西门子802D系统数控机床模拟主轴控制与调试

雷楠南

（三门峡职业技术学院,河南 三门峡 472000 ）

一、引言

西门子802D数控系统因其经济性好、可靠性高、易于安装等优点广泛应用于经济型数控机床控制。802D系统的核心部件为PUC(面板控制单元)，它将CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体，可实现4个进给轴和一个数字或模拟主轴控制[1]302-303。在西门子802D系统数控机床上，主轴控制PLC编程处理的信号主要有CNC轴控制信号、通道辅助功能控制信号及机床侧的I/O信号[2]205-207；在PLC程序编制时还涉及机床操作面板信号、主轴运动方向信号等，可基于西门子公司的子程序库进行修改使用[3]57-58。由于模拟量主轴在经济型数控机床上应用较多，所以本文主要介绍模拟量主轴控制系统的PLC编程及调试方法。

二、西门子802D系统模拟主轴电气连接

西门子802Dsl系统用于数控机床控制时，在数控车床上通常配置2个伺服进给轴、1个模拟量主轴；在数控铣床上则配置3个伺服进给轴、1个模拟或数字主轴；如图1所示为配置3个伺服进给轴、1个模拟量主轴时的电气连接图[4]18-19。

图1 西门子802D系统电气连接图

在配置西门子802D系统的数控机床上采用模拟量主轴控制时，通常需选配MCPA 模块。MCPA模块上的X1、X2接口用于连接机床操作面板；X1021接口连接24V直流稳压电源；X701 接口的X701.1、X701.6连接变频器的模拟量输入端，用于产生模拟量给定信号；X701.5、X701.9用于主轴使能控制；X701.4、X701.3连接至I/O模块用于主轴正、反转方向控制。主轴转速的检测是通过安装西门子TTL增量编码器，通过SM30连接到系统的 DriveCLiQ 接口。若选配西门子1Vpp Sin/Cos增量编码器，则通过SM20连接到系统的DriveCLiQ 接口[5]。模拟量主轴控制时，速度取决于模拟量电压大小，方向则取决于MCPA接口的X701.4、X701.3端子接通状态。

三、西门子802D系统模拟主轴控制PLC程序编制

（一）主轴正反转方向信号处理PLC程序编制

如图2所示为主轴正反转按键信号处理PLC程序[6][7]。其中，L1.4、L1.5、L1.6分别为机床操作面板上的主轴正转、主轴停止与主轴反转按键；V10000001.4、V10000001.5、V10000001.6分别表示主轴正转、主轴停止与主轴反转按键相对应的PLC接口信号。V31000001.2、V31000000.2、V30000000.7分别表示CNC系统的回参考点方式、JOG手动操作方式与CNC复位。在图示程序中，按下主轴正转按键时，若主轴处于停止状态且回参考点方式未生效，则L1.4触点接通并置位V10000001.4线圈，产生正转按键信号；同理，按下主轴反转按键时，则L1.6触点可接通并置位V10000001.6线圈，产生反转按键信号。当按下主轴停止按键或CNC系统复位按键时，则L1.5或V30000000.7触点可接通V10000001.5线圈，产生主轴停止按键信号；同时，这两个信号还可复位V10000001.4、V10000001.6线圈，撤销正转、反转按键信号。为了保证数控机床操作、运行安全，通常在选择JOG手动方式时应使主轴停止运动；因此，PLC程序处理时，利用JOG手动方式生效信号V31000000.2的上升沿来复位V10000001.4、V10000001.6线圈，撤销正转、反转按键信号。

图2 主轴正反转按键信号处理程序

图3 主轴手动正反转方向信号处理程序

如图3所示主轴手动正反转方向控制PLC程序，其中，V31000000.2、V31000001.0、V31000001.2分别为CNC手动JOG操作方式、示教方式及回参考点方式生效信号；VW45000032由用户数据MD14510[16]进行数控机床类型的设定，设定值为1表示数控车床；设定值为2表示数控铣床。V380*1000.0、V380*1000.1（*可为2，3）分别为第3、4轴负向与正向超程限位信号；V10000001.4、V10000001.5、V10000001.6分别表示机床MCP面板上的主轴“正转按键”、“停止按键”、“反转按键”信号。当用户数据MD14510[16]设定值为1，为数控车床时则VW45000032接通，第 3轴为主轴控制；因此在按下机床MCP面板上的主轴“正转按键”时，则V10000001.4信号接通V38020004.7线圈，使机床主轴正向运动。反之，按下机床MCP面板上的主轴“反转按键”时，则V10000001.6信号接通V38020004.6线圈，使机床主轴负向运动。对于数控铣床而言，第4轴为主轴；因此在按下机床MCP面板上的主轴“正转按键”或“反转按键”时，则可利用V10000001.4或V10000001.6信号接通V38030004.7或V38030004.6线圈，使机床主轴实现正、反向运动；不论是数控车床或铣床主轴控制情况，在按下主轴停止按键时，可立即复位V10000001.4、V10000001.6线圈，从而使其常开触点复位断开V380*0004.7（*可为2，3）或V380*0004.6（*可为2，3）线圈，撤销主轴正转、反转方向信号，停止主轴运动。

