西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)改造中的應(yīng)用

許 建 安 毅 侯宇峰 劉明陽(yáng)

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

MAHO 700C鏜銑床是從德國(guó)購(gòu)入的1臺(tái)普通三軸聯(lián)動(dòng)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，位置環(huán)采用全閉環(huán)控制方式，主軸由INDRAMAT主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制，采用飛利浦432數(shù)控系統(tǒng)。由于原數(shù)控系統(tǒng)控制元器件老化，整體可靠性差，故障頻繁，已經(jīng)無(wú)法正常使用?？紤]到該機(jī)床機(jī)電功能齊全，伺服驅(qū)動(dòng)及電動(dòng)機(jī)等功能部件完好，剛度高、機(jī)械精度保持得較好，我們針對(duì)MAHO 700C鏜銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用840Di數(shù)控系統(tǒng)對(duì)MAHO 700C進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控化改造。

1 MAHO 700C數(shù)控鏜銑床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該機(jī)床在結(jié)構(gòu)上有志個(gè)閉環(huán)的進(jìn)給軸、1個(gè)主軸，帶有1個(gè)立臥轉(zhuǎn)換的附件頭。3個(gè)直線坐標(biāo)軸X、Y、Z傳動(dòng)為:交流伺服電動(dòng)機(jī)—同步齒形帶—滾珠絲杠—螺母副—滑動(dòng)部件。Y軸為垂直移動(dòng)軸，滾珠絲杠沒(méi)有自鎖功能，為防止Y軸在位置開(kāi)環(huán)或機(jī)床斷電時(shí)工作臺(tái)下落，在Y軸電動(dòng)機(jī)的尾部增加了一個(gè)電磁抱閘;為防止Y軸傳動(dòng)同步齒形帶的斷裂而使工作臺(tái)自由下落，在絲杠帶輪旁安裝了安全剎車裝置。在移動(dòng)軸的末端裝有機(jī)械擋塊和限位安全保護(hù)開(kāi)關(guān)。旋轉(zhuǎn)的A、B軸，有液壓夾緊松開(kāi)裝置。主軸齒輪箱可有4個(gè)機(jī)械檔位，由2臺(tái)小直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換檔。由液壓驅(qū)動(dòng)爪頭來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的松、夾刀具。液壓系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、液壓泵、壓力表、蓄能器、溢流閥、電磁換向閥、單向閥、截止閥、壓力開(kāi)關(guān)和油管執(zhí)行元件等組成。潤(rùn)滑系統(tǒng)由中心潤(rùn)滑單元、潤(rùn)滑泵電動(dòng)機(jī)、油管和分配器等組成。中心潤(rùn)滑單元按設(shè)定的周期泵出潤(rùn)滑油，為機(jī)床導(dǎo)軌和絲杠提供潤(rùn)滑。冷卻液循環(huán)系統(tǒng)由冷卻液箱、電動(dòng)機(jī)、冷卻液泵、管路和噴嘴組成，用來(lái)完成加工時(shí)刀具、工件的冷卻。

2 數(shù)控系統(tǒng)的選型設(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)有加工精度和特殊功能等要求，結(jié)合電纜長(zhǎng)度﹑電動(dòng)機(jī)扭矩及額定轉(zhuǎn)速﹑主軸功率﹑數(shù)控系統(tǒng)安裝空間、系統(tǒng)控制部件連接接口等特點(diǎn)，提出性能價(jià)格比較優(yōu)的選型與配置方案。采用西門(mén)子SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)和S7 300可編程控制器及ADI4位控單元與原伺服系統(tǒng)、位置反饋元件等接口連接，原來(lái)的機(jī)床邏輯控制由西門(mén)子S7 300可編程邏輯控制器取代。

PCU50通過(guò) PROFIBUS總線與 PLC擴(kuò)展單元ET200和ADI4進(jìn)行信息交換，通過(guò)PROFIBUS－DP實(shí)現(xiàn)I/O與驅(qū)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整，由ADi4軸卡輸出模擬指令信號(hào)對(duì)伺服進(jìn)行運(yùn)動(dòng)指令控制，ADI4可接收?qǐng)A光柵編碼器或光柵尺經(jīng)過(guò)整型放大后的TTL信號(hào)，并與位置檢測(cè)元件一起構(gòu)成全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

電控柜的設(shè)計(jì)與制造時(shí)要特別注意的是，數(shù)控系統(tǒng)各接口信號(hào)的特點(diǎn)和形式要匹配，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化強(qiáng)電控制線路，邏輯連鎖保護(hù)由PLC完成，拆除原電氣控制系統(tǒng)，安裝新的數(shù)控及電氣系統(tǒng)。

3 MAHO 700臥式鏜銑床PLC控制程序的開(kāi)發(fā)與編制

首先在計(jì)算機(jī)中用STEP7編程軟件對(duì)S7 300的ET200和ADI4的硬件配置進(jìn)行軟件組態(tài)的設(shè)置，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)。（2）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。

