西門子828D在西班牙FPU3000龍門加工中心改造中的應用
胡國清
（武漢中控南方科技有限公司，武漢430070）
 
摘要：文章以1臺龍門加工中心的改造為例，敘述了SINUMERIK 828D數控系統常用功能的應用開發技術，包括系統配置與連接、模擬主軸、刀具管理、雙向絲杠螺距誤差補償等。
關鍵詞： 828D 加工中心 刀具管理 模擬主軸 雙向螺距誤差補償
中圖分類號：TP29     文獻標識碼：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數控系統是西門子公司近年推出的面向標準型車削、銑削和磨削機床的中端數控系統，其適用于立式/臥式加工中心、平面及內外圓磨床等，以及帶有副主軸、動力刀頭和 Y 軸的雙通道車床。
筆者以一臺由西班牙ZAYER公司生產的FPU3000龍門加工中心數控改造為例，闡述828D數控系統的主要功能應用。
1. 機床結構
FPU3000龍門加工中心的主機部分是一臺工作臺移動的定梁龍門銑床，數控軸有工作臺前后移動（X軸）、溜板水平移動（Y軸）、滑枕垂直移動（Z軸）、主軸（SP）和刀庫定位軸（Q軸），主軸功率42kW，主軸最高轉速1800rpm，龍門寬度2200mm，X軸行程3000mm，Y軸行程3000mm，Z軸行程1000mm，X、Y、Z軸均通過封閉式直線光柵尺作全閉環控制，主軸具有機械兩檔，通過直接位置編碼器實現全閉環控制。機床自帶側掛式鏈式刀庫，60個刀位，帶有液壓控制的機械手用于換刀。
2. 系統配置
系統選用PPU260.3，最多支持6個數控軸和2個PLC軸，5MB用戶內存，支持最多4軸插補功能，配置10.4”彩色TFT顯示器，帶有測量系統和絲杠螺距誤差雙向補償選項功能（6FC5800 -0AM54-0YB0），以便實現各進給軸的雙向獨立的定位精度補償，提高機床的進給定位精度，828D的雙向螺距誤差補償實際上是通過懸垂補償功能實現的，只是補償的源軸和目標軸為同一軸。
各進給軸均采用SINAMICS S120書本型模塊驅動1FT7交流伺服電機，所有伺服電機自帶的DriveCLiQ接口編碼器均直接接入驅動總線，配置帶饋電功能的S120電源模塊和AIM濾波接口模塊，可適應供電電網電壓有一定波動情況下的運行。所有閉環測量裝置均通過SMC30模塊將原光柵尺或編碼器的TTL方波信號經轉換接入到DriveCLiQ總線，因PPU、S120自帶的DriveCLiQ接口不夠用，另外增加一個DMC20集線器模塊。
系統配置兩塊PP72/48D-2A型I/O板，自帶的模擬量輸入通道用于連接安裝于機床導軌上的Pt100熱電阻溫度測量信號，以實現機床加工過程中的因導軌溫度變化等引起的機械部分伸長的溫度補償。配置手持單元，其相應的I/O信號以及操作箱本體的按鈕/指示燈等I/O信號直接通過專用電纜連接至MCP483C的X51/ X52/X53/X54/X55端子，其地址直接納入MCP483C的接口信號，這樣可減少從操作箱至控制柜的線纜。
通過PPU自帶的模擬主軸功能，由X252端子輸出的模擬量給定電壓控制第三方變頻器驅動原1PH6交流主軸電機，在變頻器的AI1輸入端并聯一個電容（0.22μF,50V）可以減少因干擾引起的電壓不穩定,通過參數設置定義變頻器內部輸出繼電器的含義及特性，將主軸零速、速度到達、故障等狀態信號鏈接至PLC的DI信號中，以便實現機床相應的連鎖保護。
整個機床的數控系統主要硬件配置連接如圖1所示，DriveCLiQ總線拓撲不一定要按照圖中連接，只要符合其拓撲規則連接，驅動調試與分配軸時與實際連接相匹配即可。



圖1 FPU3000龍門加工中心數控系統配置圖
 
3. 功能實現
3.1  模擬主軸
828D系統面板自帶模擬主軸輸出信號，有雙極性電壓（±10V，對應的MD30134=0）、單極性電壓（0～10V，對應的MD30134=1），根據變頻器的特性選擇。變頻器的使能可由X252的第12腳（DIO14）來控制，也可以由PLC另行控制。需要注意的是，X252的1-2腳到變頻器的AI1的模擬量給定信號電纜需用屏蔽電纜，屏蔽層單端接地，以減少干擾。
模擬主軸的相關參數設定如下：
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 ；模擬軸
MD30110 CTRLOUT_MODULE_NR[0,AX4]=4 ；給定值模塊號
MD30130 CTRLOUT_TYPE[0,AX4]=1 ；給定值輸出是否有效
MD30134 IS_UNIPOLAR_OUTPUT[0,AX4]=0 ；給定值為雙極性電壓
MD30200 NUM_ENCS[0,AX4]=1 ；表示有位置編碼器，若無則設為0
MD30230 ENC_INPUT_NR[0,AX4]=2 ；編碼器信號端口號
