摘要：在SINUMERIK 840Dsl系統中， 由于機械結構的原因，使用了一個SINAMICS S120驅動器分別驅動三個電機的結構。在使用過程中，由于使用了不同型號的電機、并且使用了絕對值直接測量系統，出現了一些小問題，最終使用了設定點切換功能解決了這些問題。

關鍵詞：西門子840Dsl、設定點切換、S120驅動、單驅動多電機、多組電機參數、多組編碼器參數

一、項目簡介

1.該機床為上海某航天企業委托沈陽機床集團中捷機床有限公司、華中科技大學共同研制的一款機床。沈陽機床集團目前是國內最大的機床生產商，中捷機床有限公司是沈陽機床集團下屬最重要的數控機床生產企業。主要生產各類數控加工中心、包括龍門、落地、立式車床、各類五軸機床等等。華中科技大學在該項目中負責激光部分。

2.該機床是一款高架橋式五軸機床。該機床共配置了三個附件頭、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。這三個附件頭分  別用于粗加工、精加工和焊接或切割。

3.由于機床為五軸聯動機床，故系統選擇了SINUMERIK 840Dsl，大概的配置如下：

NCU：730.3 PN

顯示器：OP 015

操作面板：MCP 483PN

驅動器：SINAMICS S120

電機：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、項目方案系統構成

1.該機床采用高架橋式結構，主要結構如下：

X軸為雙邊驅動、齒輪齒條結構。

Y軸也為齒輪齒條結構。

Z軸為滾珠絲杠。

C軸安裝在滑枕內。

A軸共有三個、采用和機床分體式結構、可根據不同要求隨時對其自動更換。

主軸也為三個，分別在三個A軸內，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、故該機床配置了三個附件頭）

因機械結構的原因，三個A軸的電氣接口只有一套（電機動力線、編碼器線、外接圓光柵線的對接插頭），故在方案設計時，電氣部分也只使用了一套驅動系統。

2.該機床共有十三個伺服軸、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。附件頭為分體式結構，可以自動進行更換，該功能需要系統的PARKING軸功能支持。此外三個附件頭和機床連接后，可組合成三組五軸結構，故還需要系統支持多組五軸變換功能。三個A軸因機械結構原因，采用了兩種電機，故還需要驅動器支持多組參數功能。在激光頭方面，系統還需要支持激光的快速輸入輸出信號及相關功能。根據上面機床對系統方面的大概要求來看，SINUMERIK 840Dsl是該機床的最佳選擇方案。

3.在電氣設計方案前期，按照一個A軸（機床軸名）設計，但在調試的過程中，發現三個實際A軸的絕對值圓光柵因安裝位置不同，在生效后的零點是不一致的，還需要重新調整零點，給操作帶來了不便。于是最終選擇了三個A軸（機床軸）的設計方案。

三、控制系統完成的功能

1.該機床的X軸改用了龍門控制功能。利用龍門軸功能，以確保 2 根X軸機械剛性連接，能夠不帶機械位置偏置的同時運動，實現位置同步。在操作和編程中，每對龍門只作為一個機床軸來應用。

該機床的單側的X軸及Y軸均采用兩個電機控制，為主從功能。利用此功能可以將兩個電機驅動通過機械耦合到同一根軸上，實現主從驅動控制。通過設置相應的機床數據調整漲緊力矩，保證主動和從動驅動器之間合適的力矩，避免兩組電機工作時的相互干擾，保證主動軸和從動軸之間的漲力狀態，消除機械上的傳動間隙，得到較好的運動的特性。

該機床采用了自動更換附件頭的功能，因附件頭上帶有伺服電機、電主軸及編碼器和直接測量系統的圓光柵，故還使用了PARKING軸功能。PARKING軸被稱為閑置軸或駐車軸。也就是說機床在上電的情況下，能對伺服電機的動力線、編碼器線及直接測量系統的電纜進行插拔，而機床不會出現報警，還能夠正常進行工作。

