摘要：在SINUMERIK 840Dsl系統(tǒng)中， 由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因，使用了一個(gè)SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。在使用過程中，由于使用了不同型號(hào)的電機(jī)、并且使用了絕對(duì)值直接測(cè)量系統(tǒng)，出現(xiàn)了一些小問題，最終使用了設(shè)定點(diǎn)切換功能解決了這些問題。
關(guān)鍵詞：西門子840Dsl、設(shè)定點(diǎn)切換、S120驅(qū)動(dòng)、單驅(qū)動(dòng)多電機(jī)、多組電機(jī)參數(shù)、多組編碼器參數(shù)
一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介
1.該機(jī)床為上海某航天企業(yè)委托沈陽機(jī)床集團(tuán)中捷機(jī)床有限公司、華中科技大學(xué)共同研制的一款機(jī)床。沈陽機(jī)床集團(tuán)目前是國內(nèi)最大的機(jī)床生產(chǎn)商，中捷機(jī)床有限公司是沈陽機(jī)床集團(tuán)下屬最重要的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)。主要生產(chǎn)各類數(shù)控加工中心、包括龍門、落地、立式車床、各類五軸機(jī)床等等。華中科技大學(xué)在該項(xiàng)目中負(fù)責(zé)激光部分。
2.該機(jī)床是一款高架橋式五軸機(jī)床。該機(jī)床共配置了三個(gè)附件頭、分別為24000rpm 電主軸附件頭、40000rpm電主軸附件頭、激光焊接（切割）附件頭。這三個(gè)附件頭分 別用于粗加工、精加工和焊接或切割。
3.由于機(jī)床為五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，故系統(tǒng)選擇了SINUMERIK 840Dsl，大概的配置如下：
NCU：730.3 PN
顯示器：OP 015
操作面板：MCP 483PN
驅(qū)動(dòng)器：SINAMICS S120
電機(jī)：1FT7系列
PLC：ET200系列
手持操作單元：HT2
電主軸：第三方
激光裝置：第三方
二、項(xiàng)目方案系統(tǒng)構(gòu)成
1.該機(jī)床采用高架橋式結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)如下：
X軸為雙邊驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條結(jié)構(gòu)。
Y軸也為齒輪齒條結(jié)構(gòu)。
Z軸為滾珠絲杠。
C軸安裝在滑枕內(nèi)。
A軸共有三個(gè)、采用和機(jī)床分體式結(jié)構(gòu)、可根據(jù)不同要求隨時(shí)對(duì)其自動(dòng)更換。
主軸也為三個(gè)，分別在三個(gè)A軸內(nèi)，分別為24000rpm電主軸、40000rpm電主軸和激光頭。（主軸和A軸共同組成附件頭、故該機(jī)床配置了三個(gè)附件頭）
因機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因，三個(gè)A軸的電氣接口只有一套（電機(jī)動(dòng)力線、編碼器線、外接圓光柵線的對(duì)接插頭），故在方案設(shè)計(jì)時(shí)，電氣部分也只使用了一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
2.該機(jī)床共有十三個(gè)伺服軸、分別為：X1、X11、X2、X21、Y1、Y11、Z1、A1、A2、A3、SP1、SP2。其中X軸采用龍門同步功能，同時(shí)單邊的X軸采用了主從功能。Y軸為主從功能。附件頭為分體式結(jié)構(gòu)，可以自動(dòng)進(jìn)行更換，該功能需要系統(tǒng)的PARKING軸功能支持。此外三個(gè)附件頭和機(jī)床連接后，可組合成三組五軸結(jié)構(gòu)，故還需要系統(tǒng)支持多組五軸變換功能。三個(gè)A軸因機(jī)械結(jié)構(gòu)原因，采用了兩種電機(jī)，故還需要驅(qū)動(dòng)器支持多組參數(shù)功能。在激光頭方面，系統(tǒng)還需要支持激光的快速輸入輸出信號(hào)及相關(guān)功能。根據(jù)上面機(jī)床對(duì)系統(tǒng)方面的大概要求來看，SINUMERIK 840Dsl是該機(jī)床的最佳選擇方案。
3.在電氣設(shè)計(jì)方案前期，按照一個(gè)A軸（機(jī)床軸名）設(shè)計(jì)，但在調(diào)試的過程中，發(fā)現(xiàn)三個(gè)實(shí)際A軸的絕對(duì)值圓光柵因安裝位置不同，在生效后的零點(diǎn)是不一致的，還需要重新調(diào)整零點(diǎn)，給操作帶來了不便。于是最終選擇了三個(gè)A軸（機(jī)床軸）的設(shè)計(jì)方案。
三、控制系統(tǒng)完成的功能
1.該機(jī)床的X軸改用了龍門控制功能。利用龍門軸功能，以確保 2 根X軸機(jī)械剛性連接，能夠不帶機(jī)械位置偏置的同時(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位置同步。在操作和編程中，每對(duì)龍門只作為一個(gè)機(jī)床軸來應(yīng)用。
