一、设备的现状及改造的必要性
随着我国经济的飞速发展，汽车制造行业的复苏，高精尖的数控设备对机床的加工制造占有重要的地位。但如何发挥老设备的作用同样是及其重要的，对老设备进行可行性的数字化和数控化改造，是一条投资少，见效快的有效途径。AS5V西德滚刀磨是加工螺旋导轨的关键设备，随着汽车变速箱，风力发电，大型减速机等对斜齿加工的需求日益增大，该设备加工螺旋导轨的精度和效率远远不能满足我厂的生产需要，必须对设备进行数控改造。该设备主轴电机由直流电机，通过电机扩大机进行直流调速，工作台通过油缸实现往复运动，头架由分度盘实现分度，由一套正弦尺系统实现螺旋加工。其余的磨头上下和前后移动和砂轮修整均为手动进给。
二、改造方案
对老设备的改造通常的做法是选用相应规格的驱动装置以控制电机的启动和转速，使用PLC作为设备的控制核心。这是一种常规的电气改造。对设备的加工制造能力和产品质量的控制能力没有大的提高。因此在对AS5V的改造方案进行讨论时，根据对零件的加工需要和设备的机械精度的现状，选择进行数控化改造。具体的方案如下:
因原主轴采用直流电机拖动，直流调速装置体积大，直流电机维护复杂，如今的交流变频技术且尽完善，变频调速具有卓越的调速性能和优秀的矢量控制。将主轴电机改变频主轴电机。变频器采用施耐德的ATV71，取消工作台的往复运动油缸，安装滚珠丝杠与伺服电机直联。取消头架的分度盘和正弧尺系统增加一套蜗轮。伺服电机与蜗杆相连，带动头架旋转，为了消除蜗轮间隙和精度对加工造成的影响，在头架后端安装一个编码器，构成闭环反馈系统。保留原来砂架修整装置。磨头上下和前后移动装置。取消原来的液压系统增加一套集中润滑装置。
Z轴---工作台移动轴。工作台向左移动为正，工作台向右移动为负。
C轴---工件主轴旋转轴。工件主轴顺时针方向旋转为负，工件主轴逆时针方向旋转为正。
（一）SINUMERIK 802DSL数控系统简介
SINUMERIK 802DSL数控系统是西门子公司最近推出针对车床和铣床开发的中档数控系统。是将所有CNC PLC HMI和通讯功能集成于一个单一的部件PCU中。PCU作为802DSL数控系统的核心，集成PROFIBUS接口，键盘，MCP，手轮接口和CF卡接口。而且各部件的连接通过PROFIBUS现场总线进行连接和通讯。802DSL最多可以控制四个伺服轴和一个主轴。
（二）PLC部分
802DSL数控系统的电气控制核心PLC部件集成于PCU当中。外部的输入和输出由I/O模块PP72/48完成。每个PP72/48具有三个独立的50芯的插槽，包括24位数字量输入和16位数字输出。802DSL系统最多可配置三块PP72/48。PLC的编程软件使用PROGAMMING TOOL PLC 802D。
（三）驱动单元
802DSL数控系统使用SINAMICS S120驱动系统。 SINAMICS S120是西门子公司新一代驱动系统。S120驱动系统采用了最先进的硬件技术，软件技术以及通讯技术。采用高速驱动接口。配套的1FK7永磁同步伺服电机具有电子铭牌。系统可以自动识别所配置的驱动系统。具有更高的控制精度和动态控制精度，更高的可靠性。 SINAMICS S120的电源模块全部采用馈能制动方式。其配置分别为调节型电源模块(ACCTIVE LINE MODUIE 缩写为 ALM)和非调节型电源模块 ( SMART LINE MODULE 缩写为 SLM)。无论选用ALM或SLM，均需要配置电抗器。 SINAMICS的电源，电机模块均需要24V直流供电。
三、802DSL系统的安装调试
（一）系统上电
在确定系统的连接和供电部分与设计图纸正确无误后，依次对PCU，PP72/48以及S120接入24V直流电源。待系统上电正常后，各部件显示如下：
1.802DSL 显示器
802DSL进入主界面，有以下报警信息:
380021-PROFIBUS DP : 缺省的SDB100以加载
04060-标准的机床数据以加载
2.驱动部分
电源模块 READY指示灯 桔色 DC link指示灯 桔色
伺服模块 READY指示灯桔色 DC link指示灯 桔色
3.PP72/48部分
“POWER”和“EXCHANGE”指示灯均为绿色，模块已经就绪，且有数据交换。
（二）PLC调试
802DSL系统为用户提供的有一个标准的PLC子程序库，利用子程序库可以迅速的搭建一个用户PLC应用程序。在使用PLC子程序前必须用标准的初始化文件对系统进行初始化。
1.系统初始化
启动由工具盒提供的通讯软件“RCS” ，利用“RCS”浏览器在计算机上找到初始化文件(铣床版)，将文件粘贴到START-UP ARCHIVE (NC/PLC)文件夹下面。NCK复位后初始化文件生效。
2.PLC应用程序的设计
802DSL 系统为用户提供的子程序库中有64个子程序(SBR)。每个子程序都包含不同的功能。用户可以根据自己设备的需求，选择使用不同的子程序。但是所有选择的子程序必须在主程序OB1中进行调用。在64个子程序当中，802D为用户预留了43个子程序，以方便用户根据自己的实际需求编写子程序。在AS5V的改造中，调用了以下标准的子程序SBR 32PLC_INI( PLC初始化)， SBR33 EMG_STOP(急停处理)， SBR34 MCP_802D(机床控制面板的处理)， SBR38 MCP_NCK(机床控制面板至NCK信号的处理)， SBR39 HANDWHL(HMI选择手轮) SBR40 ASIX_CTL(进给轴和主轴控制)， SBR44 COOLING(冷却控制) SBR45 LUBBICATE(润滑控制)。根据子程序使用说明中，对接口信号的定义。按照设计图纸，对每个调用的子程序的接口进行设置。再根据机床的实际情况，对每个子程序进行调试，并对一些子程序进行修改，以满足机床改造的需要。对SBR40的调用。
因为AS5V滚刀磨是专用机床，一些特有的功能，只能自己编写PLC动作。如SBR2磨头修整， SBR3风机控制， SBR4报警及三色灯控制，SBR5程序选择。
SBR2(磨头修整) 子程序主要控制砂轮修整动作。 SBR3(风机控制) 子程序主要控制抽风装置在磨削的启动和停止。SBR4(报警及三色灯控制) 子程序主要控制对用户报警的响应的复位条件以及三色灯的控制。 SBR5(程序选择) 子程序是为了方便操作者选择螺旋导轨加工程序和滚刀磨削程序，而编写的用于选择加工程序的PLC子程序。该子程序利用面板上的两个自定义键，当操作者按下(滚刀)键时，CNC自动将滚刀磨削加工程序生效为当前程序。 当操作者按下(导轨)键时，CNC自动将螺旋导轨加工程序生效为当前程序。
3.PLC参数设置
当铣床初始化文件传入系统后，系统以生效为铣床标准配置，仅需要设定几个参数，如润滑的时间等，并根据用户报警内容，配置报警信息的属性:
N14510 $MN_USER_DATA_INT[16]=1 3f9a
N14510 $MN_USER_DATA_INT[24]=1 3e7a
N14510 $MN_USER_DATA_INT[25]=500 407c
N14512 $MN_USER_DATA_HEX[16]=H8 42d8
N14512 $MN_USER_DATA_HEX[18]=H18 4310
N14516 $MN_USER_DATA_PLC_ALARM[2]=Hf 59f2
N14516 $MN_USER_DATA_PLC_ALARM[3]=Hf 5d32
N14516 $MN_USER_DATA_PLC_ALARM[4]=Hf 57a2
（三）NC系统参数配置
完成对PLC功能的调试后,对系统参数进行设置.
