西門子840Di數(shù)控系統(tǒng)在MAHO-700改造中的應(yīng)用

劉明陽

(哈爾濱電動(dòng)機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

MAHO-700鏜銑床是從德國購入的一臺(tái)普通數(shù)控機(jī)床。有5個(gè)進(jìn)給軸和1個(gè)主軸，5個(gè)進(jìn)給軸分別由INDRAMAT伺服控制，主軸由INDRAMAT主軸控制，采用飛利浦432控制系統(tǒng)控制。由于原系統(tǒng)電氣控制元件老化，整體可靠性差，故障頻繁，已經(jīng)無法正常使用。為解決上述問題，針對(duì)MAHO-700鏜銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)控改造。該機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)采用了定比齒輪箱和滾珠絲杠，機(jī)械精度好，傳動(dòng)精度較高，能夠滿足數(shù)控改造的基本要求。

1 機(jī)床改造可行性分析、選型設(shè)計(jì)

根據(jù)該機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能、運(yùn)行狀態(tài)、現(xiàn)有加工精度、特殊功能等要求，結(jié)合電纜長度、電動(dòng)機(jī)扭矩及額定轉(zhuǎn)速、主軸功率、系統(tǒng)安裝空間等細(xì)節(jié)提出性能價(jià)格比較優(yōu)的選型與配置方案。該項(xiàng)目采用西門子SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)和S7-300可編程控制器，由于INDRAMAT伺服有幾套備件，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用原來的伺服與電動(dòng)機(jī)，由ADi4軸卡輸出模擬信號(hào)對(duì)伺服進(jìn)行控制，并與位置檢測(cè)元件一起構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。改造后MAHO-700臥式鏜銑床有1個(gè)主軸和5個(gè)進(jìn)給軸，編制了新的 PLC邏輯控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)，更加精確地進(jìn)行三維的立體加工。SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)具有3D插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、樣條插補(bǔ)、鉆削和銑削循環(huán)加工、圖形與極坐標(biāo)編程、圖形仿真、螺紋轉(zhuǎn)速進(jìn)給功能，還有刀具半徑和長度補(bǔ)償，絲杠螺距和齒輪間隙補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

1.1 西門子840Di數(shù)控系統(tǒng)簡介

(1)硬件組成

Sinumerik 840Di系統(tǒng)是將 CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)字控制)功能和HMI(人機(jī)界面)功能全部集成在Windows NT平臺(tái)下的工業(yè)PC中，通過將所有數(shù)控功能內(nèi)嵌，省略了獨(dú)立的NC單元，同時(shí)通過集成PLC卡提供的通信速率最高1.5 Mbps的MPI接口和通信速率最高12 Mbps的ProfibusDP接口，分別連接外部的驅(qū)動(dòng)接口，如ADI4和外部 I/O，ET200以及機(jī)床控制面板MCP，也可以連接MPI接口的外部編程器及各種手持設(shè)備。如果需要連接手搖脈沖發(fā)生器或者自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，MCI板上提供一個(gè)擴(kuò)展插槽，連接一塊MCI擴(kuò)展接口板后可以完成這些設(shè)備的連接。

(2)軟件組成

①Windows NT是Sinumerik 840Di的底層軟件。包括所有的用戶程序和Sinumerik 840Di的啟動(dòng)都是在NT這個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行的。

①NC系統(tǒng)軟件。包括基本的運(yùn)動(dòng)控制，例如軸的定位和伺服運(yùn)動(dòng)中的插補(bǔ)。

③HMI軟件。是專門用來進(jìn)行機(jī)床調(diào)整、操作和維護(hù)的軟件。根據(jù)不同的機(jī)床類型可以選擇不同類型的HMI軟件。

1.2 ADI4簡介

ADI4模擬量驅(qū)動(dòng)界面是一塊可以通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與840Di相連，接受多至4個(gè)伺服軸的編碼器的反饋信號(hào)，其模擬量輸出范圍是±10 V，適合驅(qū)動(dòng)伺服閥和作為變頻器的電壓設(shè)定值。其基本結(jié)構(gòu)如圖1。

SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)有三種基本工作方式：AUTO(自動(dòng))、JOG(手動(dòng))和 MDA(手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入/自動(dòng)加工)。此外還有四種機(jī)床功能：增量點(diǎn)動(dòng)功能(步進(jìn))、重定位功能(斷點(diǎn)返回)、返回參考點(diǎn)功能和設(shè)定實(shí)際值功能，配有手持單元方便手動(dòng)與對(duì)刀。其PCU50還帶有一個(gè)10 G硬盤，可以把 SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)(包括NC數(shù)據(jù)、PLC數(shù)據(jù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)等)備份到硬盤上，也可以通過RS232端口或軟驅(qū)備份到外部PC，極大地方便了機(jī)床的操作與維護(hù)。

