SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)的PLC智能控制方法

李昊男

摘 要：SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)運行過程中，進給速度及主軸轉速分別由控制面板的進給倍率旋鈕與主軸倍率旋鈕控制，速度調(diào)節(jié)依賴操作人員經(jīng)驗，加工過程隨機、保守。文章針對機床利用效率低的問題，對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進。新改進的智能加工系統(tǒng)PLC模塊主要完成接收工控機發(fā)送的控制指令，并將系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)及指令發(fā)送至工控機，同時在線調(diào)整數(shù)控機床加工過程中進給倍率或主軸倍率，實現(xiàn)切削力的在線優(yōu)化。通過實驗驗證，該改造后的智能加工系統(tǒng)能夠快速、準確地在線調(diào)節(jié)進給速度及主軸轉速，使得機床在加工過程中切削力保持在設定的穩(wěn)態(tài)。

關鍵詞：SINUMERIK 802Dsl；PLC；智能加工；速度倍率調(diào)整

引言

SINUMERIK 802Dsl采用集成型PLC，將數(shù)控系統(tǒng)中的所有模塊（CNC，PLC和HMI）都集成在同一控制單元中[1]。數(shù)控系統(tǒng)中PLC模塊主要完成機床控制中與邏輯運算有關的動作，同時接收機床操作面板的指令。PLC模塊對機床動作沒有軌跡上的具體要求，加工過程中PLC也可將某些指令送往CNC用于加工過程的控制。

目前，數(shù)控機床加工過程中倍率控制由人工操作，加工效率與加工質(zhì)量主要依賴操作人員經(jīng)驗，因此加工過程隨機、保守，不能最大程度利用機床，也不能根據(jù)瞬時工況實時調(diào)整。文章針對上述問題，對SINUMERIK 802Dsl的PLC模塊進行改進，實現(xiàn)在加工過程中實時調(diào)整進給與轉速，最大效率地使用機床，避免資源浪費。

1 總體系統(tǒng)設計

為實現(xiàn)對機床最大程度的利用，針對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進，如圖1中虛線框所示。新改進的智能加工系統(tǒng)PLC模塊主要完成機床加工過程中進給倍率或主軸倍率的在線調(diào)整，接收工控機發(fā)送的控制指令，并將系統(tǒng)相關指令及數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機。

1.1 倍率在線控制原理

智能加工系統(tǒng)啟動后，工控機向PLC模塊發(fā)送獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號，PLC模塊接收信號后向工控機發(fā)送數(shù)控系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)信息（包括進給倍率、進給速度、主軸倍率及主軸轉速），同時監(jiān)測加工過程中的切削力。調(diào)節(jié)模塊根據(jù)監(jiān)測所得實際切削力與設定切削力對比分析計算倍率修正值，倍率修正值自工控機輸出，經(jīng)信號轉換板發(fā)送至PLC 模塊，PLC模塊啟動相應程序?qū)崟r在線控制切削參數(shù)，確保實際切削力保持在設定切削力值附近。信號轉換板完成工控機與數(shù)控系統(tǒng)之間的信號格式轉換。倍率在線控制原理如圖1所示。

SINUMERIK 802Dsl通過格雷碼控制進給倍率與主軸倍率，進給倍率對應的格雷碼為5位，其對應第一個PP72/48模塊（總線地址：9）輸入端口地址為I7.4、I7.5、I7.6、I7.7、I8.0，主軸倍率格雷碼為4位，其對應輸入端口地址為I7.0、I7.1、I7.2、I7.3[2]。倍率值與格雷碼的轉換關系如表1、表2所示。

表1 進給倍率值轉換表

表2 主軸倍率值轉換表

在線調(diào)整進給倍率或主軸倍率，其主要依據(jù)實際加工切削力的狀況。若實際切削力比設定切削力大，則減小倍率，反之，則增大倍率，若實際切削力與設定切削力大致相等，則保持倍率不變。表1、表2所列的進給倍率值及主軸倍率值為倍率修正值的可調(diào)整值，若計算的理論倍率修正值與上述值不相等，則采用近似原則從上表中選擇相應的倍率值。

1.2 主程序設計及參數(shù)定義

主程序接收由工控機發(fā)送的指令，包括選擇啟動系統(tǒng)（智能/原始系統(tǒng)）、設置修正進給倍率、設置修正主軸倍率、獲取名義進給、獲取當前進給倍率、獲取名義速度、獲取當前主軸倍率，指令及對應控制功能如表3所示。