（二）主轴使能控制信号处理PLC程序编制

如图4所示为数控机床主轴使能控制PLC程序，L5.5、L5.6为主轴生效信号，均通过用户数据来设定；V390*0004.6、V390*0004.7、V390*0001.4（*可为2,3）分别表示第3、4轴负向运动、正向运动及停止状态信号。在图示程序中，若通过用户数MD14512[16]设定值配置2个进给轴、1个主轴，即数控车床情况，则利用L5.5信号生效主轴控制；若第3轴处于正向或负向运动状态时，可利用V39020004.7或V39020004.6触点接通并置位M138.1线圈。若通过用户数MD14512[16]设定值配置3个进给轴、1个主轴，即数控铣床情况，则利用L5.6信号生效主轴控制；若第4轴处于正向或负向运动状态时，可利用V39030004.7或V39030004.6触点接通并置位M138.1线圈。在按下主轴停止按键时，因为主轴正、负向信号V39030004.7或V39030004.6断开，主轴停止运动，所以主轴停止状态信号V390*0001.4（*可为2,3）为1。当第2次按下主轴停止按键时，可由图4中的V10000001.5接通并复位M138.1线圈。

图4 主轴使能信号处理程序

图5 主轴伺服使能控制信号生成程序

在图5所示程序中，L5.2、L5.3分别为第3、4轴生效信号；L2.0为PCU端子X20.2的状态，即驱动器的进给使能信号；V390*4001.5（*可为2,3）分别表示第3、4轴驱动器准备好信号；V380*4001.7（*可为2,3）分别表示第3、4轴的驱动器脉冲使能信号；V380*0002.1（*可为2,3）分别表示第3、4的伺服使能信号。在驱动器准备好信号接通，即V390*4001.5（*可为2,3）触点接通后，若按下驱动器进给使能按键，则L2.0接通并置位V380*4001.7（*可为2,3），使驱动器脉冲使能信号生效。利用L5.5信号生效主轴控制时，可由L5.5触点与M138.1触点共同接通并置位V38020002.1线圈，使主轴伺服使能信号生效。利用L5.6信号生效主轴控制时，可由L5.6触点与M138.1触点共同接通并置位V38030002.1线圈，使主轴伺服使能信号生效。在伺服使能信号V38020002.1或V38030002.1置位为1后，主轴便可根据CNC系统的运动指令进行运动。

图6 主轴伺服使能控制信号撤销程序

如图6所示为主轴伺服使能控制信号撤销程序，其中V390*4002.4（*可为2,3）分别表示第3、4轴速度为0信号。在主轴正常工作情况下，若按下主轴停止按键使主轴运动停止后，则V390*4002.4（*可为2,3）信号为1；若再次按下主轴停止按键，因为M138.1线圈复位为0，所以可利用其常闭触点接通并复位主轴伺服使能信号V380*0002.1（*可为2,3）。若驱动器的进给使能端信号L2.0断开时，也可复位主轴伺服使能信号V380*0002.1（*可为2,3）。当驱动器脉冲使能信号L2.1断开时，可复位驱动器脉冲使能信号V380*4001.7（*可为2,3）。

四、模拟主轴系统参数设置及调试

（一）模拟主轴参数设定

在主轴控制PLC程序编制完成后，还需设定一系列参数如主轴参数、变频器参数、机床通用参数等来实现主轴功能。主轴参数设置正确与否，直接影响到主轴系统的调试运行。因为西门子802D系统配置的模拟主轴没有实际的SINAMICS驱动，所以其编码器只能叠加于某一伺服轴作为其第二编码器，调试方法与直接测量系统的第二编码器调试相同；模拟主轴调试时需设置如表1所示主轴参数[8]92-95。

表1 模拟主轴相关轴参数

（二）主轴控系统调试

图7 主轴正、反转调试

数控机床主轴功能调试主要从以下两个方面进行：一是在手动方式下通过机床操作面板上的“主轴正转”、“主轴反转”及“主轴停止”按键来实现主轴运行，检验主轴的运动方向、速度是否正确，主轴动作是否灵活与可靠。另一方面则是在MDA方式下，通过主轴正、反转与停止指令实现主轴运行，检验主轴运行是否满足机床要求。一般情况下，要求主轴实际转速与指令转速的差值应在±5%以内，否则需调整主轴参数。如图7所示为主轴调试结果，主轴指令转速为1400r/min，将倍率选择为50%时，图中显示的速度为700r/min，可见调试结果符合要求。

五、结语

文中主要介绍了西门子802D系统电气连接、模拟主轴控制PLC程序编制及相关参数的设定，通过主轴系统的调试实现了主轴控制功能。在西门子802D系统中，针对数控车床与铣床，厂家都提供有PLC子程序库，因此编制PLC程序时只需根据数控机床功能要求调用相关子程序即可。文中介绍的PLC程序其实涉及到几个子程序，因此使用时必须了解各子程序的功能。模块化的子程序设计大大减轻了用户的编程工作量，但是在编程时一定要按照子程序使用说明进行相关信号的处理。通过本文中模拟主轴系统调试，有助于为从事数控机床维修维护的技术人员提供参考。