胡国清

（武汉中控南方科技有限公司，武汉430070）

摘要：文章以1台龙门加工中心的改造为例，叙述了SINUMERIK 828D数控系统常用功能的应用开发技术，包括系统配置与连接、模拟主轴、刀具管理、双向丝杠螺距误差补偿等。

关键词： 828D 加工中心刀具管理 模拟主轴 双向螺距误差补偿

中图分类号：TP29     文献标识码：B

 

Application in SIEMENS 828D

·         on gantry machining center type FPU3000 from Spain NC Alteration

HU Guoqing

（Wuhan ZoControl South Science & Technology Co., Ltd.，Wuhan 430070，CHN）

Abstract：This text is from an example of one gantry maching centre，normal function devolopment and application in SIEMENS SINUMERIK 828D on the congener machine are described. Such as system configuration & connection，analog spindel servo system，tool management，Direction-dependent leadscrew error compensation，etc..

Keywords：828D；Maching centre；Tool management；Analog spindel；Direction-dependent leadscrew error compensation.

 

SINUMERIK 828D数控系统是西门子公司近年推出的面向标准型车削、铣削和磨削机床的中端数控系统，其适用于立式/卧式加工中心、平面及内外圆磨床等，以及带有副主轴、动力刀头和 Y 轴的双通道车床。

笔者以一台由西班牙ZAYER公司生产的FPU3000龙门加工中心数控改造为例，阐述828D数控系统的主要功能应用。

1. 机床结构

FPU3000龙门加工中心的主机部分是一台工作台移动的定梁龙门铣床，数控轴有工作台前后移动（X轴）、溜板水平移动（Y轴）、滑枕垂直移动（Z轴）、主轴（SP）和刀库定位轴（Q轴），主轴功率42kW，主轴最高转速1800rpm，龙门宽度2200mm，X轴行程3000mm，Y轴行程3000mm，Z轴行程1000mm，X、Y、Z轴均通过封闭式直线光栅尺作全闭环控制，主轴具有机械两档，通过直接位置编码器实现全闭环控制。机床自带侧挂式链式刀库，60个刀位，带有液压控制的机械手用于换刀。

2. 系统配置

系统选用PPU260.3，最多支持6个数控轴和2个PLC轴，5MB用户内存，支持最多4轴插补功能，配置10.4”彩色TFT显示器，带有测量系统和丝杠螺距误差双向补偿选项功能（6FC5800 -0AM54-0YB0），以便实现各进给轴的双向独立的定位精度补偿，提高机床的进给定位精度，828D的双向螺距误差补偿实际上是通过悬垂补偿功能实现的，只是补偿的源轴和目标轴为同一轴。

各进给轴均采用SINAMICS S120书本型模块驱动1FT7交流伺服电机，所有伺服电机自带的DriveCLiQ接口编码器均直接接入驱动总线，配置带馈电功能的S120电源模块和AIM滤波接口模块，可适应供电电网电压有一定波动情况下的运行。所有闭环测量装置均通过SMC30模块将原光栅尺或编码器的TTL方波信号经转换接入到DriveCLiQ总线，因PPU、S120自带的DriveCLiQ接口不够用，另外增加一个DMC20集线器模块。

系统配置两块PP72/48D-2A型I/O板，自带的模拟量输入通道用于连接安装于机床导轨上的Pt100热电阻温度测量信号，以实现机床加工过程中的因导轨温度变化等引起的机械部分伸长的温度补偿。配置手持单元，其相应的I/O信号以及操作箱本体的按钮/指示灯等I/O信号直接通过专用电缆连接至MCP483C的X51/ X52/X53/X54/X55端子，其地址直接纳入MCP483C的接口信号，这样可减少从操作箱至控制柜的线缆。

通过PPU自带的模拟主轴功能，由X252端子输出的模拟量给定电压控制第三方变频器驱动原1PH6交流主轴电机，在变频器的AI1输入端并联一个电容（0.22μF,50V）可以减少因干扰引起的电压不稳定,通过参数设置定义变频器内部输出继电器的含义及特性，将主轴零速、速度到达、故障等状态信号链接至PLC的DI信号中，以便实现机床相应的连锁保护。

整个机床的数控系统主要硬件配置连接如图1所示，DriveCLiQ总线拓扑不一定要按照图中连接，只要符合其拓扑规则连接，驱动调试与分配轴时与实际连接相匹配即可。

   

图1 FPU3000龙门加工中心数控系统配置图

 

3. 功能实现

3.1  模拟主轴

828D系统面板自带模拟主轴输出信号，有双极性电压（±10V，对应的MD30134=0）、单极性电压（0～10V，对应的MD30134=1），根据变频器的特性选择。变频器的使能可由X252的第12脚（DIO14）来控制，也可以由PLC另行控制。需要注意的是，X252的1-2脚到变频器的AI1的模拟量给定信号电缆需用屏蔽电缆，屏蔽层单端接地，以减少干扰。

