拥有量的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志[1]。随着机电一体化技术的迅猛发展，数控机床的应用已很普及，然而，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造设计大有可为。为了专业教学的需要，更新现有的数控实验设备以改善办学条件，比较经济有效的办法就是充分利用和改造现有的设备，满足实践教学的需要。

1系统改造设计方案

在调研的基础上对CW6132车床进行数控化控制设计，设计的主导思想是数控化后的机床，能够达到使用一台数控机床就可提供一个整班实施电气装调实训的配套设备与环境，同时也能满足一定的机械加工任务。所以在机床改造设计时，根据机床功能要求进行结构设计，要求电气元件的安装，接口信号的端子安排都要进行最大程度的整合。在改造方案中,利用该机床的机械结构，液压冷却系统作相应调整，重新设计新型防护罩板，用滚珠丝杠副代替原滑动丝杠副，进给伺服系统中采用交流伺服电动机，X轴选用1FK7060，Z轴选用1FK7063交流伺服电动机，机械连接采用电机与丝杠副通过联轴节带来传动；主轴的驱动取消原接触器控制方式，采用西门子公司生产的MM420变频器作为主轴的驱动装置，并在802D系统中将其配置为模拟主轴，另外重点对机床电器控制部分的具体功能进行分类整合。

数控系统的选择，经过反复的比较，我们选择西门子802D数控系统。西门子 802D数控系统是西门子公司推出的经济型数控系统，是公司针对车床和铣床开发的中档数控系统，其核心部件PCU将CNC、PLC、HMI和通讯等功能集成于一体，可靠性高、易于安装，并且该系统具有免维护的特点[2]，通过现场总线PROFIBUS将驱动器、进行连接和通讯；集成了内置PLC系统，对机床进行逻辑控制，并且随机提供标准的PLC子程序库和实例程序，简化了设计过程，缩短了设计周期。

本次驱动单元改造选择SIMODRIVE611UE，选择611UE双轴模块作为伺服驱动模块，同时在双轴模块上设定叠加轴，配置为模拟主轴，完成对主轴的控制。

2系统方案工作原理

2.1 系统整体原理介绍改造后，机床整体连接的结构如图1所示，西门子 802D是基于PROFIBUS总线的数控系统。输入输出信号是通过PROFIBUS传送的，位置调节（速度给定和位置反馈信号）也是通过PROFIBUS完成的。ROFIBUS电缆应根据机床电柜的布局连接，每一个PROFIBUS插头上均由一开关，开关的on/off设置，遵循两头on，中间off的原则。PCU 是主站，SIMODRIVE 611UE 和PP72/48是从站。每个PROFIBUS从设备（如PP72/48、611UE）都具有自己的总线地址，因而从设备在PROFIBUS总线上的排列次序是任意的。PROFIBUS两个终端设备的终端电阻开关应拨至ON位置，PP72/48的总线地址由模块上的地址开关S1设定，第一块的总线地址为“9”（出厂设定）。611UE的总线地址利用工具软件SimoCom U设定，也可以通过611UE操作面板上的输入键来设定。设定参数MD11240=3，611UE总线地址设定值为12，图1中X2、X4、X423 是PROFIBUS接口，用于连接PROFIBUS 的9芯D型孔型插头，X111、X222 和X333，是PP72/48上用于连接数字输入和输出的50 芯扁平电缆插头，X1201和X1202，是MCP上用于连接PP72/48的50芯扁平电缆插头。

2.2 电气控制系统设计电气控制系统设计针对功能需要选择电气元件，把需要完成的电气装调内容单独列出来，设计电气原理图，制作电气安装板，各项控制功能通过7个X1-X7航空插头传输到改造好的数控机床上来实现，电气调试到满足数控车床的各项控制功能至正常，X1插头用39号红色导线和40号黄色导线连接机床工作灯，X2插头连接机床冷却泵，X3用插头连接机床集中部件，X4插头连接机床刀架部件，X5插头连接机床PCU与NC信号，X6插头连接数控车床X轴与Z轴超程限位，X7插头对数控车床驱动器与变频器信号进行传输。通过这样信号传输就可以把机床的一些电气控制功能单独从电路控制中提取出来，单独制作电气安装板，这样改造好的一台数控车床就可以配备多台电气控制板，平常可以进行正常的数控加工任务，在教学中又可以让学生在控制板上进行电气装调训练。

