编者注：在当前经济发展迟滞、新设备投资受限的情况下，对老旧机床进行升级改造是包括发电行业在内的制造企业节省设备投资、保持生产能力的有效途径。本文是作者(西门子工厂自动化工程有限公司的陈平信)10年前在哈尔滨汽轮机厂改造科堡龙门铣后所写的总结性文章。虽然现在西门子已经推出了性能更优越功能更强大的840D sl系统，可是文中介绍的设计调试方法和思路依然是值得广大用户借鉴的。
边疆
西门子中国区发电行业大客户经理
西门子系统在汽轮机厂科堡龙门铣床改造中的应用（上）
一、项目简介
德国科堡公司设计制造的数控天桥龙门铣可完成汽缸、箱体、隔板等大型零件的铣、镗、钻削及其他复杂型面的加工。该设备在核能发电、燃汽轮机等产品领域的生产和制造能力得到充分的发挥，比如国内的几大汽轮机加工公司哈汽、东汽、上汽等公司都有该设备被使用，实现了汽轮机关键重要零部件的数控化生产。
图1：科堡龙门铣
图2：科堡龙门铣
图3：科堡龙门铣
数控天桥铣系1995年德国WALDRICH COBURG公司生产的大型数控加工设备，原控制系统系统为西门子880系统，驱动为611A。
龙门镗铣床是集机、电、液等先进技术于一体的机械加工设备，适用于航空、重机、机车、造船、发电、机床、汽车、印刷、磨具等行业半精加工或精加工、也可以用于粗加工。它的总体结构是由一个龙门架组成，龙门架由双立柱、活动横梁、连接梁、横向溜板及铣头滑枕组成刚性框架，衡量沿立柱导轨上下运动（W轴），横梁上配置一台立式大功率多功能滑枕式铣头、镗铣头溜板沿横梁导轨左右运动（Y轴）及上下运动（Z轴）龙门框架沿床身纵向运动（X轴）。
主要技术规格及参数
1.设备加工行程：14000×5000×4000 mm
2.工作特性
（1）滑座:
滑座行程（Y轴）mm7200
进给（Y轴）mm/min10000
快速（Y轴）mm/min15000
（2）滑枕
滑枕行程（Z轴）mm1500
进给（Z轴）mm/min10000
快速（Z轴）mm/min10000
（3）横梁（主从轴）
滑枕行程（W轴）mm2500
进给（W轴）mm/min2000
快速（W轴）mm/min2000
（4）主轴
主轴转速rpm5~700
镗轴孔锥度ISO60
（5）龙门架（龙门轴）
龙门架行程（X轴）mm14000
进给（X轴）mm/min10000
快速（X轴）mm/min15000
图4：设备概貌
图5：原操作台
图6：新操作台
图7：No.1附件
图8：No.2附件
图9：No.3附件
图10：No.4附件
二、控制系统及配置方案
1.原控制系统驱动部件的构成
本设备原电机配置共9轴，包括：
主轴电机，具体型号及参数如下：
型号：DMQ 225．OL．04．AFS
SN：165 999 JN：000．608．448
转数：30—1500—6000 功率：2.1—105--105
电压：380—420 电流：194—166 频率：51—204
COSφ:S1 IM:V36/B35 IP:55
风机：650W 220/500V 1.4/2.8A 50/60Hz
编码器：ERN 1387.3523 2048 IMP/U
各进给轴原电机参数 ：
X轴电机（两台）：55Nm 3000rpm
Y轴电机：55Nm 3000rpm
Z轴电机：55Nm 3000rpm
W轴电机（两台）：55Nm 3000rpm
C轴电机：6.5Nm 2000rpm，配SP100—M—10减速器
A轴电机：2.7Nm 6000rpm（1FT5046-1AK71不带抱闸）
2.改造本设备所使用控制系统的主要部件分两部分描述如下：
控制系统为西门子840D数控系统
NCU软件(6FC5357-0BB25-0AA0)：NCU572.5 具备10通道，最多可配置31轴。
PCU50.3(6FC5210-0DF31-2AA0)：1.5G / 512M内装HMI高级接口软件（中英文显示）。
OP015A (6FC5203-0AF05-0AB0)：15寸TFT彩显OP015A一台。
机床控制面板（6FC5203-0AF22-1AA2）：西门子专用19寸控制面板（MCP），自带15个用户自定义按键一块。
驱动部分：
驱动器采用西门子SIMODRIVE 611D交流驱动装置，电机采用西门子1FT6交流伺服电机
X轴电机选用1FT6108系列 58Nm，额定转速2000rpm 带抱闸；
