西门子中国发电团队为中国发电设备制造行业客户提供数控及自动化相关的产品推广和技术支持。哈尔滨电机厂有限责任公司是一个拥有六十多年发展历史的企业，担负着国家大型火电及水电发电设备的生产制造任务。企业具有数量众多和较长使用寿命的数控机床和普通大型机床，加工精度低，自动化程度不高，自适应性能差。随着企业生产规模的增大和产品质量的提高，那些为企业早期发展作出过贡献的旧机床已很难满足现代化生产的要求。哈电公司结合本企业的实际情况，一方面更新现有的旧机床，增加高精度、高效率、高速度、高自动化的数控设备，另一方面对现有的旧机床进行现代的数控改造。改造现有的大型旧机床，配备与之相适应的数控电气系统，翻新再制造机械系统，把旧机床改成现代的数控机床，不失为一条投资少，提升产品质量和效率的捷径。西门子和哈尔滨电机厂保持友好的合作关系，2017年的某日，西门子技术专家张楠、关伟时和梁波先后应邀到哈尔滨电机厂进行五轴叶片数控铣床技术改造中840D sl系统软件建立及网络通讯等方面提供技术支持。

1  项目来源
    西德WOTAN Rapid 6五轴叶片数控铣床是哈尔滨电机厂有限责任公司在85年从德国引进的一台数控机床，八轴控制、五轴联动，能完成水轮机复杂曲面的加工。原机床配置西门子8MC数控系统，哈电公司于2000年采用SINUMERIK 840C数控系统与611A交流伺服系统及1FT5电机进行了电气控制系统的升级改造。840C数控系统结构复杂、元器件老化、故障频繁，为保证设备稳定运行，满足工艺要求，我们采用西门子840D sl新型系统对机床进行了五轴联动的技术改造。

2  五轴叶片铣的结构特点
    五轴叶片铣有七个进给轴和一个主轴。主轴采用6RA27直流驱动系统—100Kw直流伺服电机—主轴齿轮箱。Y轴镗箱移动采用1FT5交流伺服电机—齿轮箱—滚珠丝杠—螺母副—滑动部件，Y轴垂直移动设有电磁抱闸，为防止Y轴丝杠震颤设有液压支撑装置。Z轴镗杆/W轴滑枕/移动均采用1FT5交流伺服电机—齿轮箱—滚珠丝杠。X轴立柱移动采用1FT5交流伺服电机—双齿轮传动箱—精密齿条。U轴立柱滑座前后移动采用1FT5交流伺服电机—齿轮箱—滚珠丝杠。配置A、C两个旋转轴的数控铣头，直角铣头等附件。水平直线坐标轴X、U、W采用静压导轨，主轴齿轮箱设有四个机械档位变换，W轴滑枕具有液压自动低头补偿功能。

3  数控系统的选型设计
    针对叶片铣的结构、性能、运行状态、位置精度、特殊功能等要求，结合原伺服驱动装置指令接口和位置反馈检测元器件接口等特点，提出采用西门子SINUMERIK 840D sl数控系统及ADI4位控单元，保留驱动系统、伺服电机和位置测量装置的改造方案。数控系统配置NCU730.3+PCU50.5+OP015A+MCP483C PN+HT2+ET200M+ADI4，其中NCU730.3与配置的PCU50.5、MCP483C PN、HT2手持单元通过以太网连接；NCU730.3与3个ET200M分布式连接的PLC I/O扩展单元和2块ADI4通过PROFIBUS总线进行信息数据交换。采用2块ADI4输出模拟指令信号对8个模拟量的伺服驱动系统进行运动指令控制，ADI4可以接收编码器或光栅尺经过整型放大后的TTL电平信号，其中X/Y/U直线轴与光栅尺检测元件一起构成全闭环位置控制系统，Z/W/SP/A/C轴配置脉冲编码器一起构成半闭环位置控制系统。

4  SINUMERIK 840D sl数控系统的启动和整机调试
4.1  NC启动
启动数控系统，安装PCU50.5的Windows 7和Operate人机操作界面软件，通过以太网线连接并配置PCU50.5、MCP483C PN、HT2单元，配置PROFIBUS-DP现场总线参数，进行840D sl系统参数设定和调整。
首先进入机床的参数设定界面，安装系统默认的标准机床数据，设置如下主要机床参数。
1)进入“GENERAL”窗口(通用机床数据设定)
2)进入“CHANNEL SPECIFIC”(特别通道机床数据设定)
3)进入“AXEX SPECIFIC”(特别轴机床数据设定)
4)进给轴的测量系统数据
5)最后进入“MACHINE DATA”，设置各个轴(包括主轴)的具体参数：
设置控制参数、机械传动参数、速度参数，包括设置通用参数、通道参数、轴/主轴参数和监控参数、转速极限、最高速度、加速度、运动方向、反馈极性、位置增益、定位误差、报警极限等。

