西门子840D数控系统在车削加工中心电气系统改造中应用

我公司德马吉数控车削加工中心于1999年从德国引进，配备西门子SINUMERIK 840C数控系统。840C数控系统采用大板结构，根据不同的配置在大板上安装不同的子板，配备S5系列PLC进行逻辑控制；该车削中心配有两个主轴和两个伺服轴，采用SIMODRIVE 611D驱动，可进行各种车铣复合加工。自使用至今已有10余年，数控系统进入老化期，经常出现系统故障，介于机械部分状态还比较稳定，决定对数控系统进行升级改造，以提高该车削加工中心的使用率。由于之前该车削加工中心840C数控系统配备的是611D驱动，而840D数控系统也可以配611D驱动，原有的整个驱动可以保留。为保证通用性，综合考虑，我们选用西门子SINUMERIK 840D数控系统进行升级改造，这样大大节省升级改造费用。840D数控系统是西门子公司开发的技术先进、功能强大的全数字化系统 ，经过几年的推广，现在也成为一种主流数控系统。

图1 车削加工中心改造采用的硬件配置试指南了解各模块的功能和连接关系，做好系统连接。具体连接不再详细描述。

图2所示为FDD/MSD模块接口示意图。现以X轴为例，说明数字驱动模块（611D）与NCU及与进给电动机连接。数字驱动模块对电动机转速大小、定位控制的数据交换是通过611D驱动总线接口X341与设备总线接口X151，与NCU驱动总线接口与设备总线接口相连实现的。本次设计采用全闭环控制，通过伺服电动机编码器和光栅尺作为位置检测元件与数字驱动模块（611D）位置接口X411和接口X421，构成全闭环控制系统，实现了对数控机床的精确定位控制。

1. 电气系统的硬件配置及连接

德马吉数控车削加工中心是一台具有全功能的数控卧式车削加工中心。由床头箱、刀架、尾座、闭式中心架构成机床的主体。切屑输送器、冷却装置、液压油箱、油温控制器作为机床的辅助设备。

该车削加工中心改造采用的硬件配置如图1所示。驱动沿用原来的611D，进给电动机选用1FK7系列，主轴选用1PH7系列，PLC选用西门子S7－300系列。

SINUMERIK 840D数控系统硬件连接，首先根据原840C系统的电气原理图，设计新的机床控制原理图，再根据机床控制原理图做SINUMERIK 840D应用系统硬件安装与配线，根据系统简明调

2. PLC软件的安装与调试

SINUMERIK 840D数控系统包含S7－300可编程控制器，使用的PLC编程工具是STEP7编程软件，一套PLC机床控制程序，包括基本PLC部分和追加部分。基本部分是一套SINUMERIK 840D基本应用所必需的，一般由随系统提供的SINUMERIK 840D Toolbox软件生成；追加部分是根据机床控制规模和控制需求而增加的部分。基本PLC程序是基

742013年 第5期冷加工图2 FDD/MSD模块接口示意图础，追加的部分是重点。

（1）基本PLC程序的生成 一般一套SINUMERIK 840D数控系统会随机提供3组6张软盘，其中一组SINUMERIK 840D Toolbox软盘是生成PLC基本程序，它构成PLC程序的基本框架，具体生成步骤详见简明调试指南。

新生成的PLC程序包括三类块：组织块OB、功能块FB和功能FC。

组织块OB共有OB0～OB255的256个组织块，是PLC－CPU直接扫描的程序块之一，在组织块OB块内编辑的PLC程序直接被扫描执行。组织块OB的另一个功能是调用其他的功能块FB和FC。

功能块FB、功能FC只有在组织块OB中调用后才生效，完成其控制功能。PLC程序的执行是先扫描OB块，再扫描OB块中被调用的FB、FC块。

组织块OB1是循环处理块，一般处理用户追加的功能块、功能。组织块OB40负责报警信号的处理。组织块OB100负责PLC系统的再启动。

FB1是PLC启动功能块，对PLC的启动运行起支持作用。FB2/3/4这三个功能块完成变量读取，为周边设备接口服务。

FC2基本程序循环启动，支持数控核NCK完成模式组、通道、坐标轴、主轴的控制。模式组为数控系统的工作方式组，可分为模态和管态两种

E设备与维修quipment and Maintenance模式。FC10完成错误及操作信息的处理。FC13完成手持单元HHU上液晶位置显示器的显示控制。FC25控制机床控制面板MCP、手持单元HHU。FC0～FC25是系统功能，一般用户不能打开、不能修改，只能根据需要进行功能调用。用户私有的PLC程序，只能在上述基本程序的基础上增加功能块，一般在FC40～FC255之内。

（2）PLC内存的清除 为了使数控系统及内置PLC能可靠、高效运行，一般需清除无用数据，释放更多的存储空间，装载有用的数据程序。

连接好编程器与SINUMERIK 840D之间的MPI通讯电缆及PC适配器。清除SINUMERIK 840D的PLC存储区，其步骤为：①将NCU上S4旋钮开关拧到3的位置上。按一下NCU上Reset复位按钮，等到控制单元NCU上的数码管显示为6。②然后将NCU上S4旋钮开关，由3拧到2，等若干秒后，再