Y轴电机1FT6108 系列58Nm，转速2000rpm, 带抱闸；
Z轴电机1FT6108 系列58Nm，转速2000rpm, 带抱闸；
W轴电机1FT6108 系列58Nm，转速3000rpm, 带抱闸；
C轴电机选用1FT6064 系列7.9Nm，额定转速2000rpm 带抱闸，配SP100S—MF1 i=10减速器；
A轴电机按原电机型号（控制方式采用ANA控制方式）。
SP主轴电机不变，仍保留原电机，驱动为611D。
输入输出接口：采用S7-300系列PLC通过IM361及分布式I/O ET200与NCU连接。
三、各轴调试中的解决方案
设备的各轴在进行调试时要注意以下事项，对于不同的轴需要进行不同的控制方案，下面分别说明：
1)X轴组：X轴组包括两个轴，X1及X11轴，此两轴用来控制龙门架的移动（见下图），以前该轴选用增量编码器进行控制，改造选用外置绝对值编码器进行位置测量，对此绝对值编码器在进行配置时要注意与配置增量编码器的区别，需要调整的机床数据有：
图12：龙门结构图
MD34210: ENC_REFP_STATE -- 绝对值编码器状态
MD30240: ENC_TYPE -- 编码器类型
MD31020: ENC_RESOL -- 编码器分辨率
MD1007 : ENC_RESOL_DIRECT -- 编码器分辨率
MD1030 : ACTUAL_VALUE_CONFIG_DIRECT -- 编码器类型
以上参数特别一提的是驱动数据MD1007和MD1030，其中MD1007的值应该和MD31020一致，另外MD1030和MD30240用来确定编码器的类型，因此需要将其都设成绝对值编码器。这里还有需要说明的是，由于X轴为龙门轴驱动，因此在移动前要确认X轴（包括X1及X11）的移动方向是否一致，在保证移动方向一致的情况下，将X轴组定义为龙门（GANTRY）轴，确保X1及X11两个电机同步移动，设置龙门轴需要设置的参数如下：
MD37100 $MA_GANTRY_AXIS_TYPE -- 龙门轴组定义
MD37110 $MA_GANTRY_POS_TOL_WARNING -- 龙门报警容差
MD37120 $MA_GANTRY_POS_TOL_ERROR -- 龙门ERROR容差
MD37140 $MA_ GANTRY_BREAK_UP -- 取消、激活龙门组
MD37100 用来激活龙门轴组，通过该参数确定主轴（Master axis）及同步轴（Synchronous axis），具体见下表：
MD37140用来取消或激活龙门组，可用于单独调节龙门轴的主要轴或同步轴，比如龙门轴某轴情况下发生严重机械不同步时需要对龙门轴组的各轴独立进行调整，此时，需要将MD37140设置成1，取消龙门轴组，在手动或INC方式对主要轴或同步轴在机械允许的范围进行微动，直到达到机械同步，而后再将此参数设置为0，激活龙门组。
龙门轴的自动同步过程：
龙门轴在断电重启或移动过程中，当出现偏差报警 （10655: Channel 1 synchronization of gantry group 1 in progress）时，轴不能继续移动，此时需要轴进行同步，具体方式如下：
选择参考点方式
选择X1轴
倍率选择非零位置
激活轴使能
以上条件具备后，Synchronous axis（同步轴）就开始移动，直到坐标位置值与Master axis相同时停止，自动同步完成。
另外，Gantry（龙门轴）是选件(订货号：6FC5255-0AB00-0AA0)，需要进行设置选件参数才有效。
2)Y1、Z1轴，改用距离码线性光栅尺（LB382），在对该类型测量系统需要进行以下设置：
MD31010 $MA_ENC_GRID_POINT_DIST
MD1034 DIVISION_LIN_SCALE_DM ：默认为20000，对应栅距0.02
MD34310 $MA_ENC_MARKER_INC
MD34000 $MA_REFP_CAM_IS_ACTIVE ：参考点CAM取消，回参考点不需要CAM撞块
MD34200 $MA_ENC_REFP_MODE ：回参考点模式，根据实际情况设置不同的值，对于距离码测量系统，设置值为3
MD34300 $MA_ENC_REFP_MARKER_DIST ：光栅尺MARKER的值，对于LB382光栅尺，此值设置为80