模拟主轴的相关参数设定如下：

MD10000 AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[3]=SP

MD20070 AXCONF_MACHAX_USED[3]=4

MD20080 AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[3]=SP

MD30100 CTRLOUT_SEGMENT_NR[0,AX4]=0 ；模拟轴

MD30110 CTRLOUT_MODULE_NR[0,AX4]=4 ；给定值模块号

MD30130 CTRLOUT_TYPE[0,AX4]=1 ；给定值输出是否有效

MD30134 IS_UNIPOLAR_OUTPUT[0,AX4]=0 ；给定值为双极性电压

MD30200 NUM_ENCS[0,AX4]=1 ；表示有位置编码器，若无则设为0

MD30230 ENC_INPUT_NR[0,AX4]=2 ；编码器信号端口号

MD30240 ENC_TYPE[0,AX4]=1；表示编码器类型为增量型，绝对值型则设为0

MD30300 $MA_IS_ROT_AX[AX4]=1 ；旋转轴

MD30310 $MA_ROT_IS_MODULO[AX4]=1 ；旋转轴为模态

MD30320 $MA_DISPLAY_IS_MODULO[AX4]=1 ；显示为模态

MD31020 ENC_RESOL[0,AX4]=2000 ；编码器每转脉冲数

MD31040 $MA_ENC_IS_DIRECT[0,AX4]=1 ；编码器直接安装在主轴上

MD31050 $MA_DRIVE_AX_RATIO_DENOM[0,AX4]=10 ；I档传动比分母

MD31050 $MA_DRIVE_AX_RATIO_DENOM[1,AX4]=10 ；I档传动比分母

MD31050 $MA_DRIVE_AX_RATIO_DENOM[2,AX4]=100 ；II档传动比分母

MD31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[0,AX4]=55 ；I档传动比分子

MD31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[1,AX4]=55 ；I档传动比分子

MD31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[2,AX4]=105 ；II档传动比分子

MD32250 $MA_RATED_OUTVAL[0,AX4]=100 ；额定输出值100%

MD32260 $MA_RATED_VELO[0,AX4]=4200 ；10V输出时对应的电机转速

MD35000 $MA_SPIND_ASSIGN_TO_MACHAX[AX4]=1 ；主轴分配

3.2  刀具管理

828D PPU260.3系统自带刀具管理功能，支持一个物理刀库，且具有完整的刀具寿命监控功能（加工时间、工件计数），若物理刀库数量大于1,则需增加选项功能。对于FPU3000龙门加工中心来说，其60刀位的链式刀库不带独立的装卸刀库，正好适合该系统基本配置的应用。

刀库配置：链式物理刀库号为1，刀库缓冲区（包括机械手爪1、机械手爪2、主轴，共3个刀位）作为一个虚拟刀库，其刀库号为9998，装刀点作为另一个虚拟刀库，刀库号为9999，该机床设置一个装刀点。

刀库初始化配置文件为toolbox光盘的examples\Tool_management目录下的Mag_conf. mpf，对其中的基本定义部分修改如下：

N20 NUM_MAG=1   ；刀库号

N30 MAG_TYPE=1   ；刀库类型（1：链式刀库，3：刀塔，5：矩阵式刀库）

N40 LOCATIONS=60  ；刀位数量

N50 NUM_BUFFER=3  ；缓冲区刀位数量

N60 NUM_LOAD=1    ；装刀点数量

N70 PLACE_SEARCH=12289；换刀策略（257：固定点换刀，12289：随机换刀）

修改后将该文件拷贝到制造商循环目录下，并复制其全部内容至MDA窗口中执行一次即可生效。

设置换刀子程序名称：

MD10715 M_NO_FCT_CYCLE[0]=6 ；对应M6

MD10716 M_NO_FCT_CYCLE_NAME[0]=TCHANGE ；表示M6调用TCHANGE.SPF

编制TCHANGE.SPF换刀程序，内容如下：

PROC TCHANGE SAVE DISPLOF ；屏蔽运行过程显示信息

DEF INT WZ_SP,WZ_VOR      ；定义两个整数变量

IF(NOT $P_SEARCH)         ；若不是段搜索

  WZ_SP=$TC_MPP6(9998,1)  ；读取主轴上的刀具号

  GETSELT(WZ_VOR)         ；读取编程刀具号

  IF(WZ_SP<>WZ_VOR)       ；若主轴上的刀具号与编程刀具号不同则换刀

    SPOSA[1]=0            ；主轴定位到0°

    GO G75 Z=0            ；定位到换刀点

    WAITS(1)              ；等待主轴定位完毕

  ENDIF

ELSE

ENDIF

M206                      ；换刀开始，触发PLC换刀程序执行

SETPIECE(1)               ；刀具监控：工件计数减1

M17

编制换刀任务表是完成换刀PLC程序的关键，首先在PLC程序中添加3个系统DB块：DB9900（常量传递表）、DB9901（变量传递表）、DB9902（响应表），在表中定义刀具和刀库所有可能的状态。

