雷楠南

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 三門峽 472000 ）

一、引言

西門子802D數(shù)控系統(tǒng)因其經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制。802D系統(tǒng)的核心部件為PUC(面板控制單元)，它將CNC、PLC、人機(jī)界面和通訊等功能集成于一體，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸控制[1]302-303。在西門子802D系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床上，主軸控制PLC編程處理的信號(hào)主要有CNC軸控制信號(hào)、通道輔助功能控制信號(hào)及機(jī)床側(cè)的I/O信號(hào)[2]205-207；在PLC程序編制時(shí)還涉及機(jī)床操作面板信號(hào)、主軸運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)等，可基于西門子公司的子程序庫(kù)進(jìn)行修改使用[3]57-58。由于模擬量主軸在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多，所以本文主要介紹模擬量主軸控制系統(tǒng)的PLC編程及調(diào)試方法。

二、西門子802D系統(tǒng)模擬主軸電氣連接

西門子802Dsl系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床控制時(shí)，在數(shù)控車床上通常配置2個(gè)伺服進(jìn)給軸、1個(gè)模擬量主軸；在數(shù)控銑床上則配置3個(gè)伺服進(jìn)給軸、1個(gè)模擬或數(shù)字主軸；如圖1所示為配置3個(gè)伺服進(jìn)給軸、1個(gè)模擬量主軸時(shí)的電氣連接圖[4]18-19。

圖1 西門子802D系統(tǒng)電氣連接圖

在配置西門子802D系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上采用模擬量主軸控制時(shí)，通常需選配MCPA 模塊。MCPA模塊上的X1、X2接口用于連接機(jī)床操作面板；X1021接口連接24V直流穩(wěn)壓電源；X701 接口的X701.1、X701.6連接變頻器的模擬量輸入端，用于產(chǎn)生模擬量給定信號(hào)；X701.5、X701.9用于主軸使能控制；X701.4、X701.3連接至I/O模塊用于主軸正、反轉(zhuǎn)方向控制。主軸轉(zhuǎn)速的檢測(cè)是通過(guò)安裝西門子TTL增量編碼器，通過(guò)SM30連接到系統(tǒng)的 DriveCLiQ 接口。若選配西門子1Vpp Sin/Cos增量編碼器，則通過(guò)SM20連接到系統(tǒng)的DriveCLiQ 接口[5]。模擬量主軸控制時(shí)，速度取決于模擬量電壓大小，方向則取決于MCPA接口的X701.4、X701.3端子接通狀態(tài)。

三、西門子802D系統(tǒng)模擬主軸控制PLC程序編制

（一）主軸正反轉(zhuǎn)方向信號(hào)處理PLC程序編制

如圖2所示為主軸正反轉(zhuǎn)按鍵信號(hào)處理PLC程序[6][7]。其中，L1.4、L1.5、L1.6分別為機(jī)床操作面板上的主軸正轉(zhuǎn)、主軸停止與主軸反轉(zhuǎn)按鍵；V10000001.4、V10000001.5、V10000001.6分別表示主軸正轉(zhuǎn)、主軸停止與主軸反轉(zhuǎn)按鍵相對(duì)應(yīng)的PLC接口信號(hào)。V31000001.2、V31000000.2、V30000000.7分別表示CNC系統(tǒng)的回參考點(diǎn)方式、JOG手動(dòng)操作方式與CNC復(fù)位。在圖示程序中，按下主軸正轉(zhuǎn)按鍵時(shí)，若主軸處于停止?fàn)顟B(tài)且回參考點(diǎn)方式未生效，則L1.4觸點(diǎn)接通并置位V10000001.4線圈，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)按鍵信號(hào)；同理，按下主軸反轉(zhuǎn)按鍵時(shí)，則L1.6觸點(diǎn)可接通并置位V10000001.6線圈，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)按鍵信號(hào)。當(dāng)按下主軸停止按鍵或CNC系統(tǒng)復(fù)位按鍵時(shí)，則L1.5或V30000000.7觸點(diǎn)可接通V10000001.5線圈，產(chǎn)生主軸停止按鍵信號(hào)；同時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)還可復(fù)位V10000001.4、V10000001.6線圈，撤銷正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鍵信號(hào)。為了保證數(shù)控機(jī)床操作、運(yùn)行安全，通常在選擇JOG手動(dòng)方式時(shí)應(yīng)使主軸停止運(yùn)動(dòng)；因此，PLC程序處理時(shí)，利用JOG手動(dòng)方式生效信號(hào)V31000000.2的上升沿來(lái)復(fù)位V10000001.4、V10000001.6線圈，撤銷正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鍵信號(hào)。