4.2  PLC控制程序的开发设计与调试
    西门子840D sl系统的各控制功能需要PLC多个接口信号与机床参数组合在一起才能实现，开发PLC程序难度较大。首先在计算机中用STEP7编程软件对PLC的ET200M扩展单元和ADI4的硬件配置进行组态设置，释放西门子Toolbox的标准子程序，编制新的功能块程序。

1)依据五轴叶片铣的数控、电气、液压控制功能的结构特点设计电气原理图，按照电气图完成硬件连接，系统通电调试。计算机通过以太网与系统的NCU单元进行在线连接，把机床数据、PLC程序下载到NCU中，运行PLC程序，PLC接口信号与NCU交换数据信息，操作机床调试功能。
2)系统正确连接后首次上电必须进行NCK和PLC总清。
3)调试接口的连接：计算机连接到NCU的X127或X120以太网口进行调试工作，CP 840D sl的IP地址设置：X127为192.168.215.1；X120为192.168.214.1。NCU的X127以太网口为一个DHCP服务器，若连接到X127计算机可设置自动获取IP地址。
4)PLC程序设计采用模块化编程，将机床启动条件、基本接口控制、进给伺服和主轴上电顺序、使能控制、急停控制、电机抱闸控制、轴夹紧控制、回参考点控制、主轴换档控制、液压控制、润滑控制、冷却控制、排屑控制、刀具夹紧放松控制、辅助功能指令、报警信息、连锁保护、HT2手持单元、MCP操作控制面板等控制功能，模块化编程使程序结构合理、层次清晰，方便阅读查找。
5)主轴换档控制
    设有4个机械档位齿轮变换的主轴箱，由6个档位到达开关和4个电磁阀推动齿轮换档。主轴可实现自动/半自动/手动换档，自动方式(含AUTO/MDA方式)下换档，依据主轴S指令，判断4个机械档位速度范围，发出换档指令，判断主轴停止后，开始摆动齿轮，电磁阀推动齿轮换档，判断档位到达后，才允许主轴旋转；也可以通过M41～M44辅助指令半自动换档；手动方式(JOG)下，通过按钮换档，由指示灯统一指示档位，在齿轮手动换档过程中，通过调用NC异步子程序，实现齿轮摆动。

4.3 位置接口ADI4模块的PLC调试
    840D sl系统通过NCU单元的PROFIBUS DP总线与ADI4轴卡连接进行数据交换，由轴卡对伺服驱动系统输出指令电压、接收位置反馈信号，完成模拟轴的闭环控制。
1)设置DP总线接口
    在PLC硬件组态中激活NCU的PROFIBUS DP接口(X126)，设定PROFIBUS的波特率，对于ADI4安装在电柜内，波特率可以选择12Mbps。
2)设置DP总线扫描周期
    在DP Options下激活总线周期循环时间，设定总线的循环周期MD10050=0.002，DP周期为2ms。
3)设置DP总线地址
    从PROFIBUS DP的SINUMERIK库中选择ADI4添加到PROFIBUS总线上，注意硬件版本。设定ADI4 PROFIBUS地址，要与S2 DIP开关所设定的一致。
4)设置ADI4通讯参数
    在configuration菜单下配置ADI4的通讯报文，报文配置完成后，会显示每个驱动所对应的I/O逻辑地址，记录逻辑地址。
    在Isochronous Operation菜单下设定ADI4的DP通讯参数，设定后按Align
    Tdx(数据交换时间)：根据DP总线的设备数量不同，数据交换时间也不同。
    红色所示：DP cycle、Tmapc、Tdp时间保持一致。
    蓝色所示：Ti时间≥base time。一般为2倍关系，所有的ADI4保持一致。
    绿色所示：To≥Tdx+base time<Tdp，所有的ADI4保持一致。
5)设置编码器
    进入Encoder菜单，ADI4模块只能使用TTL型增量编码器或SSI型绝对值编码器，NC参数丝杠螺距设的是10mm，光栅尺栅距为0.04mm，计算后得编码器分辨率为2500。至此ADI4的硬件组态完毕，编译、下装后，READY灯亮绿色。
6)设置与ADI4相关的机床数据
    通用机床数据：
    MD13050 $MN_DRIVE_LOGIC_ADDRESS[x]=1024+18·x 逻辑驱动地址
    驱动的逻辑号地址＝x+1。驱动的逻辑号为MD13050参数的索引号+1。
    此处填入PLC硬件组态中的ADI4报文中的逻辑地址。
    MD13060 $MN_DRIVE_TELEGRAM_TYPE[0…7]=3  PROFIdrive的标准报文类型
    MD13070 $MN_DRIVE_FUNCTION_MASK[0…7]=‘80FH’  PROFIdrive的扩展功能
    MD13080 $MN_DRIVE_TYPE_DP[0…7]=4 驱动类型Analog drive模拟驱动
    注意：当MD13080=3时，系统重新上电后，轴有相应的显示，但是无法控制，所以将此值改为4报警消除。初次上电加载标准机床参数，配置轴时，出现报警8081，设置MD19100=8，消除报警。