对于装刀、卸刀指令，刀具管理系统响应DB块为DB4100，DBX0.0代表有指令，DBX1.0表示装刀，DBX1.1表示卸刀，DBX1.2表示刀具移位，DBX1.3表示刀库定位，DBW6/8为新刀源地址的刀库号和刀位号，DBW10/12为旧刀目标地址的刀库号和刀位号。

对于刀具准备、换刀指令，刀具管理系统响应DB块为DB4300，DBX0.0代表有指令，DBX1.0表示固定点换刀，DBX1.1表示换刀M206，DBX1.2表示刀具准备Tx，DBX1.3表示T0，DBX1.4表示无旧刀，DBX1.5表示手动装刀，DBX1.6表示手动卸刀，DBW6/8为新刀源地址的刀库号和刀位号，DBW18/20为旧刀目标地址的刀库号和刀位号。

换刀响应有同步响应和异步响应，同步响应是指有换刀指令时某个步骤完成时的响应：1表示该换刀步骤全部完成，3表示换刀过程中断，105表示中间的某个步骤完成但整个换刀指令未完成；异步响应是可以随时响应的，不需要换刀指令，通常用于旧刀离开主轴后入库的步骤，以使旧刀入库不占用加工时间。换刀动作通过PLC逻辑程序实现，各步骤完成激活相应的接口信号通知刀具管理系统。

3.3  双向螺距误差补偿

828D标准配置中包含反向间隙补偿、丝杠螺距误差补偿、温度补偿，双向螺距误差补偿功能与悬垂补偿的参数设置与调试基本相同，对于机床轴的正向、反向运行时的各自重复定位误差较稳定，但二者又相差较大时适合使用双向螺距误差补偿，以获得更好的数控定位精度。螺距误差补偿和悬垂补偿均适用于直线轴和旋转轴。

根据各轴行程设置合适的补偿点数，X、Y轴行程3000mm，设置步距200mm，采集点数16个。Z轴行程1000mm，设置步距100mm，采集点数11个。有关参数设置如下：

MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[0]=16；补偿表1用于X轴正向，点数16个

MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[1]=16；补偿表2用于X轴负向，点数16个

MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[2]=16；补偿表3用于Y轴正向，点数16个

MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[3]=16；补偿表4用于Y轴负向，点数16个

MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[4]=11；补偿表5用于Z轴正向，点数11个

MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[5]=11；补偿表6用于Z轴负向，点数11个

SD41300 $CEC_TABLE_ENABLE[0～5]=1；激活第1～6个补偿表

MD32710 $CEC_ENABLE[AX1～3]=1；该参数在补偿表运行完后设置

X轴正向补偿表内容如下：

$AN_CEC[0,0]=0         ；第1补偿表第1点补偿值为0mm

$AN_CEC[0,1]=0.006     ；第1补偿表第2点补偿值为0.01mm

$AN_CEC[0,2]=0.011     ；第1补偿表第3点补偿值为0.012mm

……

$AN_CEC[0,15]=0.023    ；第1补偿表第16点补偿值为0.023mm

$AN_CEC_INPUT_AXIS[0]=（AX1）   ；参照轴为X轴

$AN_CEC_OUTPUT_AXIS[0]=（AX1）  ；目标轴为X轴

$AN_CEC_STEP[0]=200             ；步距为200mm

$AN_CEC_MIN[0]=0.0              ；参照轴起点值为0.0mm

$AN_CEC_MAX[0]=3000.0           ；参照轴终点值为3000.0mm

$AN_CEC_DIRECTION[0]=1  ；正向有效（1：正向，0：双向，-1：负向）

$AN_CEC_MULT_BY_TABLE[0]=0

$AN_CEC_IS_MODULO[0]=0          ；参照轴为直线轴（1：旋转轴）

M17

其它补偿表类似，将激光干涉仪生成的绝对误差值填入表中，激光检测时应设置的轴正向与机床轴正向一致，补偿表完成后复制粘贴到MDA窗口中执行一次，然后设置MD32710=1，轴重新返回参考点后补偿生效，可在轴诊断中实时观察到各点误差补偿值。

4. 结语

该加工中心的完整数控功能调试还有许多，如伺服优化、安全连锁保护程序、温度补偿等，828D还有一些很实用的功能值得学习，如EasyScreen用户自定义界面、远程诊断与维修Access Mymachine、机床状态短信发送Easy Message等，限于篇幅在此不一一赘述。

 

  作者：胡国清，男，1971年生，本科，高级工程师，武汉中控南方科技有限公司总经理，多年来一直从事数控与工业自动化系统应用设计与研究，出版数控技术专著及发表论文100余万字，中国设备工程专家库高级专家，《再制造 重型机床再制造通用技术条件》国家标准起草专家咨询委员会专家。