本機床還應用了SINUMERIK 840Dsl的很多其它功能，如五坐標軸插補、內部驅動變量分析、軟撞塊功能、高速激光開關信號 HSLC、間隙控制 CLC等功能，由于篇幅的原因，在這里就不詳細的介紹了。下面就詳細的介紹一下SINAMICS S120單驅動器驅動多電機上的調試。

2.因附件頭機械結構的限制，三個A軸電機選擇了兩種型號，分別為：

A1軸：1FT70665AF701NG0

A2軸：1FT70665AF701NG0

A3軸：1FT70465AF701NG0

在驅動器選擇上，因附件頭接口只有一組A軸的接口，故只選擇了一個軸的驅動器。因此系統要支持一個驅動器能夠驅動不同電機的功能。在PLC的變量中，DB3X.DBX21.3 / 21.4 為選擇不同電機的接口變量。

不但進過PLC的處理，驅動器部分還需要做許多配置才能完成該功能。首先在驅動器內要增加MDS組。

在增加MDS的同時，DDS也被同時復制了一組。但由于使用了EnDat絕對值的直接測量系統（絕對值圓光柵），都有自身的序列號，因此還要有新的編碼器數據組：即EDS。還需要修改參數：

P0140: 編碼器數據組(EDS) 數量 / EDS 數量

P0141: 編碼器接口( 編碼器模塊) 組件號 / 編碼器接口組件號

P0142: 編碼器組件號 / 編碼器組件號

P0187: 編碼器1 編碼器數據組編號 / 編碼器1 EDS 編號

修改上述參數后，就可以在不同的MDS組中配置不同的電機和編碼器。

      

經過上面對驅動的配置和調試，驅動器部分就已經允許單個驅動器驅動不同電機的功能。PLC程序中還需要進行一些調試，大概內容如下：

     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。

     在調試初期，為了NC使參數設置簡便一些，NC的A軸按照一個機床軸設置的，但在調試過程中發現，由于使用了絕對值的編碼器，存在下面兩個問題：

（1）絕對值的編碼器有不同的序列號，如不進行初始化，會出現報警。

（2）不同附件頭生效后，A軸因外接編碼器位置安裝的原因,顯示的坐標軸值不同，需要每次都對零點重新調整。

針對這兩個問題，我們最終選擇了三個A軸的方案，雖然NC參數設置復雜，但能解決上述的問題。

首先需要在自動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及回零調整的問題。

  再有我們嘗試用Setpoint Exchange解決一個驅動器驅動多個不同電機的功能。Setpoint Exchange功能是原本是使用一個電機驅動不同的機床軸。在這里，使用該功能，變成了一個驅動器驅動多個不同的電機。經過調試，該功能完全解決了上述的問題。

因該機床的驅動已經進行了多電機組的配置，故NC部分按照正常機床軸設定即可。只需要對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，新的問題又出現了。即三個A軸如何和C軸及X\Y\Z組成五軸坐標變換的組合。SINUMERIK 840Dsl只提供了兩組五軸變換功能的設置。于是通過NC程序對五軸變換的相關參數進行修改，就可以設置三組五軸變換，相關參數如下：

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

經過上面的調試，該機床的功能基本完備，滿足了機床的設計要求。

四、項目運行

   該機床已于2015年5月交付用戶使用，目前機床運行穩定，得到了用戶的認可和好評。

五、應用體會

在機床調試過程中，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能夠提供多組電機數據、編碼器數據。應用Setpoint Exchange功能解決單個驅動器驅動不同電機的問題。通過對NC參數的讀寫功能實現多組五軸變換功能。就已多組五軸變換為例，SINUMERIK 840Dsl還有一種解決方案，就是設置多個通道。SINUMERIK 840Dsl在每個通道內便有兩組五軸變換，同樣能滿足多組五軸變換的需求。

綜上所述，SINUMERIK 840Dsl不愧為當今世界上功能最為強大的數控系統。

六、參考文獻

SINUMERIK 840Dsl / 828D Extended Functions

SINUMERIK 840Dsl / 828D Special functions

MSD Umschaltung mit Motorengleicher oder unterschiedlicher

Polpaarzahl(德文)