一、引言：
C61160是我厂60年代初引进的具有数显功能的大型卧式车床，主要用于对汽轮机转子零部件进行粗加工。由于电力电子器件的飞速发展和技术的不断更新，该设备不能适应工厂产品系列化、快速化发展的战略目标。其具体表现为：原有设备采用的是继电器逻辑控制，线路老化严重，故障频繁；且许多主要电器元件现已经淘汰，备件购买困难而且周期长，不易维护；手动人为操作，不能实现加工程序控制的运行实现资源的共享目标。因此，为了合理整合利用工厂资源，实现我厂装备数字化发展的目标，经论证提出了对该卧式车床进行全面的电气和机械改造。以适应核电转子的发展。
二、机床的结构和特点
C61160由床头箱、刀架、尾座、闭式中心架构成机床的主体。冷却装置、液压装置、油温控制等作为机床的辅助设备。
改造前该设备采用的是继电器控制方式：主轴的变速通过机械换档实现；刀架由大拖板、中拖板、小拖板构成，大拖板的运动可以通过大拖板电机和主轴带动光杆两种方式实现，中拖板的运动是通过中拖板电机实现的，小拖板是通过机械齿轮手动旋转实现，刀架位置检测是通过安装数显表确定。尾座和顶针的运动分别有两个电机拖动。
三、设计方案提出：
为了保证机床能实现粗加工和精加工，不改变原有操作方式的情况下，提出了如下改造方案：1主轴伺服（CT）驱动控制。2刀架大拖板、中拖板改为滚珠丝杠传动，采用数字轴控制。3取消小拖板。4原机床的所有动作控制由原继电器电路控制改为PLC控制。
在满足以上条件的要求下，选用了西门子的802D数控系统，该系统是西门子公司近年来推出的数字化数控系统，它的车床版标准配置中带了一块PP72/48模板，可以实现72点输入和48点输出的PLC控制，同时驱动模块为两个单轴功率模块，可以带两个线性轴和一个模拟主轴，在伺服电机中内置了速度反馈和位移反馈传感器可以和主机一起形成一个半闭环控制系统从而能达到很高的机床精度。而且价格适中，具有很高的性价比，可以很好的满足设备数控改造的要求。
四、硬件的配置与连接：
由于C61160车床在对核电转子进行精加工，因此采用了1套802D数控系统分别控制刀架的运动。机床其他所有动作控制则全部由802D数控系统自带的PLC控制单元来控制。采用802D系统的主要硬件配置为：
1、PCU主机 1块
2、全功能竖直键盘 1块
3、PP72/48模板 2块
4、611UE驱动电源 1块
5、611UE双轴闭环控制单元 2 块
6、611UE单轴功率模块 2块
7、1FK6电机 2个
8、外接2500P/旋转编码器 1个
9、连接电缆和PROFIBUS数据总线 若干
10、光栅尺 2根
11、主轴伺服驱动（M420R） 1个
12、手轮 1个
4.1 SITOP电源和电源馈入模块
SITOP电源为PCU模块和输入输出模块（PP72/48）提供稳定的直流电源。伺服电源馈入模块主要为功率模块和611UE模块提供控制和动力电源，产生母线电压，同时监测功率模块的状态。根据所选电机的总容量来确定电源馈入模块功率的大小，选用带有馈入装置的电源模块I/RF系列。伺服电源馈入模块能否给611UE驱动模块供电决定于它的脉冲使能信号（端子63与9），控制器使能信号（端子64与9），内部接触器使能信号（端子48与112），这些使能信号通断都是通过PLC程序来控制实现的。其上电顺序是，内部接触器使能信号，脉冲使能信号，控制器使能信号。
4.2 人机界面
人机界面主要用于图形的显示，数字与符号的输入等。其中包括操作面板（MCP），NC键盘，液晶显示屏三部分。根据该机床的特点，选用一种与802SMCP相同的机床操作面板，MCP背后的两个50芯扁平电缆插座可以通过扁平电缆与PP模块的插座连接。NC键盘通过SIEMENS 公司提供的专用电缆跟PCU的X10连接。液晶显示屏与PCU板集成为一体。
三者之间的通信方式是这样的：PCU接口X4与P72/48通过PROFIBUS总线连接，PCU1接口X8与P72/48接口X1跟SITOP电源相连，SITOP电源为它们工作提供恒定电源。
4.3 PCU数控单元
PCU数控单元是CNC控制部件的核心，根据NC和PLC存储容量的不同，该机床选用PCU50列。PCU数控单元包含NC CPU和PLC CPU，它通过PROFIBUS总线连接，实现了对伺服电源模块的控制，主轴伺服驱动装置控制，进给伺服驱动装置等的控制。