MD30240 ENC_TYPE[0,AX4]=1；表示編碼器類型為增量型，絕對值型則設為0
MD30300 $MA_IS_ROT_AX[AX4]=1 ；旋轉軸
MD30310 $MA_ROT_IS_MODULO[AX4]=1 ；旋轉軸為模態
MD30320 $MA_DISPLAY_IS_MODULO[AX4]=1 ；顯示為模態
MD31020 ENC_RESOL[0,AX4]=2000 ；編碼器每轉脈沖數
MD31040 $MA_ENC_IS_DIRECT[0,AX4]=1 ；編碼器直接安裝在主軸上
MD31050 $MA_DRIVE_AX_RATIO_DENOM[0,AX4]=10 ；I檔傳動比分母
MD31050 $MA_DRIVE_AX_RATIO_DENOM[1,AX4]=10 ；I檔傳動比分母
MD31050 $MA_DRIVE_AX_RATIO_DENOM[2,AX4]=100 ；II檔傳動比分母
MD31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[0,AX4]=55 ；I檔傳動比分子
MD31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[1,AX4]=55 ；I檔傳動比分子
MD31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[2,AX4]=105 ；II檔傳動比分子
MD32250 $MA_RATED_OUTVAL[0,AX4]=100 ；額定輸出值100%
MD32260 $MA_RATED_VELO[0,AX4]=4200 ；10V輸出時對應的電機轉速
MD35000 $MA_SPIND_ASSIGN_TO_MACHAX[AX4]=1 ；主軸分配
3.2  刀具管理
828D PPU260.3系統自帶刀具管理功能，支持一個物理刀庫，且具有完整的刀具壽命監控功能（加工時間、工件計數），若物理刀庫數量大于1,則需增加選項功能。對于FPU3000龍門加工中心來說，其60刀位的鏈式刀庫不帶獨立的裝卸刀庫，正好適合該系統基本配置的應用。
刀庫配置：鏈式物理刀庫號為1，刀庫緩沖區（包括機械手爪1、機械手爪2、主軸，共3個刀位）作為一個虛擬刀庫，其刀庫號為9998，裝刀點作為另一個虛擬刀庫，刀庫號為9999，該機床設置一個裝刀點。
刀庫初始化配置文件為toolbox光盤的examples\Tool_management目錄下的Mag_conf. mpf，對其中的基本定義部分修改如下：
N20 NUM_MAG=1   ；刀庫號
N30 MAG_TYPE=1   ；刀庫類型（1：鏈式刀庫，3：刀塔，5：矩陣式刀庫）
N40 LOCATIONS=60  ；刀位數量
N50 NUM_BUFFER=3  ；緩沖區刀位數量
N60 NUM_LOAD=1    ；裝刀點數量
N70 PLACE_SEARCH=12289；換刀策略（257：固定點換刀，12289：隨機換刀）
修改后將該文件拷貝到制造商循環目錄下，并復制其全部內容至MDA窗口中執行一次即可生效。
設置換刀子程序名稱：
MD10715 M_NO_FCT_CYCLE[0]=6 ；對應M6
MD10716 M_NO_FCT_CYCLE_NAME[0]=TCHANGE ；表示M6調用TCHANGE.SPF
編制TCHANGE.SPF換刀程序，內容如下：
PROC TCHANGE SAVE DISPLOF ；屏蔽運行過程顯示信息
DEF INT WZ_SP,WZ_VOR      ；定義兩個整數變量
IF(NOT $P_SEARCH)         ；若不是段搜索
  WZ_SP=$TC_MPP6(9998,1)  ；讀取主軸上的刀具號
  GETSELT(WZ_VOR)         ；讀取編程刀具號
  IF(WZ_SP<>WZ_VOR)       ；若主軸上的刀具號與編程刀具號不同則換刀
    SPOSA[1]=0            ；主軸定位到0°
    GO G75 Z=0            ；定位到換刀點
    WAITS(1)              ；等待主軸定位完畢
  ENDIF
ELSE
ENDIF
M206                      ；換刀開始，觸發PLC換刀程序執行
SETPIECE(1)               ；刀具監控：工件計數減1
M17
編制換刀任務表是完成換刀PLC程序的關鍵，首先在PLC程序中添加3個系統DB塊：DB9900（常量傳遞表）、DB9901（變量傳遞表）、DB9902（響應表），在表中定義刀具和刀庫所有可能的狀態。