表3 指令及對應控制功能

數(shù)控機床啟動后，工控機首先向PLC模塊發(fā)送指令A8，啟動智能加工系統(tǒng)，同時主程序啟動，此時控制面板進給倍率旋鈕及主軸倍率旋鈕對數(shù)控機床的控制作用失效。系統(tǒng)將控制面板對應的系統(tǒng)原有進給倍率值傳輸至NCK通道、坐標軸和主軸，避免啟動智能加工系統(tǒng)初期，工控機未向PLC模塊發(fā)送倍率值時出現(xiàn)的“控制面板接線故障”報警信息[3]。程序正常運行后，由IO接口輸入的二進制修正倍率格雷碼將會覆蓋原有系統(tǒng)倍率格雷碼，調(diào)整進給速度或主軸轉速。輸入A7指令，退出智能加工系統(tǒng)并啟動原始系統(tǒng)，恢復控制面板倍率旋鈕對機床的控制作用。當數(shù)控系統(tǒng)啟動后，若工控機未向PLC模塊發(fā)送啟動系統(tǒng)指令A7或A8，默認啟動原始系統(tǒng)。程序運行中出現(xiàn)異常情況時，送往通道的進給停止信號（V32000006.0）激活，系統(tǒng)急停以避免意外發(fā)生。在排除異常情況后，按復位鍵消除進給保持，系統(tǒng)繼續(xù)正常工作[4]。

802Dsl提供了一個512字節(jié)的公共存儲器（V49000000.0～V4900000512.7）用于NC和PLC交換數(shù)據(jù)，加工程序中可以利用系統(tǒng)變量對該存儲器進行讀寫[5]。文章利用公共存儲器中未被系統(tǒng)使用的地址進行NC與PLC的數(shù)據(jù)交換，具體使用的地址定義如表4所示。

表4 NC-PLC公共存儲器使用地址定義

1.3 指令/數(shù)據(jù)傳輸

擴展的第二個PP72/48模塊[1]（總線地址：8）中，程序使用的數(shù)據(jù)輸入及輸出端口地址定義如表5所示。

表5 第二個 PP72/48模塊

指令及數(shù)據(jù)輸入由端口IB9輸入，輸出由端口QB6輸出，發(fā)送順序為先發(fā)送指令，系統(tǒng)接收完成后再發(fā)送該指令對應的數(shù)據(jù)。工控機及PLC模塊在檢測接收方處于空閑狀態(tài)時發(fā)送指令或數(shù)據(jù)，否則排隊等待。

2 子系統(tǒng)設計

改進PLC模塊中包含六個子程序，分別實現(xiàn)表3所示A1～A6六個指令的相應功能。主程序啟動后，工控機根據(jù)加工狀況向PLC模塊發(fā)送指令，PLC模塊接收指令后調(diào)用相應子程序?qū)崿F(xiàn)對應功能[8]。

2.1 進給倍率控制子程序（Feedrate Override Control）

根據(jù)系統(tǒng)采集的實際切削力與設定的切削力比較分析，由工控機倍率模塊計算得出進給倍率修正最優(yōu)值。在工控機發(fā)送設置修正進給倍率指令（A1）之前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC模塊發(fā)送進給倍率控制指令IB9=A1，PLC模塊接收指令完畢后令相應標志位Q7.4=1，當工控機檢測到Q7.4置位后，向PLC發(fā)送進給倍率格雷碼，VB49000032存儲由IB9輸入的進給倍率格雷碼，PLC將接收的進給倍率格雷碼送至各坐標軸及主軸，從而控制數(shù)控加工的進給倍率，達到加工過程中自動控制進給倍率的目的。

2.2 主軸倍率控制子程序（Spindle Override Control）

工控機倍率模塊計算得出主軸倍率修正最優(yōu)值后，由工控機向PLC模塊發(fā)送主軸倍率信息。主軸倍率控制子程序與進給倍率控制子程序的數(shù)據(jù)傳輸方式相同，不同之處在于設置修正主軸倍率指令為A2，工控機向PLC模塊發(fā)送的進給倍率格雷碼存放于公共存儲器地址VB49000033。一般地，加工過程中調(diào)節(jié)主軸轉速，工件表面質(zhì)量無法保證，同時刀具會產(chǎn)生沖擊，從而出現(xiàn)不可預知的損壞。因此，實際加工過程中尤其在精加工時，不采用調(diào)節(jié)主軸轉速的方法控制切削力。

2.3 獲取名義進給速度子程序（Acquire Feed Rate）

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，PLC模塊需獲得NC代碼中的名義進給速度[6]。將F值存入公共存儲器。如NC代碼中進給速度為F500時，在此語句后寫入語句$A_DBW[34]=500，此時F值被存入公共數(shù)據(jù)區(qū)VW49000034中，PLC可直接從VW49000034獲取當前NC代碼設置的進給速度。在工控機發(fā)送獲取名義進給速度指令（A3）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC模塊發(fā)送指令IB9=A3，PLC模塊接收指令完畢后令相應標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A3，告知其即將傳輸進給速度，工控機接收發(fā)送指令A3后，其讀取數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位后，即可向工控機發(fā)送進給速度。由于進給速度為16位數(shù)據(jù)，而PLC輸出接口QB6只能輸出8位，因此將數(shù)據(jù)分低8位和高8位分別傳輸，工控機接受高低位數(shù)據(jù)后還原并保存進給速度。