圖2 主軸正反轉(zhuǎn)按鍵信號(hào)處理程序

圖3 主軸手動(dòng)正反轉(zhuǎn)方向信號(hào)處理程序

如圖3所示主軸手動(dòng)正反轉(zhuǎn)方向控制PLC程序，其中，V31000000.2、V31000001.0、V31000001.2分別為CNC手動(dòng)JOG操作方式、示教方式及回參考點(diǎn)方式生效信號(hào)；VW45000032由用戶數(shù)據(jù)MD14510[16]進(jìn)行數(shù)控機(jī)床類型的設(shè)定，設(shè)定值為1表示數(shù)控車床；設(shè)定值為2表示數(shù)控銑床。V380*1000.0、V380*1000.1（*可為2，3）分別為第3、4軸負(fù)向與正向超程限位信號(hào)；V10000001.4、V10000001.5、V10000001.6分別表示機(jī)床MCP面板上的主軸“正轉(zhuǎn)按鍵”、“停止按鍵”、“反轉(zhuǎn)按鍵”信號(hào)。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)MD14510[16]設(shè)定值為1，為數(shù)控車床時(shí)則VW45000032接通，第 3軸為主軸控制；因此在按下機(jī)床MCP面板上的主軸“正轉(zhuǎn)按鍵”時(shí)，則V10000001.4信號(hào)接通V38020004.7線圈，使機(jī)床主軸正向運(yùn)動(dòng)。反之，按下機(jī)床MCP面板上的主軸“反轉(zhuǎn)按鍵”時(shí)，則V10000001.6信號(hào)接通V38020004.6線圈，使機(jī)床主軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于數(shù)控銑床而言，第4軸為主軸；因此在按下機(jī)床MCP面板上的主軸“正轉(zhuǎn)按鍵”或“反轉(zhuǎn)按鍵”時(shí)，則可利用V10000001.4或V10000001.6信號(hào)接通V38030004.7或V38030004.6線圈，使機(jī)床主軸實(shí)現(xiàn)正、反向運(yùn)動(dòng)；不論是數(shù)控車床或銑床主軸控制情況，在按下主軸停止按鍵時(shí)，可立即復(fù)位V10000001.4、V10000001.6線圈，從而使其常開(kāi)觸點(diǎn)復(fù)位斷開(kāi)V380*0004.7（*可為2，3）或V380*0004.6（*可為2，3）線圈，撤銷主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)方向信號(hào)，停止主軸運(yùn)動(dòng)。

（二）主軸使能控制信號(hào)處理PLC程序編制

如圖4所示為數(shù)控機(jī)床主軸使能控制PLC程序，L5.5、L5.6為主軸生效信號(hào)，均通過(guò)用戶數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定；V390*0004.6、V390*0004.7、V390*0001.4（*可為2,3）分別表示第3、4軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)、正向運(yùn)動(dòng)及停止?fàn)顟B(tài)信號(hào)。在圖示程序中，若通過(guò)用戶數(shù)MD14512[16]設(shè)定值配置2個(gè)進(jìn)給軸、1個(gè)主軸，即數(shù)控車床情況，則利用L5.5信號(hào)生效主軸控制；若第3軸處于正向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可利用V39020004.7或V39020004.6觸點(diǎn)接通并置位M138.1線圈。若通過(guò)用戶數(shù)MD14512[16]設(shè)定值配置3個(gè)進(jìn)給軸、1個(gè)主軸，即數(shù)控銑床情況，則利用L5.6信號(hào)生效主軸控制；若第4軸處于正向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可利用V39030004.7或V39030004.6觸點(diǎn)接通并置位M138.1線圈。在按下主軸停止按鍵時(shí)，因?yàn)橹鬏S正、負(fù)向信號(hào)V39030004.7或V39030004.6斷開(kāi)，主軸停止運(yùn)動(dòng)，所以主軸停止?fàn)顟B(tài)信號(hào)V390*0001.4（*可為2,3）為1。當(dāng)?shù)?次按下主軸停止按鍵時(shí)，可由圖4中的V10000001.5接通并復(fù)位M138.1線圈。