對于裝刀、卸刀指令，刀具管理系統響應DB塊為DB4100，DBX0.0代表有指令，DBX1.0表示裝刀，DBX1.1表示卸刀，DBX1.2表示刀具移位，DBX1.3表示刀庫定位，DBW6/8為新刀源地址的刀庫號和刀位號，DBW10/12為舊刀目標地址的刀庫號和刀位號。
對于刀具準備、換刀指令，刀具管理系統響應DB塊為DB4300，DBX0.0代表有指令，DBX1.0表示固定點換刀，DBX1.1表示換刀M206，DBX1.2表示刀具準備Tx，DBX1.3表示T0，DBX1.4表示無舊刀，DBX1.5表示手動裝刀，DBX1.6表示手動卸刀，DBW6/8為新刀源地址的刀庫號和刀位號，DBW18/20為舊刀目標地址的刀庫號和刀位號。
換刀響應有同步響應和異步響應，同步響應是指有換刀指令時某個步驟完成時的響應：1表示該換刀步驟全部完成，3表示換刀過程中斷，105表示中間的某個步驟完成但整個換刀指令未完成；異步響應是可以隨時響應的，不需要換刀指令，通常用于舊刀離開主軸后入庫的步驟，以使舊刀入庫不占用加工時間。換刀動作通過PLC邏輯程序實現，各步驟完成激活相應的接口信號通知刀具管理系統。
3.3  雙向螺距誤差補償
828D標準配置中包含反向間隙補償、絲杠螺距誤差補償、溫度補償，雙向螺距誤差補償功能與懸垂補償的參數設置與調試基本相同，對于機床軸的正向、反向運行時的各自重復定位誤差較穩定，但二者又相差較大時適合使用雙向螺距誤差補償，以獲得更好的數控定位精度。螺距誤差補償和懸垂補償均適用于直線軸和旋轉軸。
根據各軸行程設置合適的補償點數，X、Y軸行程3000mm，設置步距200mm，采集點數16個。Z軸行程1000mm，設置步距100mm，采集點數11個。有關參數設置如下：
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[0]=16；補償表1用于X軸正向，點數16個
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[1]=16；補償表2用于X軸負向，點數16個
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[2]=16；補償表3用于Y軸正向，點數16個
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[3]=16；補償表4用于Y軸負向，點數16個
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[4]=11；補償表5用于Z軸正向，點數11個
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[5]=11；補償表6用于Z軸負向，點數11個
SD41300 $CEC_TABLE_ENABLE[0～5]=1；激活第1～6個補償表
MD32710 $CEC_ENABLE[AX1～3]=1；該參數在補償表運行完后設置
X軸正向補償表內容如下：
$AN_CEC[0,0]=0         ；第1補償表第1點補償值為0mm
$AN_CEC[0,1]=0.006     ；第1補償表第2點補償值為0.01mm
$AN_CEC[0,2]=0.011     ；第1補償表第3點補償值為0.012mm
……
$AN_CEC[0,15]=0.023    ；第1補償表第16點補償值為0.023mm
$AN_CEC_INPUT_AXIS[0]=（AX1）   ；參照軸為X軸
$AN_CEC_OUTPUT_AXIS[0]=（AX1）  ；目標軸為X軸
$AN_CEC_STEP[0]=200             ；步距為200mm
$AN_CEC_MIN[0]=0.0              ；參照軸起點值為0.0mm
$AN_CEC_MAX[0]=3000.0           ；參照軸終點值為3000.0mm
$AN_CEC_DIRECTION[0]=1  ；正向有效（1：正向，0：雙向，-1：負向）
$AN_CEC_MULT_BY_TABLE[0]=0
$AN_CEC_IS_MODULO[0]=0          ；參照軸為直線軸（1：旋轉軸）
M17
其它補償表類似，將激光干涉儀生成的絕對誤差值填入表中，激光檢測時應設置的軸正向與機床軸正向一致，補償表完成后復制粘貼到MDA窗口中執行一次，然后設置MD32710=1，軸重新返回參考點后補償生效，可在軸診斷中實時觀察到各點誤差補償值。
4. 結語
該加工中心的完整數控功能調試還有許多，如伺服優化、安全連鎖保護程序、溫度補償等，828D還有一些很實用的功能值得學習，如EasyScreen用戶自定義界面、遠程診斷與維修Access Mymachine、機床狀態短信發送Easy Message等，限于篇幅在此不一一贅述。