4.4 驱动系统和伺服电机
SIMODRIVE611UE配备PROFIBUS接口模块用于速度环和电流环控制。伺服电机采用1FK6系列，编码器为1VPP正弦波。802D的位置环控制由PCU完成。SIMODRIVE611UE控制模块均为双轴模块，可根据PROFIBUS的配置作为单轴模块使用，并且可以在同一个模块上设定一个叠加轴（模拟主轴）。SIMODRIVE 611 UE 的模拟输出接口X441用于输出主轴速度给定（±10V），而SIMODRIVE 611 UE上的数字输出接口可用于模拟主轴的正、反转使能控制。WSG接口X472用于连接主轴编码器（TTL）作为速度反馈。
五、软件设计
SINUMERIK 802D的软件设计就是处理NCK和MCP之间，NCK和PLC之间，PLC与MCP之间的接口信号，NC的参数配置（包括各种补偿）以及PLC报警文本。NCK、PLC和MCP之间既相互独立，各自负责一部分功能；又相互联系，彼此交换信息。
5.1 通讯电缆和PROFIBUS配置
在调试802D数控系统或611UE驱动器时个人计算机是必不可少的工具.RS-232通讯电缆是连接两者的唯一途径.因此保证通讯电缆接线方式正确是非常重要的,RS-232通讯电缆用于PLC编程和611UE驱动器连接。
SINUMERIK 802D是基于PROFIBUS总线的数控系统，输入输出信号是通过PROFIBUS传送的，位置调节（速度给定和位置反馈信号）也是通过PROFIBUS完成的，因此PROFIBUS的配置是非常重要的。在设计过程中利用一个数字坐标轴来携带主轴给定和反馈的方法实现对主轴的控制，携带轴必须是611UE模块的A通道。PROFIBUS地址必须是12或10，由于选用的是单轴模块所以PROFIBUS的地址是10。
5.2 PLC的调试
一般情况下，在802D的各个部件连接完毕后，则需开始调试PLC的控制逻辑。至关重要的是必须在所有有关PLC的安全功能全部准备后才能开始调试驱动装置。
5.2.1PLC应用程序
创建一个802D的PLC应用程序非常简单。本次设计是按照西门子802D标准配置，可以根据系统工具盘中提供的PLC应用程序实例（车床版）和子程序库，选用合适的子程序。
在使用PLC实例程序或子程序库，必须使用系统提供的标准车床和铣床初始化文件（用二进制格式将工具盒内的初始化文件利用PCIN软件下载到802D中，文件路径：DateSetupsetup_t.ini）。
802D最多允许64个子程序，其中子程序0到子程序31为用户预留，子程序32到子程序63为子程序库占用。用户可以根据实际情况在子程序32到子程序63之间选用自己需要得程序，并且修改相关参数。其中下列子程序在设计中被调用并修改输入输出部分地址。
5.2.2PLC用户报警
PLC报警是非常有效的诊断手段之一。例如某一操作是PLC逻辑所禁止的，或者某一输出条件摸有满足，这时如果激活相应的报捷，操作人员或者维修人员可马上得知其操作错误或硬件有故障的原因。
六、驱动器的调试
只有在所有安全功能全部生效后，如PLC控制的急停、硬件限位和电源馈入模块的使能等逻辑，才能进行驱动器的调试。驱动器的调试和优化借助于工具盘上提供的工具软件SIMOSOMU来完成，启动SIMOSOMU软件够，首先进行参数配置，即电机的选型，PROFIBUS地址。在电源馈入模块使能端子全部闭合后，将坐标轴移动到适中位置，然后通过SIMOSOMU软件进入PC机控制状态（位置开环），即可进行速度环和电流环的参数优化。
七、NC调试
7.1装初始文件
在制造商口令下，通过工具盒中的通讯软件PCIN，下载初始文件（Setup_T.ini）。
7.2 通用机床数据（MD10000？—MD18999）
通用机床数据主要用于对机床坐标轴的定义、PLC运行时间的设定与监控、用户数据自定义参数的设定等。
MD10000[0]=X //机床坐标轴名X轴
MD10000[1]=Z //机床坐标轴名Z轴
MD10000[2]=SP //机床坐标轴名SP轴
MD11240 =6 //PROFIBUS现场总线的配置