MD34320 $MA_ENC_INVERS
MD34090 $MA_REFP_MOVE_DIST_CORR ：用来设置零点的偏差，即当前坐标点距离机械零点的偏差值。
对于距离码编码器需要注意的是：
3.由于距离码测量系统不需要CAM，因此需要使用MD34090（$MA_REFP_MOVE_DIST_CORR）来调整机械零点与系统坐标零点的相对位置，具体方法是回完参考点，将轴手动移到正向或者负向硬限位，将当前的坐标值作为参考，写到MD34090参数中，这样，再次回完参考点后，就可以实现机械零点与电气零点的同步。
3)W轴组（包括W1和W2)：
在电气配置上，W轴组采用主-从（Master-Slave）控制方式（见下图），Master轴（W1）选用距离码线性光栅尺测量系统，Slave轴（W2）为半闭环控制，由于横梁跨度较大，因此当滑座处于不同的位置时，由于滑枕的自重，将会造成滑座的倾斜，因此控制上采用外加辅助调平电机进行调平控制，其原理是：在Y1轴丝杠的一端及W2的丝杠一端各安装一个特殊电阻，在Y1轴移动时，其阻值将会发生改变，此阻值的变化通过电气检测器件将其转换成一个脉冲信号，换句话说，当Y1轴在移动时辅助电机会根据通过检测电阻转换的脉冲信号，实时调整W2轴的位置，使得滑座始终处于水平状态。
图13：主从结构图
对于主-从轴需要进行以下设置：
Master-slave耦合轴组 W1=Master、W2=Slave。
Slave轴（从轴）所需设置的参数如下：
MD37250 $MA_MS_ASSIGN_MASTER_SPEED_CMD ：Master轴的轴号，在本设备中W1为Master轴，它是第四轴，因此该参数设置为4
MD37252 $MA_MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR[W2] = 0
MD37254 $MA_MS_TORQUE_CTRL_MODE[W2] = 0
MD37268 $MA_MS_TORQUE_WEIGHT_SLAVE[W2] = 50
MD37256 $MA_MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN[W2] = 0.5
MD37258 $MA_MS_TORQUE_CTRL_I_TIME[W2] = 5.0
MD37262 $MA_MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE :用来激活或取消主-从关系
另外Master-Slave是选件功能，需要对相应选件数据激活后才有效。
4)C1轴采用鼠牙盘结构，机械最小分度为0.5度，用以改变附件头在加工时的角度调整，因此最终定位角度是由机械决定，电气只能做粗定位，这样在调整C1轴时需要从PLC及NC两个方面进行处理：
NC方面：对轴的加速度、增益、定位容差、轮廓监控等几方面进行调整，如下所示：
MD32300 $MA_MAX_AX_ACCEL :轴加速度
MD32200 $MA_POSCTRL_GAIN :位控增益
MD36000 $MA_STOP_LIMIT_COARSE :粗停
MD36010 $MA_STOP_LIMIT_FINE :精停
MD36400 $MA_CONTOUR_TOL :轮廓容差
其中，加速度、增益要调小点，粗停、精停、轮廓容差要调大些
PLC方面，为了确保C1轴在夹紧时不会因为位置的微小偏差而导致的轴报警，需要在夹紧、松开的过程中需要进行位控、跟随方式的切换，具体的说就是在C1轴放松需要转动时，激活位控放松DBX1.5，而在夹紧时需要切换到跟随方式，确保C1轴能够夹紧到位，PLC控制程序如下：
A Q 26.7 ; "C轴机械放松"
AN I 24.5 ; " C轴夹紧"
A I 24.7 ; " C轴放松压力检"
O I 24.5 ; "C轴夹紧"
5)A1轴：该轴安装在附件上，选用ANA控制方式，驱动为611A，电机依然采用1FT5电机，由于该轴需要经常拆卸，因此在控制方式上需要通过PLC程序对其位控接口进行处理，实现该轴的即接即用，具体方式是，通过附件上的检测元件来控制位控环如下语句：
SET
L IB 27 ;附件头安装识别码
T MW 70
NOP 0
L MW 70
L W#16#43 表示附件为A1轴