拧回到3，再停若干秒。③将NCU上S4缓慢从3→2→1→0拧动，此时NCU上的两排LED中右边一排红灯应灭掉，仅剩右上的一个绿灯亮，这样就完成了PLC内存清除。

（3）基本PLC程序的下载 运行STEP7软件，将Toolbox中生成的机床程序下载到SINUMERIK 840D中。下载成功后，将NCU上S4旋钮开关的位置拧到0，并按一下复位，此时机床控制面板（MCP）上各按钮键指示灯LED不再闪动，这标志SINUMERIK 840D内置PLC启动成功。

（4）标准功能块调用 西门子数控系统配有很多功能部件，为完成这些功能部件的标准应用而开发的PLC程序，已预装在系统中，用户只需按照给定格式调用，便可以完成复杂的控制功能，我们把这些功能块叫标准功能，一般是小标号的功能和功能块。如机床操作面板MCP按钮控制程序功能FC19就是其中之一。只有在OB块中调用后，机床操作面板MCP按钮功能才生效。

（5）附加功能块的加入 在SINUMERIK 840D中，除了进行标准功能块调用外，还需要附加功能（块）。主要作用：完成液压、主轴、进给轴的控制及刀具的管理与控制。一般选用标号大于40的功能（块）FC（B），如FC（B）40～FC（B）255的功能（块）。

在德马吉车削中心S7P项目管理程序块下，插

冷加工2013年 第5期75

E设备与维修quipment and Maintenance入一个块FC40，用于机床启动液压控制；用同样的方法插入FC41、FC42、FC43、FC50、FC51、FC60、FC61、FC70、FC71、FC80和FC100，分别用于：FC41用于控制进给轴X；FC42用于控制进给轴Z；FC43用于控制动力头SP2；FC50用于控制主轴SP1；FC51用于控制主轴换挡；FC60用于刀具T代码转换；FC61用于控制刀塔；FC70用于启动刀塔；FC71用于刀具校验；FC80用于手轮控制；FC100用于报警信息调用。

使用附加功能（块）时，是首先在功能块栏插入附加功能，编好控制程序，下载后，再再OB1或在OB40中调用，即先插入后调用。

存盘（Save），并下载（Downlosd）到SINUMERIK 840D中，两进给轴及两主轴可以运转。

3. 机床数据MD的调试

机床数据MD是机床控制参数。SINUMERIK 840D的控制功能非常丰富，既可以控制数控车床也可以控制数控镗铣床，既可以控制大转矩电动机也可以控制小转矩电动机，这些主要由相应的机床数据MD和PLC程序决定的，下面介绍机床数据MD的安装与调试过程。

（1）NCK内存的清除与标准机床数据的装载 先将S3拧到1按RESET键，这样可以装入标准MD，然后再将S3拧到0正常工作状态。这是，系统已完成清内存，并将标准的机床数据装载到NCK内，标准机床数据是SIEMENS公司为用户搭建的一个简单的、小规模的机床数据平台。用户根据被控制机床的特点，而再标准机床数据的基础上开发设置被控制机床所需要的机床参数。

（2）用户机床参数的设置 SINUMERIK 840D机床参数很多，从类型来看，有通用机床数据、特殊机床数据、主轴机床数据及进给轴机床数据等几类。

进入机床参数设置菜单，按软功能键菜单选择：Diagnose→Start up→Set password，输入密码“SUNRISE”（SUNRISE是SINUMERIK 840D出厂通用密码，对机床制造厂或者用户可以修改设置该密码），按软功能键OK；再按软功能键Machine Date，进入参数菜单。

系统设定数据：按软功能键General进行系统设

762013年 第5期冷加工定数据的设置。这时用Display Option，取消过滤器功能。使所以机床数据都不过滤。系统设定数据主要包括SINUMERIK 840D数控系统的一些运行参数，如轴名、系统时钟周期、位置控制周期、换刀时间等系统参数。德马吉数控车削中心轴名设置：共有X、Z、SP1、SP2共4个轴，其中X、Z为直线轴，SP1、SP2为旋转轴。同在一个通道内，轴名不能重复。

MD10000（1）=X1MD10000（2）=Z1MD10000（3）=SP1MD10000（4）=SP2

设置通道特殊机床数据：按软功能键（Channel Specific），进入通道机床数据MD的设置。通道特殊机床数据主要说明本设备所处的通道号，以及轴号与轴名的对应关系。