2.3 PLC程序的模块实现采用西门子802D系统所提供的PLC子程序库可以迅速搭建用户PLC应用程序[3]。参照系统自带的工具盒（Tool box）中配备的“PLC802文件库”，首先通过通讯软件WINPCIN，将车床的初始化文件通过串口以二进制传送到802D系统中，下载初始化文件F，系统自动为车床配置两个进给轴和一个主轴，系统已为车床的标准配置，并且在802D子程序库的基础上搭建PLC应用程序，设置参数MD14510[16]=1；MD14510[28]=17；MD14510[30]=21；MD14512[16]=CH；MD14512[18]=8H；就可以完成802D系统PLC程序的基本功能调试。

在802D系统提供的子程序中，根据不同功能分别进行了定义，主要包括PLC-INI（系统初始化）、EMG-STOP（急停处理）、MCP-NCK（机床控制面板MCP信号送至NCK接口）、AXIS-CTL（进给轴和主轴使能控制）、LUBRICAT（定时、定量控制）、COOLING（冷却控制）等，所有选择的子程序必须在主程序（MAIN）OB1中进行调用[4]。在CA6132卧式车床的改造中，我们仅使用SBR31 USR-INI子程序，在其中写入设备主轴手动控制，大拖板的进给等控制的子程序。

2.4 NC系统调试就电气控制而言，机床主轴的控制是有别于机床伺服轴的。一般情况下，机床主轴的控制系统为速度控制系统，而机床伺服轴的控制系统为位置控制系统。换句话说，主轴编码器一般情况下不是用于位置反馈的，也不是用于速度反馈的，而仅作为速度测量元件使用[5]。本改造机床主轴驱动单元使用了带速度反馈的驱动装置以及3.7KW标准主轴电机，主轴可以根据需要工作在伺服状态，所以主轴编码器作为位置反馈元件使用。此外采用的变频器是MM 420西门子变频器。图3是变频器与611U伺服驱动的连接图。

802D数控系统配置变频主轴时，变频器0-10V的指令电压是通过611UE的X411端口上的75.A和15给出的,正反转指令是通过X453端口上的Q0.A和Q1.A给出的。

在系统初始化后，NC系统已成为车床的标准化配制，按说明书要求依次设置进给轴参数，主轴参数，再利用准备好的驱动器串口调试电缆将计算机与611UE 的X471端口连接起来；启动伺服驱动器调试工具SimoCom U，选择联机方式；进入专家表（Ctrl+E），配置电机参数：

P890=4 编码器信号源来自X472 接口

P922=104 主轴信号的PROFIBUS 报文类型

P1007=1024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。

P915[8]=50103 总线给定值配置：模拟输出送到X441 的端子75.A 和15

P915[9]=50107 总线给定值配置：数字输出送到X453 的端子Q0.A 和Q1.A

在SimoComU 的主画面上选择存储数据，再选择上电复位。这样就完成了模拟主轴相关伺服驱动器的参数设置[6]。

2．5 伺服驱动器的优化SimoCom U是西门子公司开发的用于调试Simodrive 611U的一个软件工具[7]，可实现对驱动器参数的优化，可根据伺服电机实际拖动的机械部件，对611UE速度控制器的参数进行自动优化，也可以监控驱动器的运行状态。具体步骤是通过RS232连接计算机与611UE 的X471端口，通过定义驱动器的名称，设定各坐标轴PROFIBUS的总线地址，再输入电机型号和编码器的型号后，在转速/力矩运行模式下运行驱动器，优化的效果是伺服系统速度环的动态特性，与电机和机械传动装置的连接方式有关。

3结语

对通用车床结合实际改造方案进行数控化改造设计，首先可以提高等院校中设备的利用率，更重要的是在数控化改造过程中可以根据教学内容安排需要合理进行设备的改造过程，提高教师的现场动手技能，也便于在今后教学活动中进行教学组织，研制的数控加工操作与电气维修培训一体机解决了机床电气装调实训设备配套经费昂贵的瓶颈问题，可利用现有旧机床改造设计获得可供实施教学的配套设备与环境。

参考文献：

[1]高杉，赵波.普通机床的数控改造策略.辽宁省交通高等专科学校学报，2009，（6）:40-41.

[2]李南，张博等.西门子802D数控系统在DPS1800车床数控改造中的应用.机床与液压，2009，（5）:181-182.

[3]陈平信.西门子系统与数控机床改造.中国设备工程，2008，（12）：12-16.

[4]李河水，孙淑敏，刘志安.FANUC OI 数控系统数据备份和恢复.设备管理与维修，2008，（9）：24-27.

[5]李盛宇.普通车床的数控化改造.机械制造与自动化，2005，（6）:121-123.

[6]常兴，刘国锋，田勇.普通车床数控化改造及其设计计算.现代制造工程，2005，（8）:26-27.

[7]沈军达.普通车床的数控化改造.机电工程，2006，Vol（23），No.2：26-29.