7.3 基本通道类机床数据（MD20000—MD28999）
基本通道类机床数据主要用于通道的设定、几何坐标轴的设定和选用、G功能的选用等。
MD20000=C61160 //通道名
MD20050[1]=5 //设定机床所用几何轴号为5
MD20050[2]=2 //设定机床所用几何轴号为2
MD20080[0]=X //设定通道内该机床编程用的轴名
MD20080[1]=Z //设定通道内该机床编程用的轴名
MD20080[2]=SP //设定通道内该机床编程用的轴名
7.4轴类机床数据（MD30000—MD38999）
轴类机床数据是对机床坐标各通道轴速度大小、方向和定位， 数控机床保护，误差补偿等参数设定。
MD30110[0 AX1]=5 //定义速度给定端口轴号5
MD30220[0 AX1]=5 //定义反馈端口轴号5
MD30130[0 AX1]=1 //控制给定输出类型为1 设定值输出有效
MD30240[0 AX1]=1 //编码器反馈类型为1 X轴编码器为原信号发生器，高分辨率
MD31000[0 AX1]=1 //直接测量系统 X轴为光栅尺
MD32000[AX1]=3000mm/min // X轴最大轴速度
MD32010[AX1]=15000mm/min // X轴点动快速
MD32020[AX1]=1000mm/min // X轴点动速度
MD32020[AX1]=1000mm/min // X轴速率初始值
MD32110[AX1]= -1 // X轴运动的方向
MD32200[AX1]=2.3 // X轴伺服增益系数
MD32600[AX1]=2000 rev/min // X轴伺服增益系数
MD32700[AX1]=1 // X轴插补补偿
MD34020[AX1]=1000 mm/min // X轴检测参考点开关的速度
MD34060[AX1]=200 mm // X轴检测参考点开关的最大距离
MD34070[AX1]=200mm/min // X轴返回参考点的定位速度
MD34100[AX1]=1111.471mm // X轴参考点（相对机床坐标系）位置
MD36100[AX1]=0 mm // X轴第一软限位开关负向
MD36110[AX1]=1176 mm // X轴第一软限位开关正向
MD36110[AX1]=10 // X轴丝杠螺距误差补偿点数
八、模拟主轴调试
对于模拟主轴，可以使用611UE的模拟量给定接口和TTL编码器接口作为速度反馈口。
这是利用一个数字主轴来携带主轴给定和反馈的方法。主轴的使能信号可以由611UE的数字输出量Q0.X输出给主轴驱动器。
进给611UE是双轴模块，PROFIBUS地址（12），主轴模拟给定611UE的A通道引出。由于A通道的模拟给定为8位D/A转换器生成，模拟给定的最小当量为78MV。所以不能用模拟主轴定位控制。
携带轴X1—611UE（机床轴1） 主轴SP1 （CT）全数字直流驱动
端子75A （主轴速度给定信号±10V） 速度给定信号（±10V）
端子15 （信号地） 信号地
端子Q0.A （数字量输出） 驱动正转使能
端子Q1.A （数字量输出） 驱动反转使能
接口信号 （编码器接口） 主轴TTL编码器5V
NC-机床参数
MD13060[4 ]=0 //总线地址10的报文类型
MD30110[0，AX3]=5 //携带坐标轴的逻辑轴号
MD30220 [0，AX3]=5 //携带坐标轴的逻辑轴号
MD30120 [0，AX3]=5 //编码器模块号
MD30230 [0，AX3]=5 //编码器信号端口号
MD31020 [0，AX3]=2500 //TTL编码器脉冲数
MD32250 [0]= 100 //额定输出值100%
MD32260 [0，AX3] =9000 //额定输出转速
驱动器611UE数据
P890编码器反馈端口设定=4
P922 PROFIBUS报文类型=104
存储，然后重新上电
P922 PROFIBUS报文类型=0
P915[8]PZD-给定值赋值PB=50103
P915[9]PZD-给定值赋值PB=50107
存储，然后重新上电