4.4  PLC读取NC轴位置
    为防止6米高的Y轴滚珠丝杠震颤设有液压支撑装置，当Y轴镗箱接近丝杠支撑装置时由接近挡块的无触点开关检测信号发出命令由液压阀打开液压支撑装置脱离丝杠。现用PLC读取NC变量，获得机床坐标轴实际位置信号，提前打开Y轴液压支撑，避免原设备开关信号失灵时碰撞丝杠。

    840D sl提供了多种NC与PLC之间的通信方式，PLC基本程序中FB2/FB3用来读写NC的系统变量(如坐标位置，R参数，机床数据等)。
    PLC调用FB2的大致步骤如下：
1)用TOOLBOX中带的NC Variable Selector选择要读写的NC系统变量，生成数据块源文件；
2)编译源文件得到需要的数据块，可以下载到PLC中；
3)编写PLC程序，调用FB2。
    下面以读取Y轴坐标值为例，说明使用FB2的过程：
1)启动NC变量选择器
2)点击新建
3)选择ncv_NCData.mdb，点击打开(启动NC变量选择器并新建文件)
4)查找变量(通过查找功能把所需变量找出来，也可以借助Help)
5)因为坐标位置属于SMA组，所以在搜索窗口中，选择SMA
6)选中坐标值变量(actToolbasePos[])，双击。Unit-No对应通道号，Line对应轴号
7)点击OK，记住S7 Alias name，即C0_SMA_actToolbasePos 0_2，大小写不能错
8)选择数据块块号，单击菜单Code中的Selection项
9)输入最后要生成的数据块块号，如输入500，最后会生成DB500
10)保存变量文件，如文件名ncvar.var
11)单击菜单code中的Generate，生成数据块源文件
12)选择保存数据块源文件目录和文件名，如ncvar.awl，关闭NC变量选择器
13)进入STEP7，打开项目，选中S7程序中的源文件
14)单击右键，点击Insert菜单中的External Source…项
15)选择刚才生成的数据块的源文件，本例为ncvar.awl
16)点击打开
17)选中ncvar源文件，单击Edit菜单中的Compile进行编译
18)编译无错误后，会生成数据块DB500
19)在s7程序中的符号表中为DB500添加符号名，如ncvar_Y_axis
20)编写PLC程序，调用FB2如下
      CALL  FB2 , DB502                            DB502为FB2指定的背景数据块           
       Req    :=M0.2                     启动信号，上升沿读取坐标值
       NumVar :=7                       读取数量，最多一次读取7个变量
       Addr1  :=" ncvar".C1_SMA_actToolBasePos1_2     P#DB500.DBX0.0
       …….(省略中间参数)
       Addr2  :=" ncvar".C1_SMA_actToolBasePos2_2               P#DB500.DBX10.0
       …….(省略中间参数)
       Error  :  ="Axis_pos".ERROR  DB501.DBX24.0
       NDR   :  ="Axis_pos".NDR                     DB501.DBX24.1
       State  :  ="Axis_pos".STATA          DB501.DBW26
       RD1   :  ="Axis_pos".X_pos            DB501.DBD0       X轴机床坐标系位置
       RD2   :  ="Axis_pos".Y_pos            DB501.DBD4       Y轴机床坐标系位置
       ………(省略其它轴机床坐标系位置)
       RD8   :   =
21)将OB100中的NCKomm改为TRUE(允许NC和PLC之间交换数据)
22)下载DB500，DB501，DB502，OB100，OB1
23)NCK复位
24)每当启动M0.2时，就会将Y轴坐标值读到DB501.DBD4中。(M0.2为1Hz脉冲序列)。