1.3 MAHO-700臥式鏜銑床PLC控制程序的開發(fā)與編制

本機(jī)床采用西門子S7-300 PLC邏輯控制器，原來的機(jī)床邏輯控制用西門子S7-300可編程邏輯控制器取代。西門子S7-300 PLC有一條MPI現(xiàn)場(chǎng)總線與MCP機(jī)床操作面板連接，MCP通過MPI總線與主機(jī)進(jìn)行信息交換。有一條PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與PCU連接，通過PROFIBUS總線PLC擴(kuò)展單元ET200和ADI4與主機(jī)PCU50進(jìn)行信息交換，通過PROFIBUS-DP實(shí)現(xiàn)I/O與驅(qū)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化。首先在PCU50中對(duì)S7-300的ET200和ADI4的硬件配置進(jìn)行軟件組態(tài)的設(shè)置，ADI4可給出10 V的模擬指令電壓，可接收編碼器或光柵尺經(jīng)過整型放大后的TTL信號(hào)。然后進(jìn)行PLC的編程，對(duì)PLC的編程可分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：①分析機(jī)床的電氣控制原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；①理解原機(jī)床液壓控制功能；③建立新的PLC程序框圖；④編制新的軟件和硬件接口控制程序；⑤編制新的功能塊程序。

S7-300PLC中的硬件組態(tài)如圖2。

2 零件程序的編制

MAHO-700鏜銑床數(shù)控系統(tǒng)的零件加工程序是用國際標(biāo)準(zhǔn)化的ISO代碼編制的，它可以利用自動(dòng)編程工具軟件的圖形編程功能，形成ISO代碼的零件加工程序或用手工編程。除了840Di數(shù)控系統(tǒng)編程手冊(cè)所描述的功能代碼外，還針對(duì)該機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過PLC編程控制機(jī)床，使其具有如下輔助的M代碼功能：

M00為程序無條件停止；M01為程序有條件停止；M02為程序執(zhí)行結(jié)束；M03為主軸正轉(zhuǎn)；M04為主軸反轉(zhuǎn)；M05為主軸停止；M08為冷卻液開；M09為冷卻液關(guān)；M10為軸 X、Y、W 夾緊；M11為軸 X、Y、W 放松；M19為主軸定位停；M20為上滑板X軸夾緊；M22為鏜箱Y軸夾緊；M24為下滑板Z軸夾緊；M26為鏜桿W軸夾緊；M28為轉(zhuǎn)臺(tái)B軸夾緊；M21為上滑板X軸放松；M23為鏜箱Y軸放松；M25為下滑板Z軸放松；M27為鏜桿W軸放松；M29為轉(zhuǎn)臺(tái)B軸放松；M30為主程序結(jié)束返回；M31為清除所有放松的軸；M40為主軸自動(dòng)換擋；M41為選擇主軸第一擋；M42為選擇主軸第二擋；M43為選擇主軸第三擋；M44為選擇主軸第四擋。

3 MAHO-700鏜銑床伺服系統(tǒng)

該機(jī)床進(jìn)給軸采用的伺服系統(tǒng)是INDRAMAT交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的性能很大程度上取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及位置控制系統(tǒng)的性能，如機(jī)床的最高運(yùn)行速度、跟蹤精度、定位精度、重復(fù)定位精度等重要指標(biāo)均取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)和速度控制單元組成，它可以任意調(diào)節(jié)速度并提供切削過程所需要的轉(zhuǎn)矩和功率。位置閉環(huán)控制系統(tǒng)需要位置反饋檢測(cè)元件，它是基于反饋控制原理工作的，把反饋信號(hào)與輸入的指令進(jìn)行比較，以形成誤差值，并用此誤差值來控制伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。位置控制是精確的控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的坐標(biāo)位置，快速而準(zhǔn)確的跟蹤指令運(yùn)動(dòng)。INDRAMAT交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速精度和足夠的傳動(dòng)剛度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和無超調(diào)、低速大轉(zhuǎn)矩、以及在四象限內(nèi)可逆運(yùn)行運(yùn)動(dòng)等良好的技術(shù)特性。