1.进给轴的设置.
Z轴为工作台进给轴,直线轴,与丝杆1:1直连, 丝杆螺距6MM.设置参数如下:
N30110 $MA_CTRLOUT_MODULE_NR[0,AX1]=1 562a
N30130 $MA_CTRLOUT_TYPE[0,AX1]=1 4c0a
N30220 $MA_ENC_MODULE_NR[0,AX1]=1 485e
N30240 $MA_ENC_TYPE[0,AX1]=1 3c74
N30250 $MA_ACT_POS_ABS[0,AX1]=-1 4d64
N31030 $MA_LEADSCREW_PITCH[AX1]=6 4cac
C轴为头架旋转轴,电机与蜗杆1:1直连, 蜗轮40齿.头架后端安装有旋转编码器,反馈线数1024,设置参数如下:
N30110 $MA_CTRLOUT_MODULE_NR[0,AX2]=2 575c
N30130 $MA_CTRLOUT_TYPE[0,AX2]=1 4c70
N30220 $MA_ENC_MODULE_NR[0,AX2]=2 4990
N30230 $MA_ENC_INPUT_NR[0,AX2]=2 4c44
N30240 $MA_ENC_TYPE[0,AX2]=1 3cda
N30250 $MA_ACT_POS_ABS[0,AX2]=1 4d8c
N30300 $MA_IS_ROT_AX[AX2]=1 43e8
N30310 $MA_ROT_IS_MODULO[AX2]=1 566a
N30320 $MA_DISPLAY_IS_MODULO[AX2]=1 5968
N31020 $MA_ENC_RESOL[0,AX2]=1024 4682
N31040 $MA_ENC_IS_DIRECT[0,AX2]=1 46cc
N31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[0,AX2]=40 55b8
主轴为摸拟轴 0-10V输出:
N30100 $MA_CTRLOUT_SEGMENT_NR[0,AX3]=0 67b4
N30110 $MA_CTRLOUT_MODULE_NR[0,AX3]=3 59cc
N30130 $MA_CTRLOUT_TYPE[0,AX3]=1 4d40
N30134 $MA_IS_UNIPOLAR_OUTPUT[0,AX3]=1 5b96
N30200 $MA_NUM_ENCS[AX3]=0 4838
N30220 $MA_ENC_MODULE_NR[0,AX3]=1 4aca
N30240 $MA_ENC_TYPE[0,AX3]=1 3daa
N30300 $MA_IS_ROT_AX[AX3]=1 4728
N30310 $MA_ROT_IS_MODULO[AX3]=1 59aa
N30320 $MA_DISPLAY_IS_MODULO[AX3]=1 5ca8 nextpage
2.驱动的配置和优化
电机与驱动连接无误后,既可进入驱动器的调试
(1)先进行驱动器的固件升级.
P15=150399 驱动各部件的固件升级
观察驱动器模块上READY 绿红闪烁结束，并且SINAMICS_I 的
参数P7829 变为0 表示驱动器的固件升级已完成，对于双轴电
机模块P7829=140 也表示升级完成,升级所需的时间为5~10 分钟；
升级完成后，必须重新上电复位。
P15=150101 带ALM驱动器快速调试
观察P977 和R2 的状态，当R2 变为10，且P977 由0à1à0，则宏调用完成，时间约与驱动器数量有关，最后需要重新上电。
(2)驱动器的初始化.
进入系统画面[SHIFT]+[ALARM]，进入[机床参数]à[驱动器参数] à选择SINAMICS _I.找到驱动器参数P9，输入30 – 参数复位.