设定模拟量输出75.A/15为“Signal DAU1 form PROFIBUS PPO”
设定模拟量输出Q0.A和Q1.A为“Controll via Profibus”
进入该编辑器。编辑好的报警文本可用PCIN传入相应的目录下。
九、螺距误差补偿与反向间隙补偿
机床在对工件进行加工的过程中，由于测量系统和力的传递过程中会产生误差和机床自身磨损。使得加工工件的轮廓偏离理想的几何曲线，导致加工工件产品质量的下降。特别是在加工大型的工件时，由于温度和机械力的影响使的加工精度损失更为严重。因而在机床出厂前，需要进行一定的误差补偿。螺距误差补偿和反向间隙补偿是两中最常见的补偿方式。
9.1螺距误差补偿
9.1.1 螺距误差补偿的激活
螺距误差的补偿是按坐标轴来进行的，激活误差补偿需设定以下相关机床参数：
（1）MD 38000 轴最大误差补偿点数
根据该机床的特点X轴螺距误差参数补偿点数为50即MD 38000 [0 AX1] =10；Z轴螺距误差补偿点数为20，即MD 38000 [0 AX2] =20。参数设定好后，系统自动产生相应轴的补偿文件，补偿文件存放在目录/NC-ACTIVE-DATA/Meas-System-err-comp下。
（2）MD32700螺距误差补偿使能
MD32700=0 螺距补偿不生效，允许修改补偿文件；
MD32700=1 螺距补偿生效，不允许修改补偿文件。
当设定完参数，把补偿文件传入系统后，只有当该轴返回参考点后才生效。
9.1.2 编辑螺距补偿文件的方法
（1） 将系统产生的补偿文件传出，在PC机上编辑并输入补偿值，再将补偿文件传入系统。
（2） 将补偿文件格式改为加工程序，对该程序进行补偿值编辑，再运行加工程序即可将补偿值写入系统
9.1.3 编辑螺距补偿的操作步骤
（1） 修改MD 38000参数：根据补偿的最大点数决定。
（2） 用硬盘数据备份或PCIN软件数据备份的方法将补偿文件复制到硬盘上或计算机上，编辑该备份文件，并输入补偿值（见补偿值）。
（3） 设定MD32700=0，将修改过的补偿文件通过数据恢复的方法传入系统或作为零件程序执行一次。
（4） 设定MD32700=1，轴回参考后，新补偿值生效。
9.2 反向间隙补偿
由于机械在运行过程中，机械磨损厉害，螺距补偿已经不能满足加工精度的要求。特别如机床在反向运行过程中误差过大时，设计人员要考虑反响间隙补偿。其机床参数号为MD32450，在本次设计中补偿数据为BACKLASH[1]=0.01。
十、数据备份
在系统调试完毕后进行数据备份是十分重要的，SINUMERIK802D提供了多种数据备份的方法。系统数据可以在系统内部备份，可以将数据备份到PC卡上，也可以将数据传到计算机硬盘上。
数据内部备份可以通过“数据存储“软菜单键轻而易举地实现。SINUMERIK802D配备了16MB闪存和16MB静态存储器。所有生效的数据均存储于静态存储器，当电容的能量耗尽后，静态存储器的数据将丢失。内部数据备份是将所有生效的数据存储到闪存中。这样，当静态存储器的数据将丢失后，系统在可以引导自检时检测到静态存储器已经掉电，这时系统会自动将闪存内存储的数据复制到静态存储器中。
数据的外部备份是通过串行通讯（RS232）将数据备份到个人计算机的硬盘或软盘上。计算机的通讯口C0M1或COM2通过通讯软件WINPCIN与802D联系起来。
十一、结束语
目前该机床的机械、电气、系统各方面的改造、安装、调试工作已经完成，样件加工完全达到预期效果。改造后机床已经投入正常使用，从使用的角度和运行状态来看，改造后机床与原机床相比，功能极大增强、自动化程度得到提高。强大的数控系统拓宽了机床加工零件的范围。更好地保证了零件加工的质量。同时高度的自动化也大大降低了操作工人的劳动强度，但对操作工人的综合素质提出了更高的要求。从机床的可靠性来看，结构紧奏合理，显示器、各种开关和指示灯布局更适合操作人员的使用。同时增加了一个手持操作单元，以便操作人员在不同的状态下选择更适合的操作位置。改造后的机床增加了可维修性，数控系统可以监控各控制部件的运动状态及故障，并及时在显示器上显示出来，同时PLC控制的运用，使整个机床控制系统线路大为简化，所有这些使机床故障检测和维修更为方便和快捷。