把編制好的PLC程序下載到數(shù)控系統(tǒng)的PCU50的PLC中去，PLC接口信號(hào)與 NC交換數(shù)據(jù)信號(hào)。PLC程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程，將機(jī)床啟動(dòng)條件、PLC使能信號(hào)處理、軸控制、輔助功能、A/C/Y軸自動(dòng)夾緊松開(kāi)功能、主軸自動(dòng)換檔的控制、報(bào)警信息、手持單元操作等機(jī)床控制功能編成不同的模塊，模塊化編程使程序結(jié)構(gòu)合理、層次清晰，方便閱讀查找。

4 SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)的啟動(dòng)和整機(jī)調(diào)試

按照設(shè)計(jì)的電氣原理圖進(jìn)行接線，在認(rèn)真檢查各接口信號(hào)連接正確，電源對(duì)地?zé)o短路時(shí)，才可通電。通電后，先調(diào)整基本的機(jī)床數(shù)據(jù)，調(diào)整有關(guān)各軸數(shù)據(jù)建立全閉環(huán)控制，調(diào)試PLC程序塊的各控制功能等。

4.1 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)行840Di系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和調(diào)整:進(jìn)入機(jī)床的參數(shù)設(shè)定界面，列舉主要數(shù)據(jù)。

（1）進(jìn)入“GENERAL”窗口（通用機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定）:

MD10000 定義機(jī)床軸名稱:X1、Y1、Z1、SP1、A1、B1

MD10050定義系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間:0.004 s

MD10720定義默認(rèn)工作方式:7

修改MD18000后面的通用機(jī)床數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)造成DRAM區(qū)的重新分配，致使數(shù)據(jù)丟失，應(yīng)先把數(shù)據(jù)存檔，重新自動(dòng)分配后，再加載存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

（2）進(jìn)入“CHANNEL SPECIFIC”（特別通道機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定）:

MD20050定義通道中幾何軸分配:1、2、3

MD20060定義通道中幾何軸名稱:X、Y、Z

MD20070 定義通道中通道軸編號(hào):1、2、3、4、5、6

MD20070 定義通道中通道軸名稱:X、Y、Z、SP、A、B

（3）進(jìn)入“AXEX SPECIFIC”（特別軸機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定）:

MD30110定義電動(dòng)機(jī)軸的物理模塊位置:X=1、Y=2、Z=3、SP=4、A=5、B=6

MD30130定義軸輸出類型:0（0表示模擬方式）

MD30240定義測(cè)量系統(tǒng)的類型:X=Y=Z=A=B=SP=1（1表示增量測(cè)量系統(tǒng)）

MD30300定義軸是旋轉(zhuǎn)軸還是直線軸:X=Y=Z=0，A=B=1（0表示直線軸）

MD31000定義直接測(cè)量元件類型:X=Y=Z=1，A=B=0（1表示光柵尺，0表示編碼器）

MD31010定義光柵尺柵距:輸入值要與實(shí)際值相符

MD31020定義編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù):A=B=36000

MD31030定義絲杠螺距

MD31040定義測(cè)量元件直接安裝在機(jī)床上設(shè)為1

MD31050和MD31060定義電動(dòng)機(jī)到絲杠的減速比:輸入值要與實(shí)際值相符

MD31070和MD31080定義絲杠到編碼器的減速比:輸入值要與實(shí)際值相符

（4）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、加速度、運(yùn)動(dòng)方向、反饋極性、位置增益、定位誤差和報(bào)警極限等。

4.2 整機(jī)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(guò)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)床控制程序和報(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、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)警處理和回參考點(diǎn)控制等;另外還有外圍設(shè)備的控制功能，如液壓、潤(rùn)滑、冷卻、進(jìn)給軸機(jī)械夾緊放松、刀具夾緊放松和主軸換檔等。

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)的上千個(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4 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。

軸的位置增益是反映位置環(huán)中對(duì)軸運(yùn)動(dòng)位置的動(dòng)態(tài)跟蹤特性。軸的位置加速度是反映位置環(huán)中在軸啟動(dòng)到設(shè)定速度和設(shè)定速度到停止期間運(yùn)動(dòng)位置的加速、減速特性。軸速度能反映出機(jī)床的工作效率，速度越大，效率越高。它一般分為最大速度、手動(dòng)快速度、手動(dòng)速度、回零速度等。軸位置增益與加速度也是互相影響。

選用了海德漢光柵尺和圓光柵編碼器，用激光干涉儀測(cè)量定位精度并作螺距誤差補(bǔ)償，精度超過(guò)改造前的機(jī)床。

4.3 調(diào)試中要注意的問(wèn)題

（1）數(shù)控系統(tǒng)PLC用新增+24 V直流電壓代替原110 V交流控制電壓，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化外圍電氣連線，控制邏輯由PLC程序完成，要仔細(xì)分開(kāi)強(qiáng)弱電。

