基于siemens802D数控对XK715B机床的数控化改造

一、改造前机床概况

XK715B机床作为我厂重点设备之一，一直承担着重要的加工任务，该机床是20世纪世纪90年代初期从上海第四机床厂引进的立式数控铣床。机床原数控系统配置为美国A-B公司的8400MP，X、Y、Z轴驱动均为安川驱动装置，主轴驱动为安川变频器。由于购置较早，近年来，该设备电器及控制系统已经严重老化，故障频繁不断；另一方面，数控系统及驱动装置的版本相当低，同型号的产品生产厂家已经停产，购置备件非常困难且价格相当昂贵。我处对板级上的元器件也作过多次修复，随着企业生产任务的加重，设备故障日渐突出。我们结合实际情况进行了仔细地讨论和分析，决定对该机床进行全面地改造。

二、改造方案及实施

1．控制系统的选择

(1)数控系统的选择

经多种系统的综合比较，我们最终确定Siemens 802D作为本次改造的数控系统。该系统具有免维护性能，其核心部件PCU（面板控制单元）将CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体，可靠性高、易于安装；SINUMERIK802D可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴；通过生产现场总线Profibus将驱动器、输入输出模块连接起来；模块化的驱动装置SIMODRIVE611UE配套1FK6系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。

此外，该系统可通过视窗化的调试工具软件，便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化。SINUMERIK802D也集成了内置PLC系统，对机床进行逻辑控制，采用标准的PLC的编程语言Micro/WIN进行控制逻辑设计，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。

(2)驱动系统

在改造过程中，驱动装置按照西门子系统配套的标准配置以达到系统性能的最佳，保证机床改造后运行的稳定性和可靠性，且便于日后的维护。原主轴电机更换成普通的三相交流异步电机，采用变频器来驱动主轴电机。

2．机械部分

经查，该机床的各方面机械性能都非常完好，无需作较大的更换或修复，由于机床的X、y、Z三直线轴将采用配套的西门子交流伺服电机，根据实际需要，应重新连接上相协调的减速器装置来满足电机与丝杆间的连接。此外，自动润滑装置和冷却装置均完好，全部保留。

3．硬件连接

考虑到该机床的输入，输出点所需点数少，在该机床的实际改造过程中使用一个PP72/48接口装置已足够。其连接方法是：将PP72/48的X111、X222接口用于MCP的信号连接，另一接口X333用于机床的I/O。其他的连接完全根据调试手册的说明进行操作，应强调的是在调试前应仔细检查连接有无错误。详细的硬件连接图如图1所示。

 三、项目难点及处理内容

1．PLC的修改和补充

在例子程序的急停处理块(EMG_STOP)中，需要对电源模块上电过程结束(PO-END: M130.7)到#T 72准备完成的响应过程做一个延时。在调试中发现，该延迟时间客观上是完全存在的，时间的长短因电源模块的性能而异。如不加延时，需要反复按“RESET”键才能使电源模块正常上电。鉴于安全考虑’我们在梯形图中将一个RESET (16.0)的常闭点插入到使能结束点(M130.7)的后面（见图2）。机床起动后，只需按住“RESET”键保持一段时间，电源模块便能正常上电（内部触点72与73.1接通：直流母线电压输出）。当然，也可直接增加一个延时程序段或定义一个备用键加在M130.7的后面，起到同样的效果。 

 2．模拟主轴功能不能生效

西门子802D系统的模拟主轴功能是将SIMODRIVE 611UE闭路控制模块的模拟输出作为设定点输出，同时将编码器接口（-X472）作为TTL实际值输入。此时，数字进给轴作为转换轴用于模拟主轴的设定值。在起初设定的过程中发现，该功能始终不能生效，其报警信息为。2601 5 DRIVE-TELEGRAM_TYPE P915[3] INVAILD”。为此，我们始终把注意力放在了该报警提示内容当中，认为模拟主轴功能没有生效的原因是参数设置问题，反复检查P915中的各参数的设定，并修改试图消除报警信息，均未取得成功。最后，在查阅电子手册时发现，其中参数13070[0]应设为“8000H”，而在调试手册2002版本中没有设置该参数。把该参数设定后重新启动系统，报警清除，在MDA方式下给主轴运行指令，模拟电压和正、反转信号正常输出，即故障得到了排除。关于该点想强调的是要注重参数在系统功能中的重要性，并注意参考资料的全面性和准确性。

3．模拟电压值太低

在对主轴的调试过程中发现，转换轴（本机床使用的地址为12的x轴）给出的模拟电压最大值仅为3.4V。在一定速度范围内，当改变指令速度值的大小时，转换轴所输出的模拟电压可以随速的变化而平滑地变化；当速度指令达到1500r/min后模拟电压便达到最大值，而输入大于1500r/min的速度指令时模拟电压保持最大值3.4V。显然，如果模拟电压达不到需要的值，变频器的输出速度将不能达到要求值，将电压调整到O～10V的范围内是下一步需要解决的问题。