4.5  PLC硬件配置以太网手轮(HT2)
以太网手轮参数设置：
1)设置总线地址  MD11350 $MN_HANDWHEEL_SEGMENT[0]…[7]->7
2)配置MCP硬件地址  MD11351 $MN_HANDWHEEL_MODULE[0]…[7] ->1
3)设置手轮端口号  MD11352 $MN_HANDWHEEL_INPUT[0]…[7] ->5
    西门子提供1个标准HT2应用程序块FC168，该应用程序考虑到多通道、多方式组、多轴选择等需求，相关数据块有DB168和DB169，其中DB169为FC168中调用FB2的背景数据块，相关数据结构定义有UDT400、UDT401、UDT402、UDT3100、UDT3101、UDT4830、UDT4831、它们都是FC168中使用的数据定义。
    调试HT2的PLC程序，需要在OB1中调用FC19标准程序之前调用FC168，需要在OB100中的FB1“HHURecGDNo”参数对应的地址与PN转接盒的DIP开关设置地址匹配，“BHGIn”和“BHGOut”分别对应于HT2的输入输出的起始地址。

4.6 工艺循环
    系统循环与HMI相匹配。即SINUMERIK Operate使用SINUMERIK Operate的循环。HMI Advance使用HMI Advance的循环。840Dsl sw4.5的Operate工艺参数MD52200=2设置铣削工艺循环，MD52200=1设置车削工艺循环，重新上电将自动装载相应的工艺循环。用WinSCP3软件运行维修命令或在NCU控制台执行“sc enable s_cycles”指令，强制装载SINUMERIK Operate工艺循环。
4.7五轴功能的设定
   五轴功能选项激活(在OPERATE上勾选五轴选项)只有标准版的系统软件支持五轴功能，5轴铣削工艺包SINUMERIK MDynamics 5轴(代码 S33)： 6FC5800-0AM30-0YB0五轴加工包：6FC5800-0AS33-0YB0 Dynamics五轴铣削工艺除 M30(五轴加工包)选项外，还包含加工轨迹优化的S07(精优曲面功能)功能。以下系统选项包含五轴转换功能。(含选件：5轴加工包、多轴插补(>4根插补轴)、ShopTurn/ShopMill、针对轮廓腔和切屑功能的余料识别及加工、3D模拟1(成品件)、同步记录、“精优曲面”运动控制、样条插补A、B和C样条、TRANSMIT/外周表面转换、钻削/铣削和车削的测量循环、NCU CF卡上的附加HMI用户内存、3D刀具半径补偿、测量运动系统)。
    按照五轴功能要求，为确保五轴转换能够将编程值转化成轴的运动，机床的有关机械设计信息，要求存储在机床数据中，包括：机床类型、轴分配、几何信息、旋转方向的指定。
    五轴功能的设定步骤如下：
    (1)五轴转换(TRAORI指令)是一种特殊的坐标转换，如同TRANSMIT(端面铣削)，TRACYL(柱面铣削)，TRAANG(斜轴功能)的坐标转换，属系统选项功能。在系统中设置5个机床轴(直线轴和旋转轴)的几何关系及尺寸链。在五轴转换状态下，系统根据配置的数据，自动实时将编程指令转换成各个机床轴运动指令，达到编程指令的轨迹要求。
    (2)840Dsl支持20组坐标转换。参数MD24100 $MC_TRAFO_TYPE_1 … MD25190 $MC_TRAFO_TYPE_20，系统坐标系确定正确的机床坐标系的设定是坐标转换的基础。机床坐标系系统符合ISO标准。五轴机床坐标系：直线轴运动方向，必需以刀具运动为主(无论机床什么结构，编程都是以刀具运动为对象)。旋转轴方向定义，遵循右手定则。大拇指指向坐标轴正向，四指方向为旋转轴的正向。五轴转换结构的定义五轴机床的轴分配规定为：三个直线轴分别对应五轴的第一、二、三轴，第一旋转轴对应第四轴，第二旋转轴对应第五轴；第一旋转轴的运动会改变第二旋转轴的方向。
    (3)转换类型(设定MD24100)通用五轴转换模型，支持转换类型24刀具旋转类型，C轴为1st旋转轴，B轴为2nd旋转轴。
    (4)定义参与五轴转换的通道轴(设定 MD24110、MD24120(通道轴号))TRAFO_AXES_IN(MD24110)：设置参与五轴转换的通道轴；TRAFO_GEOAX_ASSIGN_TAB_1(MD24120)：设置五轴转换的几何轴；五轴转换：TRAFO_AXES_IN[0..2]：参与转换的直线轴；TRAFO_AXES_IN[3]：1st旋转轴；TRAFO_AXES_IN[4]：2nd旋转轴。