找到驱动器参数P976，输入 1 – 参数初始化（该参数会立即变为 0 ）
找到驱动器参数P977，输入 1 – 存储数据.观察驱动器参数P977 。当P977 由1à0 表示数据存储完成.找到驱动器参数P9，当P9=1 时，表示驱动器初始化完成，可以进行下一步– 驱动器配置,802D sl 及驱动器断电，再上电。
(3)驱动器的配置.
利用STARTERP配置电机和驱动,下图是配置好的括扑结构:
根据每个轴的机械特性,对伺服进行调整和优化.对于伺服系统,首先是对速度环的动态特性进行调整.然后才对位置环进行调整.速度环动态特性的调整是由STARTERP软件完成的.完成速度环的调整后,再对位置环进行调整,如位置环增益等.
完成以上步骤后,机床伺服轴已经可以运转.检查机床各项功能是否达到设计要求.
（四）G代码编写
为方便操作者加工螺旋导轨,编写了专用的螺旋导轨的加工程序.螺旋导轨的加工要求如下:
导程T=ΠD/tgβ
圆周进给角度 为 arctgα=ψ÷(D+d)/2
式中：D---工件外径、 d---导程面底径, ψ—进给量,β—螺旋角。
假设导程为 600mm、工件主轴圆周进给为 5 次、每次进给 0.02mm,光磨次数为 5次。机床调整、对刀完毕。
按下循环启动开关→润滑系统、砂轮电机启动→工作台右行至设定点→工件主轴回退 0.5°→工作台左行至终点→工件主轴回位 0.5°并第1 次圆周进给 0.02mm→工作台右行至设定点→工件主轴回退 0.5°→工作台左行至终点→工件主轴回位 0.5°并第 2 次圆周进给 0.02mm→工作台右行至设定点→工件主轴回退 0.5°→工作台左行至终点-→工件主轴回位 0.5°并第 3 次进给 0.02mm→工作台右行至设定点→工件主轴回退0.5°→工作台左行至终点→工件主轴回位0.5°并第 4 次进给0.02mm→工作台右行至设定点→工件主轴回退 0.5°→工作台左行至终点→工件主轴回位0.5°并第5次0.02mm→工作台右行至设定点→工件主轴回退 0.5°→工作台左行至终点→工件主轴圆周回位 0.5°→(圆周进给结束)工作台右行至设定点 (第 1 次光磨)→工件主轴回退 0.5°→工作台左行至终点→工件主轴圆周回位 0.5°→工作台右行至设定点(第 2 次光磨) →工件主轴回退 0.5°→工作台左行至终点→工件主轴圆周回位 0.5°→工作台右行至设定点 (第 3 次光磨) →工件主轴回退 0.5°→工作台左行至终点→工件主轴圆周回位 0.5°→工作台右行至设定点 (第 4 次光磨)→工件主轴回退 0.5°→工作台左行至终点→工件主轴圆周回位0.5°→工作台右行至设定点 (第 5 次光磨)-→工件主轴圆回退 0.5°→工作台左行至终点→工件循环结束，润滑系统、砂轮电机停止。
根据加工要求编写的加工程序如下:
N290 R50=R11/R2*360 ;计算C轴旋转角度
N300 R51=R12-R55 ;计算Z轴到起点的距离
N310 R52=R51/R2*360 ;计算C轴到起点的角度
N320 R52=R52*R0*R3 ;计算C轴起点位置
N330 R91=R52*R0*R0
N331 R94=R12-R10 ;计算手动对刀Z轴的移动距离
N332 R95=R94/R2*360 ;计算手动对刀C轴的移动距离
N333 R95=R95*R3*R0
N334 R96=R9+R95
N335 IF R96>360 GOTOF ZS1 IF R96<0 GOTOF FS1
R97=R96
GOTO JIS1
N336 ZS1:R97=R96-360
GOTO JIS1
N337 FS1:R97=360+R96
N340 JIS1:R60=ATAN2(R20,R1) ;计算进给量
将程序中的变量用R参数来代替,操作者只需要改变R参数的值,就可以加工不同导程的螺旋导轨.