根據(jù)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩方程M-Mf=Jdw/dt(式中M為電動(dòng)機(jī)的軸輸出轉(zhuǎn)矩；Mf為摩擦轉(zhuǎn)矩；J為折算到電動(dòng)機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)，軸定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能否提供足夠大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Jdw/dt，將成為影響定位精度的最主要原因。為此，我們選用了29 N·m交流伺服電動(dòng)機(jī)比原直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大。改造后轉(zhuǎn)矩M2＞M1，J2＜J1，Mf2=Mf1?？梢姼脑旌罂梢蕴岣呦到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)加速度dw/dt，提高定位精度。在西門子交流伺服系統(tǒng)上采用大功率晶體管作主回路驅(qū)動(dòng)元件比原直流伺服系統(tǒng)可控硅的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間要快，這些對(duì)于軸定位精度都是大有益處的。

4 數(shù)控電氣系統(tǒng)的安裝

首先拆除原電氣控制系統(tǒng)，安裝新的電氣控制柜及數(shù)控系統(tǒng)，將機(jī)床上電氣元件的信號(hào)線連接到控制柜接線端子，用MPI連接機(jī)床控制面板，用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與PCU連接，通過PROFIBUS總線PLC擴(kuò)展單元ET200和ADI4與主機(jī)PCU50進(jìn)行信息交換。連接海德漢光柵尺接口信號(hào)。

工作臺(tái)增加圓光柵編碼器，把B軸改造成可任意位置分度的數(shù)控軸。

5 SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)的啟動(dòng)和調(diào)試

5.1 NC啟動(dòng)

首先安裝PCU50的HMI系統(tǒng)軟件，配置PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線參數(shù)，啟動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)入機(jī)床的參數(shù)設(shè)定界面，進(jìn)入“GENERAL”窗口，設(shè)置“定義各軸名稱”的參數(shù)(各軸的名稱不可重復(fù))；然后進(jìn)入“CHANNEL SPECIFIC”窗口。這里的參數(shù)有四類，分別為：(1)把幾何軸分配到通道；(2)幾何軸的名稱，；(3)設(shè)定哪個(gè)機(jī)床軸通道有效；(4)編程時(shí)所用的軸。之后進(jìn)入“DRIVE CONFIG”窗口，在這里匹配驅(qū)動(dòng)，最后進(jìn)入“MACHINE DATA”，設(shè)置各個(gè)軸(包括主軸)的具體參數(shù)：轉(zhuǎn)速極限、最高速度、位置增益、定位誤差、報(bào)警極限等等。

5.2 調(diào)試

按照MAHO-700鏜銑床的數(shù)控與電氣設(shè)計(jì)圖紙，完成硬件連接，并將安裝有SIMATIC S7-300的編程軟件的計(jì)算機(jī)通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線和SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)連接，系統(tǒng)可以通電調(diào)試。首先將各種機(jī)床數(shù)據(jù)、PLC機(jī)床控制程序，報(bào)警文本等信息傳送到SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)，操作機(jī)床的各種基本功能，如機(jī)床控制面板的操作、急停控制、進(jìn)給伺服和主軸上電順序和使能控制、行程限位保護(hù)控制、手持單元操作控制、報(bào)警處理、回參考點(diǎn)控制等；另外還有外圍設(shè)備的控制功能，如液壓、潤滑、冷卻、進(jìn)給軸機(jī)械夾緊放松、刀具夾緊放松、主軸換檔等。

設(shè)置各個(gè)軸的具體參數(shù)時(shí)，按照不同的功能和調(diào)試的實(shí)際情況，可對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的幾千個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改調(diào)整。在位置控制中匹配參數(shù)使檢測(cè)的脈沖當(dāng)量為1 μm，設(shè)置前饋控制功能等，插補(bǔ)周期選為2 ms，設(shè)定加減速時(shí)間常數(shù)為1 s；在不振蕩的條件下，盡量增大位置環(huán)和速度環(huán)的比例增益系數(shù)，增加伺服系統(tǒng)的剛度，減小跟隨誤差以提高定位精度。設(shè)定各軸零點(diǎn)漂移自動(dòng)補(bǔ)償功能和參數(shù)，設(shè)定粗精停范圍參數(shù)，設(shè)定跟隨誤差報(bào)警范圍等參數(shù)，使機(jī)床穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

6 改造后的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值

MAHO-700鏜銑床經(jīng)過改造后通過一段時(shí)間的運(yùn)行證明，SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)在 MAHO-700鏜銑床的數(shù)控改造中的應(yīng)用是成功的，尤其是將三軸聯(lián)動(dòng)改造成五軸聯(lián)動(dòng)，改造后MAHO-700鏜銑床有1個(gè)主軸和5個(gè)進(jìn)給軸，技術(shù)是先進(jìn)的，達(dá)到了預(yù)期的目的。該臥式鏜銑床的改造成功，為工廠創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］胡國清.數(shù)控系統(tǒng)從入門到精通［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.