圖4 主軸使能信號(hào)處理程序

圖5 主軸伺服使能控制信號(hào)生成程序

在圖5所示程序中，L5.2、L5.3分別為第3、4軸生效信號(hào)；L2.0為PCU端子X(jué)20.2的狀態(tài)，即驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)給使能信號(hào)；V390*4001.5（*可為2,3）分別表示第3、4軸驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好信號(hào)；V380*4001.7（*可為2,3）分別表示第3、4軸的驅(qū)動(dòng)器脈沖使能信號(hào)；V380*0002.1（*可為2,3）分別表示第3、4的伺服使能信號(hào)。在驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好信號(hào)接通，即V390*4001.5（*可為2,3）觸點(diǎn)接通后，若按下驅(qū)動(dòng)器進(jìn)給使能按鍵，則L2.0接通并置位V380*4001.7（*可為2,3），使驅(qū)動(dòng)器脈沖使能信號(hào)生效。利用L5.5信號(hào)生效主軸控制時(shí)，可由L5.5觸點(diǎn)與M138.1觸點(diǎn)共同接通并置位V38020002.1線圈，使主軸伺服使能信號(hào)生效。利用L5.6信號(hào)生效主軸控制時(shí)，可由L5.6觸點(diǎn)與M138.1觸點(diǎn)共同接通并置位V38030002.1線圈，使主軸伺服使能信號(hào)生效。在伺服使能信號(hào)V38020002.1或V38030002.1置位為1后，主軸便可根據(jù)CNC系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖6 主軸伺服使能控制信號(hào)撤銷程序

如圖6所示為主軸伺服使能控制信號(hào)撤銷程序，其中V390*4002.4（*可為2,3）分別表示第3、4軸速度為0信號(hào)。在主軸正常工作情況下，若按下主軸停止按鍵使主軸運(yùn)動(dòng)停止后，則V390*4002.4（*可為2,3）信號(hào)為1；若再次按下主軸停止按鍵，因?yàn)镸138.1線圈復(fù)位為0，所以可利用其常閉觸點(diǎn)接通并復(fù)位主軸伺服使能信號(hào)V380*0002.1（*可為2,3）。若驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)給使能端信號(hào)L2.0斷開(kāi)時(shí)，也可復(fù)位主軸伺服使能信號(hào)V380*0002.1（*可為2,3）。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器脈沖使能信號(hào)L2.1斷開(kāi)時(shí)，可復(fù)位驅(qū)動(dòng)器脈沖使能信號(hào)V380*4001.7（*可為2,3）。

四、模擬主軸系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及調(diào)試

（一）模擬主軸參數(shù)設(shè)定

在主軸控制PLC程序編制完成后，還需設(shè)定一系列參數(shù)如主軸參數(shù)、變頻器參數(shù)、機(jī)床通用參數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸功能。主軸參數(shù)設(shè)置正確與否，直接影響到主軸系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行。因?yàn)槲鏖T子802D系統(tǒng)配置的模擬主軸沒(méi)有實(shí)際的SINAMICS驅(qū)動(dòng)，所以其編碼器只能疊加于某一伺服軸作為其第二編碼器，調(diào)試方法與直接測(cè)量系統(tǒng)的第二編碼器調(diào)試相同；模擬主軸調(diào)試時(shí)需設(shè)置如表1所示主軸參數(shù)[8]92-95。

表1 模擬主軸相關(guān)軸參數(shù)

（二）主軸控系統(tǒng)調(diào)試

圖7 主軸正、反轉(zhuǎn)調(diào)試

數(shù)控機(jī)床主軸功能調(diào)試主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：一是在手動(dòng)方式下通過(guò)機(jī)床操作面板上的“主軸正轉(zhuǎn)”、“主軸反轉(zhuǎn)”及“主軸停止”按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)行，檢驗(yàn)主軸的運(yùn)動(dòng)方向、速度是否正確，主軸動(dòng)作是否靈活與可靠。另一方面則是在MDA方式下，通過(guò)主軸正、反轉(zhuǎn)與停止指令實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)行，檢驗(yàn)主軸運(yùn)行是否滿足機(jī)床要求。一般情況下，要求主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速的差值應(yīng)在±5%以內(nèi)，否則需調(diào)整主軸參數(shù)。如圖7所示為主軸調(diào)試結(jié)果，主軸指令轉(zhuǎn)速為1400r/min，將倍率選擇為50%時(shí)，圖中顯示的速度為700r/min，可見(jiàn)調(diào)試結(jié)果符合要求。

五、結(jié)語(yǔ)

文中主要介紹了西門子802D系統(tǒng)電氣連接、模擬主軸控制PLC程序編制及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，通過(guò)主軸系統(tǒng)的調(diào)試實(shí)現(xiàn)了主軸控制功能。在西門子802D系統(tǒng)中，針對(duì)數(shù)控車床與銑床，廠家都提供有PLC子程序庫(kù)，因此編制PLC程序時(shí)只需根據(jù)數(shù)控機(jī)床功能要求調(diào)用相關(guān)子程序即可。文中介紹的PLC程序其實(shí)涉及到幾個(gè)子程序，因此使用時(shí)必須了解各子程序的功能。模塊化的子程序設(shè)計(jì)大大減輕了用戶的編程工作量，但是在編程時(shí)一定要按照子程序使用說(shuō)明進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的處理。通過(guò)本文中模擬主軸系統(tǒng)調(diào)試，有助于為從事數(shù)控機(jī)床維修維護(hù)的技術(shù)人員提供參考。