（2）交流伺服系統(tǒng)直流母線上掉電要斷開(kāi)和接入能耗電阻，在控制程序中要加延時(shí)。

（3）機(jī)床控制面板MCP通過(guò)MPI現(xiàn)場(chǎng)總線與主機(jī)PCU50進(jìn)行信息交換，通訊波特率設(shè)定為1.5 Mbs，注意總線終端電阻撥碼開(kāi)關(guān)MPI側(cè)為開(kāi)而PCU50側(cè)為關(guān)。

（4）840Di數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電動(dòng)機(jī)、位置檢測(cè)元件等連接的接口信號(hào)要匹配并正確連接。

（5）840Di數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置要全面，尤其與精度有關(guān)的參數(shù)一定要仔細(xì)匹配調(diào)整后，輸入數(shù)控系統(tǒng)，并用激光干涉儀校準(zhǔn)精度誤差，做螺距誤差補(bǔ)償。

（6）840Di數(shù)控系統(tǒng)調(diào)整的機(jī)床參數(shù)和編制的PLC控制程序應(yīng)與機(jī)床在精度、結(jié)構(gòu)、性能、控制功能、類型、工藝要求等方面匹配。

（7）Y軸電磁抱閘失電夾緊2 s后，伺服系統(tǒng)使能信號(hào)才可失電，電動(dòng)機(jī)再失電，以防止工作臺(tái)向下滑落。

（8）在自動(dòng)方式下，主軸停止，各軸進(jìn)給也必須停止，以防止撞刀。

（9）在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主軸換檔、主軸松刀具等指令無(wú)效，以防止損壞齒輪或傷人。

5 零件程序的編制

MAHO 700鏜銑床數(shù)控系統(tǒng)的工件加工程序是用國(guó)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代碼的工件加工程序或用手工編程。在五軸聯(lián)動(dòng)用于自由形狀曲面銑削加工時(shí)，用高速設(shè)置CYCLE832指令可以調(diào)用連續(xù)路徑模式G64/G641至G644指令。G64可實(shí)現(xiàn)預(yù)讀功能，即預(yù)讀速度控制可同時(shí)計(jì)算幾個(gè)CNC程序段并測(cè)定模態(tài)速率，使各程序段過(guò)渡連接平順，G641至G644可實(shí)現(xiàn)角度用圓弧平滑過(guò)渡功能。用高速設(shè)置CYCLE832指令可以調(diào)用前饋控制FFWON和突變限制SOFT功能，F(xiàn)FWON前饋控制可以使與速度相關(guān)的輪廓跟蹤誤差減小至幾乎為零，SOFT突變限制通過(guò)溫和控制提高路徑的精確度。TRAORI命令用來(lái)調(diào)用第一編程方向5軸轉(zhuǎn)換。如指令 CYCLE832（0.01，312101）表示:0.01=機(jī)床軸公差，312101=B樣條插補(bǔ)，F(xiàn)FWON SOFT，G642，TRAORI，精加工。用轉(zhuǎn)動(dòng)工作面CYCLE800指令可以轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)的A和B軸使工作面被調(diào)整至垂直于刀具切削方向，以獲得最佳切削力和表面粗糙度等優(yōu)良效果。本機(jī)床除具有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(guò)PLC編程控制機(jī)床，使其具有如下輔助的M代碼功能:

M00—程序無(wú)條件停止;M01—程序有條件停止;M02—程序執(zhí)行結(jié)束;M03—主軸正轉(zhuǎn);M04—主軸反轉(zhuǎn);M05—主軸停止;M08—冷卻液開(kāi);M09—冷卻液關(guān);M20—Y軸夾緊;M26—轉(zhuǎn)臺(tái)A軸夾緊;M28—轉(zhuǎn)臺(tái)C軸夾緊;M21—Y軸放松;M25—Z軸放松;M27—轉(zhuǎn)臺(tái)A軸放松;M29—轉(zhuǎn)臺(tái)C軸放松;M30—主程序結(jié)束返回;M40—主軸自動(dòng)換檔;M41—選擇主軸第一檔;M42—選擇主軸第二檔;M43—選擇主軸第三檔;M44—選擇主軸第四檔。

6 結(jié)語(yǔ)

MAHO 700C鏜銑床經(jīng)過(guò)改造后通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行證明，SINUMERIK 840Di數(shù)控系統(tǒng)在MAHO 700C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)，改造后該機(jī)床有一個(gè)主軸和五個(gè)進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng)精確地進(jìn)行三維的立體加工，采用五軸聯(lián)動(dòng)功能可以使刀具以最佳形狀進(jìn)行切削，在復(fù)雜形狀的高速精加工中可以提高效率，減小粗糙度值，技術(shù)是先進(jìn)的，具備現(xiàn)代先進(jìn)數(shù)控機(jī)床的功能，編制的PLC邏輯控制程序采用模塊化編程具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值，調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)參數(shù)使機(jī)電匹配，達(dá)到了較高的定位精度及先進(jìn)的數(shù)控控制功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。