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【摘 要】由于老数控机床在运行过程中具有故障多、效率低等劣势，解决的方式就是对其进行升级改造。本文也通过工作实践，提出全数字直流器在数控机床的主轴控制系统进行技术改造中的应用。
【关键词】数控机床；驱动系统；西门子6RA70直流驱动；改造
0.引言
7寸数镗控铣床是我公司燃机车间一台关键的数控加工设备，是上世纪70年代美国LUCAS公司的产品，其主轴控制单元采用了美国GE公司的直流驱动统，该控制单元是由主控板、磁场板、接口板和电源板组成，采用了大量的分立元件，经过几十年的运行，元件已经老化，备件严重缺乏，故障率很高，给我们维修工作带来了极大的压力，为提高生产效率，急需对其进行改造。
1.西门子6RA70直流驱动特性
西门子6RA70系列全数字直流控制器为全数字紧凑型整流器，输入为三相电源，可为变速直流驱动提供电枢和励磁供电，额定电枢电流从15A至2000A。紧凑型整流器可以并联连接，提供高至10000A的电流，励磁电路可以提供最大40A的电流，所有6RA70装置均配备一个安装在整流器门上的简易操作面板PMU，PMU也具有根据RS232或RS485标准同USS接口的连接器X300。操作面板提供了为了启动整流器所需进行的调整和设定及测量值显示的所有手段。西门子6RA70采用（C163和C167）两台高效能的微处理器承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。控制软件以控制功能块的形式存放在Flash-EPROM中，通过参数设置，可以方便地将软件所提供的程序块“连接”起来，实现各种驱动控制功能、逻辑控制功能等。
2.驱动器选型及电路设计
为了降低改造成本，我们保留了原主轴直流驱动电机、测速机以及用于主电机冷却的风机，其主要参数为：电机额定功率—75HP；电机额定电压—220V；电机额定电流—260A；电机额定转速—2700r/min；额定励磁电流—7.4A；额定励磁电压—120V；测速机最大转速—5000r/min；测速机输出电压—50V/1000r。
经过参数比较，最后选用驱动器的型号是西门子6RA7078-6DV62。其主要技术参数为：电枢额定电压—3AC400V（+15%/-20%）；电枢额定输入电流—233A；励磁额定电压—2AC400（+15%/-20%）；额定直流电压—485V；额定直流电流—280A；励磁额定直流电压—325V（MAX）；励磁额定直流电流—15A。
主电路及励磁回路均有快速熔断器和进线电抗器，交流110V控制电源利用了原电器柜的110V电源，直流24V控制电源选用了24V5A开关电源。下面简要说明一下6RA70装置与此次改造相关端子的定义及接线说明：
1U1、1V1、1W1—电枢电源输入。3AC380V（进线端接快速熔断器、电抗器）。
1C1（1D1）、1D1（1C1）—电枢回路电动机连接。接直流电机电枢端子。
3U1、3W1—励磁电源连接。2AC380V（进线端接快速熔断器、电抗器）。
励磁绕组连接。3C、3D—接直流电机励磁端子：6031、6032。
5U1、5W1—进线电压400V。2AC380V。
103、104—测速机连接8V～270V；模拟量地M。接测速机端子：6039、6040。
1、4—基准M；可设置输入主给定值。给定输入：接FAGOR8025CNC数控系统；主轴给定端子：6037、6038。（—10V～+10V）。
12、13—实际电流；模拟地M。接电流表：用来实时监视动机电流。
34、35—电源（输出）；数字地M。24VDC。
36—可设置输入开关量1。用于主轴JOGCW
37—电源的合闸/分闸：高电平信号（合闸）；进线接触器闭合+（端子38为高电平），按照斜坡函数发生器的斜率加速至运行速度；低电平信号（分闸）。用于主轴START/STOP。
38—运行使能，高电平信号：调节器使能；低电平信号：调节器禁止。
39—可设置输入开关量2。用于主轴JOGCCW。
46、47—可设置输出开关量1；地M。用于驱动系统故障报警。
48、54—可设置输出开关量2；地M。用于主轴电机零速检测。
109、110—进线接触器用继电器。用作主回路上电确认。
106—安全停车用电源（输出）。24VDC。
105—安全停车开关。与106连接。
107—安全停车按钮。常闭接点接数控系统E-STOP
108—安全停车复位。常开接点接系统复位开关。
3.参数设定及调试
西门子6RA70直流驱动器对参数的设置是通过安装在整流器门上的简易操作控制面板（PMU）来实现的。简易操作控制面板安装在整流器门上，它由5位7段显示板和三个状态指示LED及下面的三个参数键组成。所有为启动整流器所要采取的调整，设置均可通过简易操作控制面板来实现。