    (5) 旋转轴定义(设定MD24570、MD24572)TRAF05_AXIS1(MD24570)：定义1st旋转轴TRAF05_AXIS2(MD24572)：定义2nd旋转轴索引号：[0]：围绕X轴旋转——A轴，[1]：围绕Y轴旋转——B轴，[2]：围绕Z轴旋转——C轴。
    (6)刀具矢量方向(设定 MD24574)Base_Orient：定义刀具矢量方向，一般都是沿Z轴方向：Base_Orient[0]：沿X轴方向,Base_Orient[1]：沿Y轴方向,Base_Orient[2]：沿Z轴方向。
    (7)五轴的几何参数(设定MD24500、MD24550、MD24558、MD24560)
    几何尺寸设定
    MD24500 —— Part_Offset
    MD24550 —— Base_Tool
    MD24558 —— Joint_Offset_Part
    MD24560 —— Joint_Offset

5  保证机床精度采用的五轴编程关键技术
    五轴联动加工时，工件程序经过后置处理，运用刀尖自动寻找轨迹功能，使刀具垂直于待加工点的切平面方向运行，保证五轴联动的精度。CYCLE 832指令可用于调用连续路径模式G64x和样条插补函数等功能。CYCLE800指令可以将铣头向垂直于刀具的切削方向调整，获得最佳切削力。
    (1)五轴加工零件程序编制的内容：
五轴转换；刀具定向的处理；刀具补偿；MDynamics的改进；特殊功能。五轴加工要求刀具相对于工件可以呈任意方向，刀具方向的改变与刀尖运动同步。
    (2)五轴加工的特点：
    避免刀具干涉；直纹面类零件铣方式一刀成型；用大直径端铣刀端面加工平坦的大型表面；一次装夹中对多个空间表面进行加工；刀具相对于工件表面处于最有效的切削状态；用较大尺寸的刀具避开干涉。
    (3)五轴加工的应用范围：
空间倾斜面上的钻、镗、铣等加工；高质量复杂曲面加工；大型模具加工；深腔加工；五轴的定义和加工类型；五轴定向加工(3+2轴)；五轴联动加工(5轴同步)。
    (4)五轴编程的传统方法：
    刀轴点编程后置处理计算机床轴运动，定向变换(五轴变换)
    TRAORI 激活定向变换
    _直接对刀尖点编程
    _避免路径误差
    _NC程序与机床结构无关
    _直接指定刀尖的进给速度
    _刀具磨损或更换后不必更新加工程序
    _程序段数目减少
    _可以使用3D刀具半径补偿
    (5)用高速设置循环CYCLE832：
    高速设定循环CYCLE832可以调用前馈控制FFWON和突变限制SOFT功能，FFWON前馈控制可以使与速度相关的轮廓跟踪误差减少至几乎为零，SOFT突变限制通过温和控制提高路径的精确度。TRAORI命令用来调用第一编程方向5轴转换。
    (6)样条插补功能的应用：
    840D sl数控系统具有样条插补功能。可以利用CYCLE832高速设定循环中的样条压缩功能COMPCAD指令对G代码施加影响，按照设置好的压缩区间，趋近于B样条曲线进行轮廓压缩。也可以使用BSPLINE指令激活B样条功能，利用多项式和指定的初始曲率进行插补运算输出位置指令。将这些小线段进行位置和速度平滑处理，将程序转变成速度连续变化的样条或是稳定加速的样条。尤其是B样条和C样条插补功能，确保加工过程中不仅速度是连续变化，加速度同样可以实现连续变化，机床轴能够更加平稳的协调运动并消除了机床共振，从而保证最优的加工表面质量效果，还允许使用更高的进给速度减轻机床负荷，为自由曲面高速加工提供优异的解决方案。

6  结束语
    五轴联动是高精度加工，对机床刚度、伺服驱动特性和位置精度要求较高。用西门子840D sl数控系统连接ADI4位控单元结构对机床进行五轴联动的升级改造，控制单元集散式分布，具有现场总线和网络通讯，速度快，可靠性高。840D sl功能齐全，接口信号复杂，开发应用困难，编制三千余条PLC控制程序，模块化结构，逻辑保护和报警功能完善，具有极大推广和应用价值。改造的五轴叶片铣控制功能齐全，定位精度高，运行稳定可靠，改造效果显著，给哈电公司带来巨大的经济效益。