AS5V 滚刀磨变量表
变量名 备注
R0（左/右旋选择） 右旋=1 左旋= -1
R1（工件半径） 单位（毫米）
R2（工件导程） 单位（毫米）
R3（上/下母线磨削选择） 下母线=1 上母性=-1
R4（C轴回退量） 单位（毫米）
R5（主轴速度） 单位（分/转）
R6（C轴进给速度） 单位（度/分钟）
R7（Z轴进给速度） 单位（度/分钟）
R8（Z轴快退速度） 单位（毫米/分钟）
R9（Z轴对刀坐标） 单位（毫米）
R10（C轴对刀坐标） 单位（度）
R11（工件加工长度） 单位（毫米）
R12（Z轴的加工起点坐标） 单位（毫米）
R13（工件每刀光磨次数） 单位（次）
R14（工件修整光磨次数） 单位（次）
R15（抽风选择） 不需要=0 需要=1
R16（冷却选择） 不需要=0 需要=1
R17（滚刀的槽数）
R18（滚刀的模数）
R19（磨削次数）
R20
。。
R29 （十次磨削的进给量）
R30（暂停时间） 单位（秒）
R31(手动/自动对刀) （手动对刀=1， 自动对刀=0）
（五）加工精度
螺旋导轨是加工斜齿的关键部件,它的精度直接影响斜齿的加工精度.螺旋导轨精度要求一般为导程误差±0.01mm. 导程直线度误差±0.01mm.机床安装就位后,用激光干涉仪.将Z轴的螺距误差,测量出来.把每个坐标点的误差编辑到补偿文件中,再传入CNC.C轴虽然是全闭环反馈,但是因为受编码器安装精度的影响,C轴的定位精度也达不到加工的要求.因此对C轴也要进行螺补.补偿文件的格式如下:
Z轴 $AA_ENC_COMP[0,0,AX1]=0 3840
$AA_ENC_COMP[0,1,AX1]=0.001 3d9e
$AA_ENC_COMP[0,2,AX1]=0.0016 4296
$AA_ENC_COMP[0,3,AX1]=-0.0001 41e8
$AA_ENC_COMP[0,4,AX1]=-0.0009 3c68
$AA_ENC_COMP[0,5,AX1]=0.0011 3f46
$AA_ENC_COMP[0,6,AX1]=0.0015 411e
$AA_ENC_COMP[0,7,AX1]=0.0026 4788
C轴 $AA_ENC_COMP[0,0,AX2]=0 39d8
$AA_ENC_COMP[0,1,AX2]=-0.0010
$AA_ENC_COMP[0,2,AX2]=-0.0013
$AA_ENC_COMP[0,3,AX2]=-0.0018
$AA_ENC_COMP[0,4,AX2]=-0.0022
$AA_ENC_COMP[0,5,AX2]=-0.0027
$AA_ENC_COMP[0,6,AX2]=-0.0029
$AA_ENC_COMP[0,7,AX2]=-0.0034
补偿完毕后,用激光干涉仪连续记录五遍伺服轴运动的误差,计算轴的定位误差和重复误差.下图分别是Z轴和C轴的误差曲线:
未进行螺距补偿时，在SP60检测仪器上检测出的螺旋线误差曲线。可以看出直线度和导程均超差。
进行螺距补偿后，加工零件的曲线。各项检测指标均在图纸的设计要求之内。
（六）结束语
改造后机床操作方便，调整简单，运行稳定。彻底解决了原先调整繁琐，加工精度不稳定等问题。改造后机床加工零件的效率和加工精度明显提高，充分的发挥了设备的潜力。原来加工一个合格的导轨需要6-8天时间，现在一天可以加工几套合格导轨。经过这次改造，充分的体会到应用先进的数控系统对老设备进行改造，确实是一条提升设备能力的有效途径。