访问授权：P051=0（参数不能更改）；P051=40（参数可以改变）；P052=0（只显示不是工厂设定值的参数）；P052=3（显示所有参数）。
根据西门子6RA70系统的P参数设定说明，通过对电源及电机铭牌等参数的测定和计算，其主要参数设定如下：P076001=100；P076002=50；P078001=240；P078002=380；P082=2；P083=1；P100=260；P101=240；P102=7.4；P114=10；P741=260；P430=0010；P431=0410；P771=0106；P772=0164。
主要参数设置完成后，将对驱动系统进行通电调试和最优化设置。6RA70的自优化功能可通过P51参数设定：P051=25（电枢和励磁的预控制和电流调节器的优化运行）；P051=26（速度调节器的优化运行动）；P051=27（励磁减弱的优化运行）；P051=28（摩擦和转动惯量补偿的优化运行）。
通过优化和调整参数达到装置与电机及负载之间的较佳匹配。6RA70的监控与诊断功能可通过操作面板修改所有的参数。励磁回路采用电流反馈的闭环调节器，以保证励磁电流稳定，同时可对电机的励磁特性进行测量，以实现最佳弱磁升速特性。通过开关量输入输出信号与控制系统进行联锁逻辑控制，通过整体调试完成对主轴电机调速的最佳控制。
该机床的数控系统是西班牙FAGOR8025CNC数控系统，是采用了内置PLC加外置PLC64控制模式，主轴控制单元有部分I/O受控于PLC，分别是：I69—主轴故障报警；I81—主轴零速检测；O61—主轴CW；O64—主轴CCW；O62—主轴JOGCW；O63—主轴JOGCCW。
在调试过程中，发现主轴换挡无法完成，换挡程序自动中断，PLC程序报警，经检查发现：I81（零速检测信号）和PLC的要求不匹配，PLC程序要求，主轴零速时I81=1；主轴非零速时I81=0。经更改参数P772后，使I81满足了PLC程序的要求，主轴换挡顺利完成；在调试和优化设置完成后，手动设置参数P303=3；P304=3，以调节主轴电机加减速时间；设置参数P401=-3；P402=3，以满足主轴JOG运行的速度。
现在，7寸数控镗铣床主轴控制系统运行正常，基本上实现无故障运行。 [科]
【参考文献】
[1]张欣波，辛艳东.普通镗铣床的数控改造[J].经济技术协作信息，2003.
[2]王文龙，王海龙.西门子6RA70型直流调速器在轧机中的应用[J].金川科技，2010.
[3]曲改玉，赵忠民.6RA70直流调速装置在龙门铣床上的应用[J].金属加工：冷加工，2010.
【关键词】数控机床；驱动系统；西门子6RA70直流驱动；改造
0.引言
7寸数镗控铣床是我公司燃机车间一台关键的数控加工设备，是上世纪70年代美国LUCAS公司的产品，其主轴控制单元采用了美国GE公司的直流驱动统，该控制单元是由主控板、磁场板、接口板和电源板组成，采用了大量的分立元件，经过几十年的运行，元件已经老化，备件严重缺乏，故障率很高，给我们维修工作带来了极大的压力，为提高生产效率，急需对其进行改造。
1.西门子6RA70直流驱动特性
西门子6RA70系列全数字直流控制器为全数字紧凑型整流器，输入为三相电源，可为变速直流驱动提供电枢和励磁供电，额定电枢电流从15A至2000A。紧凑型整流器可以并联连接，提供高至10000A的电流，励磁电路可以提供最大40A的电流，所有6RA70装置均配备一个安装在整流器门上的简易操作面板PMU，PMU也具有根据RS232或RS485标准同USS接口的连接器X300。操作面板提供了为了启动整流器所需进行的调整和设定及测量值显示的所有手段。西门子6RA70采用（C163和C167）两台高效能的微处理器承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。控制软件以控制功能块的形式存放在Flash-EPROM中，通过参数设置，可以方便地将软件所提供的程序块“连接”起来，实现各种驱动控制功能、逻辑控制功能等。
2.驱动器选型及电路设计
为了降低改造成本，我们保留了原主轴直流驱动电机、测速机以及用于主电机冷却的风机，其主要参数为：电机额定功率—75HP；电机额定电压—220V；电机额定电流—260A；电机额定转速—2700r/min；额定励磁电流—7.4A；额定励磁电压—120V；测速机最大转速—5000r/min；测速机输出电压—50V/1000r。
经过参数比较，最后选用驱动器的型号是西门子6RA7078-6DV62。其主要技术参数为：电枢额定电压—3AC400V（+15%/-20%）；电枢额定输入电流—233A；励磁额定电压—2AC400（+15%/-20%）；额定直流电压—485V；额定直流电流—280A；励磁额定直流电压—325V（MAX）；励磁额定直流电流—15A。