根据调试手册的简单提示，模拟接口的调整是通过参数MD32250和MD32260来实现的。我们采用一台额定转速为1440r/min的电机作为测试电机，在MDA方式下执行指令为“M03 S1440”，在反复修改参数MD32250和MD32260的调试过程中，得出如表1所示几组测试数据。

从表1的试验数据可以看出，在给定同一转速指令情况下，参数MD32250设定值（有效设定范围：o～ioo）越大，转换轴给出的模拟电压会越大；相反，参数MD32260设定值越大，转换轴给出的模拟电压将会越小。掌握了这一规律对模拟电压的调整便得心应手。在调试过程中，应将电机在最高转速时对应给出的模拟电压值调整到10V为宜。

4．系统指令给出，但变频器工作异常

本次改造所采用的主轴变频器为安川Varispeed G7变频装置，其型号是CIMR-G7A4015。变频器与转换轴、主轴电机的硬件连接图如图3所示。

图3主轴控制硬件连接图

数控系统给出指令后发现，主轴变频器上的正转信号灯点亮（即正转信号输入）；与此同时，变频器的。”RUN”灯不断闪烁，”STOP”灯一直亮着，主轴未运转。在变频器的使用手册中查阅报警表并无该类现象，接下来，采用自学习模式和手动操作模式单独测试，确认电机运行正常，排除了变频器本身有故障的可能性。经考虑，模拟电压的正常给定应作为检查的重点，经检查为图3中A1和Ac的导线接反所致。因此，电压的极性接反是导致该问题的根本原因。

5．变频器对系统干扰严重，总线和驱动频频报警变频器的干扰在这次改造中表现相当突出，在电器柜内的元器件上必须合理布局。在调试过程中发现，当给定电机的转速达到一定高后，profibus总线突然报警，同时驱动器上的总线报警红灯点亮，各驱动模块通讯错误报警，最严重的情况是驱动全部瞬间断电。在自学习模式和手动操作模式下单独操作变频器时干扰程度依然存在。为了进一步找到原因，我们将变频器远离驱动器及相关设备，试运行主轴。其干扰不再存在。因此，重新对变频器的安装位置做了调整，并完善了一些减轻干扰的必要措施。

6．主轴停止异常，变频参数的优化与调整    该故障是操作人员在试运行机床的过程中发现的，当机床执行指令“M05或M30，，时，每当主轴减速停止后，电源模块便自动掉电，即内部触点72与73.1断开，直流母线电压中断输出。这种情况下，必须按住“reset”键使电源模块重新上电，并重新回参考点后机床才能进行正常加工。测试过程中发现，该现象并非偶然，而是只要主轴停止该现象便会发生，也就是说事实上在MDI方式下也存在。

为此，我们怀疑到几点可能原因：一是主轴停止过程中变频器存在干扰；二是PLC逻辑关系可能存在缺陷，特别是前面提到对急停链的处理可能会对主轴停止有影响；三是转换轴给定的模拟电压及正、反转信号在取消过程中是否存在不妥之处；接下来，将正、反转信号线取消，同样在MDA方式下执行主轴运转到主轴停止指令（即此时主轴并不转动，模拟信号标准给定），测试结果是故障并未发生，由此排除了PLC存在缺陷。那么，正、反转信号直接通过人为给定时的结果会怎样呢？直接将S1与Sc连接上运行主轴测试，发现故障依旧。最后认为其根本原因还是变频器的干扰在一定程度上仍然存在，但干扰可能是综合因素。

为了减低从电机产生的载波声和漏电流，决定通过调整变频器输出晶体管的开关频率（载波频率）来进一步降低干扰。通常在以下三种情况下应降低载波频率：一是变频器和电机的接线距离太长时；二是在低速时，速度和转矩有较大不稳定；三是变频器产生的漏电流较大时。因此，降低载波频率对这几种情况都能起到一定的作用，而从该故障看三种情况都有存在的可能。于是将变频器参数C6-02由初始值3（对应载波为8.OkHz）修改为1（对应载波为2.OkHz），保存设置并重新起动机床和变频器，反复运行和停止主轴测试，故障再未发生。

四、结束语

经改造，该机床的可靠性和可维护性得到了大大地提高，机床精度也得到了极大地改善。整个改造过程，投资成本少、质量高、收效快等突出特点得到大家的一致好评。同时，该机床的成功改造为以后的改造和维护工作也带来了宝贵的经验和启示。机床的如期使用，及时缓解了工厂的生产压力，为企业带来了良好的经济效益。 

五、应用体会

SIEMEN S802D作为西门子公司推出的的经济型数控系统，其稳定性、可靠性在实际应用中都很高，该机床自改造成功以来，尚未出现任何故障。该产品资料详尽、调试方便，友好的人机界面更是受到包括操作人员在内的极高认可。

参考文献

1．SINUMERIK 802D简明调试指南，西门子（中国）有限公司，2002版本。

2．Varispeed G7使用说明书，（日）株式会社安川电机，2003年4月