該機(jī)床的單側(cè)的X軸及Y軸均采用兩個(gè)電機(jī)控制，為主從功能。利用此功能可以將兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過機(jī)械耦合到同一根軸上，實(shí)現(xiàn)主從驅(qū)動(dòng)控制。通過設(shè)置相應(yīng)的機(jī)床數(shù)據(jù)調(diào)整漲緊力矩，保證主動(dòng)和從動(dòng)驅(qū)動(dòng)器之間合適的力矩，避免兩組電機(jī)工作時(shí)的相互干擾，保證主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的漲力狀態(tài)，消除機(jī)械上的傳動(dòng)間隙，得到較好的運(yùn)動(dòng)的特性。
該機(jī)床采用了自動(dòng)更換附件頭的功能，因附件頭上帶有伺服電機(jī)、電主軸及編碼器和直接測(cè)量系統(tǒng)的圓光柵，故還使用了PARKING軸功能。PARKING軸被稱為閑置軸或駐車軸。也就是說機(jī)床在上電的情況下，能對(duì)伺服電機(jī)的動(dòng)力線、編碼器線及直接測(cè)量系統(tǒng)的電纜進(jìn)行插拔，而機(jī)床不會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，還能夠正常進(jìn)行工作。
本機(jī)床還應(yīng)用了SINUMERIK 840Dsl的很多其它功能，如五坐標(biāo)軸插補(bǔ)、內(nèi)部驅(qū)動(dòng)變量分析、軟撞塊功能、高速激光開關(guān)信號(hào) HSLC、間隙控制 CLC等功能，由于篇幅的原因，在這里就不詳細(xì)的介紹了。下面就詳細(xì)的介紹一下SINAMICS S120單驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)多電機(jī)上的調(diào)試。
2.因附件頭機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，三個(gè)A軸電機(jī)選擇了兩種型號(hào)，分別為：
A1軸：1FT70665AF701NG0
A2軸：1FT70665AF701NG0
A3軸：1FT70465AF701NG0
在驅(qū)動(dòng)器選擇上，因附件頭接口只有一組A軸的接口，故只選擇了一個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)器。因此系統(tǒng)要支持一個(gè)驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)不同電機(jī)的功能。在PLC的變量中，DB3X.DBX21.3 / 21.4 為選擇不同電機(jī)的接口變量。
不但進(jìn)過PLC的處理，驅(qū)動(dòng)器部分還需要做許多配置才能完成該功能。首先在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)要增加MDS組。
在增加MDS的同時(shí)，DDS也被同時(shí)復(fù)制了一組。但由于使用了EnDat絕對(duì)值的直接測(cè)量系統(tǒng)（絕對(duì)值圓光柵），都有自身的序列號(hào)，因此還要有新的編碼器數(shù)據(jù)組：即EDS。還需要修改參數(shù)：
P0140: 編碼器數(shù)據(jù)組(EDS) 數(shù)量 / EDS 數(shù)量
P0141: 編碼器接口( 編碼器模塊) 組件號(hào) / 編碼器接口組件號(hào)
P0142: 編碼器組件號(hào) / 編碼器組件號(hào)
P0187: 編碼器1 編碼器數(shù)據(jù)組編號(hào) / 編碼器1 EDS 編號(hào)
修改上述參數(shù)后，就可以在不同的MDS組中配置不同的電機(jī)和編碼器。
經(jīng)過上面對(duì)驅(qū)動(dòng)的配置和調(diào)試，驅(qū)動(dòng)器部分就已經(jīng)允許單個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)不同電機(jī)的功能。PLC程序中還需要進(jìn)行一些調(diào)試，大概內(nèi)容如下：
L #axis_number
L 30
+I
T #AXIS_DB
A #MDS0
OPN DB [#AXIS_DB]
AN DBX 2.1
R DBX 21.0
R DBX 21.1
R DBX 21.2
R DBX 21.3
R DBX 21.4
A #MDS1
OPN DB [#AXIS_DB]
AN DBX 2.1
S DBX 21.0
R DBX 21.1
R DBX 21.2
S DBX 21.3
R DBX 21.4
…… 共編制了三組程序。
在調(diào)試初期，為了NC使參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)便一些，NC的A軸按照一個(gè)機(jī)床軸設(shè)置的，但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于使用了絕對(duì)值的編碼器，存在下面兩個(gè)問題：