主电路及励磁回路均有快速熔断器和进线电抗器，交流110V控制电源利用了原电器柜的110V电源，直流24V控制电源选用了24V5A开关电源。下面简要说明一下6RA70装置与此次改造相关端子的定义及接线说明：
1U1、1V1、1W1—电枢电源输入。3AC380V（进线端接快速熔断器、电抗器）。
1C1（1D1）、1D1（1C1）—电枢回路电动机连接。接直流电机电枢端子。
3U1、3W1—励磁电源连接。2AC380V（进线端接快速熔断器、电抗器）。
励磁绕组连接。3C、3D—接直流电机励磁端子：6031、6032。
5U1、5W1—进线电压400V。2AC380V。
103、104—测速机连接8V～270V；模拟量地M。接测速机端子：6039、6040。
1、4—基准M；可设置输入主给定值。给定输入：接FAGOR8025CNC数控系统；主轴给定端子：6037、6038。（—10V～+10V）。
12、13—实际电流；模拟地M。接电流表：用来实时监视动机电流。
34、35—电源（输出）；数字地M。24VDC。
36—可设置输入开关量1。用于主轴JOGCW
37—电源的合闸/分闸：高电平信号（合闸）；进线接触器闭合+（端子38为高电平），按照斜坡函数发生器的斜率加速至运行速度；低电平信号（分闸）。用于主轴START/STOP。
38—运行使能，高电平信号：调节器使能；低电平信号：调节器禁止。
39—可设置输入开关量2。用于主轴JOGCCW。
46、47—可设置输出开关量1；地M。用于驱动系统故障报警。
48、54—可设置输出开关量2；地M。用于主轴电机零速检测。
109、110—进线接触器用继电器。用作主回路上电确认。
106—安全停车用电源（输出）。24VDC。
105—安全停车开关。与106连接。
107—安全停车按钮。常闭接点接数控系统E-STOP
108—安全停车复位。常开接点接系统复位开关。
3.参数设定及调试
西门子6RA70直流驱动器对参数的设置是通过安装在整流器门上的简易操作控制面板（PMU）来实现的。简易操作控制面板安装在整流器门上，它由5位7段显示板和三个状态指示LED及下面的三个参数键组成。所有为启动整流器所要采取的调整，设置均可通过简易操作控制面板来实现。
访问授权：P051=0（参数不能更改）；P051=40（参数可以改变）；P052=0（只显示不是工厂设定值的参数）；P052=3（显示所有参数）。
根据西门子6RA70系统的P参数设定说明，通过对电源及电机铭牌等参数的测定和计算，其主要参数设定如下：P076001=100；P076002=50；P078001=240；P078002=380；P082=2；P083=1；P100=260；P101=240；P102=7.4；P114=10；P741=260；P430=0010；P431=0410；P771=0106；P772=0164。
主要参数设置完成后，将对驱动系统进行通电调试和最优化设置。6RA70的自优化功能可通过P51参数设定：P051=25（电枢和励磁的预控制和电流调节器的优化运行）；P051=26（速度调节器的优化运行动）；P051=27（励磁减弱的优化运行）；P051=28（摩擦和转动惯量补偿的优化运行）。
通过优化和调整参数达到装置与电机及负载之间的较佳匹配。6RA70的监控与诊断功能可通过操作面板修改所有的参数。励磁回路采用电流反馈的闭环调节器，以保证励磁电流稳定，同时可对电机的励磁特性进行测量，以实现最佳弱磁升速特性。通过开关量输入输出信号与控制系统进行联锁逻辑控制，通过整体调试完成对主轴电机调速的最佳控制。
该机床的数控系统是西班牙FAGOR8025CNC数控系统，是采用了内置PLC加外置PLC64控制模式，主轴控制单元有部分I/O受控于PLC，分别是：I69—主轴故障报警；I81—主轴零速检测；O61—主轴CW；O64—主轴CCW；O62—主轴JOGCW；O63—主轴JOGCCW。
在调试过程中，发现主轴换挡无法完成，换挡程序自动中断，PLC程序报警，经检查发现：I81（零速检测信号）和PLC的要求不匹配，PLC程序要求，主轴零速时I81=1；主轴非零速时I81=0。经更改参数P772后，使I81满足了PLC程序的要求，主轴换挡顺利完成；在调试和优化设置完成后，手动设置参数P303=3；P304=3，以调节主轴电机加减速时间；设置参数P401=-3；P402=3，以满足主轴JOG运行的速度。
现在，7寸数控镗铣床主轴控制系统运行正常，基本上实现无故障运行。 [科]
【参考文献】
[1]张欣波，辛艳东.普通镗铣床的数控改造[J].经济技术协作信息，2003.
[2]王文龙，王海龙.西门子6RA70型直流调速器在轧机中的应用[J].金川科技，2010.
[3]曲改玉，赵忠民.6RA70直流调速装置在龙门铣床上的应用[J].金属加工：冷加工，2010.