MD20000号机床参数定义本机床使用通道号：MD20000=1 本机床使用第一通道

MD20070（i）号机床参数定义本机床使用的几何轴号：

MD20070（0）=1 （第1几何轴）MD20070（1）=2 （第2几何轴）MD20070（2）=3 （第3几何轴）MD20070（3）=4 （第4几何轴）

MD20080（i）号机床参数定义本机床编制机械零件加工程序使用的几何轴名，在同一通道内，轴名不能重复。

MD20080（0）=XMD20080（1）=ZMD20080（2）=SP1MD20080（3）=SP2

按垂直软功能键NCK Reset：上述参数，都是在数控系统复位后才生效，按机床操作面板OP031的垂直软功能键NCK Reset，让NCK复位，参数生效。

轴特殊机床参数的设置：按水平软功能键Axis specific设置进给轴相关机床参数，主要包括驱动给定特性、动态特性、运行特性等，以X轴为例说明轴参数的设置。

MD30130=1；此参数设置坐标轴控制器输出类型：1，为指令轴模式，设0为模拟轴模式。

MD30200=1；此参数设置坐标轴编码器个数：1，为半闭环，1FK7系列交流伺服电动机内置编码器既做速度环又做位置环；如为2，一般是全

闭环结构，1FK7系列交流伺服电动机内置编码器只做速度环，第2测量系统直线光栅尺作位置环。

MD30240=1；（此参数设置坐标轴实际反馈接口，设0为模拟轴）

MD31030=20；（此参数设置坐标轴滚珠丝杠螺距大小）MD32000=6000；（此参数设置坐标轴的最大工作速度）

MD32010=3000；[此参数设置坐标轴的点动（JOG）工作速度]

MD32020=5500；[此参数设置坐标轴点动快速（JOG RAPID）工作速度]

MD32260=2000；（此参数设置坐标轴驱动电动机的额定转速）

MD34000=1；（1代表回参考点减速开关有效）MD34010=0；（0代表回参考点减速开关的方向为负）MD34020=5000；（寻找减速开关速度5 000mm/min）MD34040=200；（代表寻找零脉冲速度为200mm/min）

按垂直软功能键Axis+或者Axis-，选择各轴参数设置页面；设置其他被控制的伺服轴。

按垂直软功能键NCK Reset，系统热启动，所以设定的参数生效。在机床参数中，一些参数能立即生效，如一些动态参数；一些在按垂直软功能键复位（RESET）键后生效；一些必须按垂直功能键NCK复位（NCK RESET）键，系统重新启动后才能生效，如一些硬件配置参数。

配置驱动及参数：配置驱动系统一般在MMC上完成，下面说明配置驱动的过程。

按MMC上的水平软功能键（DRIVE CONFIG），进入驱动配置页面，表1就是德马吉车削加工中心驱动模块位置表。

表1 车削加工中心驱动模块位置表

电源模块

SINUMERIK SP1SP2X/Z

840D NCU驱动模块驱动模块轴驱动模块

按水平软功能键（INSERT MODEL）根据实际情况选1AXIS或者2AXIS，我们这里选择的是双轴模块，再按（SELECT POWER SECTION），根据订货号选，表2是德马吉数控车削加工中心驱动模块配置表。按水平软功能键（SAVE）→（OK）→（NCK RESET）驱动配置未做时，主轴MSD、进给驱动FDD软功能键是浅灰色的，未被激活；驱动配置完后，主轴MSD、进给驱动FDD软功能键变清晰，被激活。

E设备与维修quipment and Maintenance表2 车削加工中心驱动模块配置表

轴名LECTIONDRIVE

ACTIVEDRIVE TYPE驱动模块号机床轴号

驱动器状态驱动器属性SP112YES（激活）MSD 主轴SP223YES（激活）MSD 主轴X30YES （激活）FDD 进给Z

4

1

YES（激活）

FDD 进给

选电动机：按水平软功能键（FDD）→（MOTOR CONTROLLER）→（MOTOR SELECT），安装电动机铭牌选相应代号的电动机。用垂直软功能键（DRIVE+）或者（DRIVE-）选下一坐标轴电动机参数配置，直到进给轴选完，进入主轴参数配置。

再按水平软功能键(MSD)→（MOTOR CONTROLLER）→（MOTOR SELECT），按照电动机铭牌选相应代号的电动机。4个电动机全部选完后，按水平返回软功能键→（BOOT FILE）→（BOOT FILE/NCK RESET）→（SAVE BOOTFILE）→（SAVE ALL）。

垂直软功能键（NCK RESET）上电成功后，611D个模块上红色LED灯均灭，4个驱动配置成功。

主轴机床参数配置：按水平软功能键（START UP）→（MACHINE DATE）→（AXIS SPECIFIC），选择第三轴。

MD30300=1：第三轴为旋转轴。MD30310=1：以360°为模。MD30320=1：显示以360°为模MD35000=1：该轴为第一主轴。

用通用的方法配置第二主轴的参数。

2个主轴配置完后，按垂直软功能键（NCK RESET）上电成功后，还需要对主轴的机械每挡的转速、总的转速范围等参数进行设置。

4. 结语

综上所述，PLC程序及SINUMERIK 840D机床参数的设置，这二者是应用数控系统的主旋律，在系统应用调试中要统筹兼顾，不要把两者分开。

西门子SINUMERIK 840D数控系统是当今世界较为先进控制系统。经过改造，使德马吉数控车削加工中心重新焕发了生命，无论在性能、功能、可靠性、可维修性等方面都达到了一个新的高度，达到预期目的，获得了最大的经济效益。

（收稿日期：20121205）

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