（1）絕對(duì)值的編碼器有不同的序列號(hào)，如不進(jìn)行初始化，會(huì)出現(xiàn)報(bào)警。
（2）不同附件頭生效后，A軸因外接編碼器位置安裝的原因,顯示的坐標(biāo)軸值不同，需要每次都對(duì)零點(diǎn)重新調(diào)整。
針對(duì)這兩個(gè)問題，我們最終選擇了三個(gè)A軸的方案，雖然NC參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，但能解決上述的問題。
首先需要在自動(dòng)更換附加頭的程序中增加如下語句：
$MA_ENC_SERIAL_NUMBER[1,AX4]=0
$MA_ENC_REFP_STATE[1,AX4]=2
$MA_ENC_SERIAL_NUMBER[1,AX10]=0
$MA_ENC_REFP_STATE[1,AX10]=2
$MA_ENC_SERIAL_NUMBER[1,AX11]=0
$MA_ENC_REFP_STATE[1,AX11]=2
這樣就解決了編碼器序列號(hào)及回零調(diào)整的問題。
再有我們嘗試用Setpoint Exchange解決一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)多個(gè)不同電機(jī)的功能。Setpoint Exchange功能是原本是使用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)不同的機(jī)床軸。在這里，使用該功能，變成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)多個(gè)不同的電機(jī)。經(jīng)過調(diào)試，該功能完全解決了上述的問題。
因該機(jī)床的驅(qū)動(dòng)已經(jīng)進(jìn)行了多電機(jī)組的配置，故NC部分按照正常機(jī)床軸設(shè)定即可。只需要對(duì)PLC程序處理即可，PLC程序大致如下：
OPN DB [#req_ax_no]
A DBX 24.5
JC M003
SET
OPN DB [#ax1_no_t]
R DBX 24.5
OPN DB [#ax2_no_t]
R DBX 24.5
OPN DB [#ax3_no_t]
R DBX 24.5
OPN DB [#req_ax_no]
SET
S DBX 24.5
M003: NOP 0
OPN DB [#req_ax_no]
A DBX 24.5
JCN M002
A DBX 96.5
AN DBX 61.3
JCN M002
SET
R #ax1_req
R #ax2_req
R #ax3_req
S #set_ch_finish
L #req_ax_no
L 30
-I
T #act_ax_no
這些問題解決后，新的問題又出現(xiàn)了。即三個(gè)A軸如何和C軸及X\Y\Z組成五軸坐標(biāo)變換的組合。SINUMERIK 840Dsl只提供了兩組五軸變換功能的設(shè)置。于是通過NC程序?qū)ξ遢S變換的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，就可以設(shè)置三組五軸變換，相關(guān)參數(shù)如下：
24110[4]:$MC_TRAFO_AXES_IN_1
24500[0][1][2]:$MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1
24550[0][1][2]: $MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1
24560[0][1][2]: $MC_TRAFO5_JOINT_OFFSET_1
經(jīng)過上面的調(diào)試，該機(jī)床的功能基本完備，滿足了機(jī)床的設(shè)計(jì)要求。
四、項(xiàng)目運(yùn)行
該機(jī)床已于2015年5月交付用戶使用，目前機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定，得到了用戶的認(rèn)可和好評(píng)。
五、應(yīng)用體會(huì)
在機(jī)床調(diào)試過程中，雖然遇到了一些問題，但SINUMERIK 840Dsl總是能夠提供多種解決方案。如SINAMICS S120能夠提供多組電機(jī)數(shù)據(jù)、編碼器數(shù)據(jù)。應(yīng)用Setpoint Exchange功能解決單個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)不同電機(jī)的問題。通過對(duì)NC參數(shù)的讀寫功能實(shí)現(xiàn)多組五軸變換功能。就已多組五軸變換為例，SINUMERIK 840Dsl還有一種解決方案，就是設(shè)置多個(gè)通道。SINUMERIK 840Dsl在每個(gè)通道內(nèi)便有兩組五軸變換，同樣能滿足多組五軸變換的需求。
綜上所述，SINUMERIK 840Dsl不愧為當(dāng)今世界上功能最為強(qiáng)大的數(shù)控系統(tǒng)。
六、參考文獻(xiàn)
SINUMERIK 840Dsl / 828D Extended Functions
SINUMERIK 840Dsl / 828D Special functions
MSD Umschaltung mit Motorengleicher oder unterschiedlicher
Polpaarzahl(德文)