2.4 獲取當前進給倍率格雷碼子程序（Acquire Current Spindle Override Gray Code）

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，工控機根據(jù)需要獲取數(shù)控機床加工當前進給倍率值，此時需向PLC系統(tǒng)發(fā)送請求指令。在工控機發(fā)送獲取當前進給倍率指令（A4）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC系統(tǒng)發(fā)送指令IB9=A4，PLC系統(tǒng)接收指令完畢后相應標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A4，告知其即將傳輸進給倍率格雷碼，工控機接收發(fā)送指令A4后，工控機讀數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位，由送至NCK通道信號地址VB32000004獲取當前進給倍率格雷碼，最后由輸出端口QB6向工控機發(fā)送，工控機接收并存儲。

2.5 獲取名義轉速子程序（Acquire Spindle Rate）

智能系統(tǒng)加工過程中， PLC模塊需獲得NC代碼中的名義主軸轉速。獲取名義轉速與獲取名義進給速度方法相似。其不同之處在于獲取名義轉速指令為A5，公共存儲器中存放名義轉速的地址為VW49000036，即NC代碼中系統(tǒng)變量語句為$A_DBW。

2.6 獲取當前主軸倍率格雷碼子程序（Acquire Current Feedrate Override Gray Code）

智能系統(tǒng)加工過程中， PLC模塊根據(jù)需要獲取機床加工當前主軸倍率。獲取當前主軸倍率與獲取當前進給倍率方法相同，不同之處在于獲取當前主軸倍率指令為A6，當前主軸倍率格雷碼由送至主軸信號地址VB38032003獲取。

3 實驗驗證

為驗證改進智能加工系統(tǒng)的可靠性及準確性，制定如下實驗方案進行驗證。因調(diào)節(jié)主軸轉速影響工件質(zhì)量及刀具壽命，本實驗驗證切寬改變時，通過進給速度的調(diào)節(jié)控制切削力在設定切削力值附近。實驗儀器為：YHVT850Z四坐標數(shù)控加工實驗平臺、Kistler三向測力儀、電荷放大器及工控機，如圖2所示。

（c） 電荷放大器 （d） 工控機

圖2 實驗條件

加工工件為6061-Tb51鋁合金，刀具為硬質(zhì)合金刀具，直徑為φ20mm，齒數(shù)為3齒，螺旋角30°，加工方式為端銑，無切削液。初始切削寬度為0mm，隨著切削時間的增加，切寬線性增加，直到切寬為20mm時切出。初始切削速度恒為1000mm/min，進給倍率40%，主軸轉速2500r/min，主軸倍率為100%。當利用智能加工系統(tǒng)進行切削力控制時，設定最大進給倍率120%，通過控制進給倍率將最大切削力控制在500N附近。通過實際加工得到如圖3所示實驗數(shù)據(jù)。

由上述實驗對比結果圖3可以看出，改進的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊在變切寬的加工過程中，能夠快速、準確地在線調(diào)節(jié)進給速度，將最大切削力F控制在設定切削力500N附近。

4 結束語

文章對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進，以實現(xiàn)對機床的最大程度利用。經(jīng)實驗驗證，在數(shù)控加工過程中，該智能加工系統(tǒng)能夠接收外部工控機發(fā)送的進給倍率修正值及主軸倍率修正值，實現(xiàn)根據(jù)切削力在線調(diào)整進給速度及主軸轉速，使得機床在加工過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時，外部工控機可通過PLC模塊獲取數(shù)控系統(tǒng)名義進給速度、名義轉速、當前進給倍率及當前主軸倍率。

改造后的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊仍然采用倍率格雷碼調(diào)節(jié)數(shù)控機床的進給速度及主軸轉速，控制過程穩(wěn)定可靠。相比于原始系統(tǒng)，改進系統(tǒng)在加工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)進給速度及主軸轉速的自動控制，加工過程理性規(guī)范，不再依賴于加工人員經(jīng)驗，對提高加工效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大意義。

參考文獻

[1]SINUMERIC 802DSL簡明調(diào)試手冊[Z].西門子（中國）有限公司，2008，1.

[2]賴思琦，黃恒.基于PLC的FANUC系統(tǒng)速度倍率控制研究[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：56-58.

[3]陳興武，蔣新華，徐均攀.應用軟PLC開發(fā)數(shù)控機床的功能控制[J].廈門大學學報（自然科學版），2009，44（5）：654-657.

[4]許振偉，駱再飛，蔣靜坪.PLC在數(shù)控銑床電氣控制中的應用[J].機床與液壓，2002，6：185-186

[5]冉雪蓮.基于802DSL數(shù)控系統(tǒng)斗笠式刀庫自動換刀程序設計[J].制造技術與機床，2012，3：144-147

[6]李紀三，舒朝君，劉永，等.PLC在數(shù)控機床功能控制中的應用[J].機床電器，2008，2：12-14.

2.1 進給倍率控制子程序（Feedrate Override Control）

根據(jù)系統(tǒng)采集的實際切削力與設定的切削力比較分析，由工控機倍率模塊計算得出進給倍率修正最優(yōu)值。在工控機發(fā)送設置修正進給倍率指令（A1）之前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC模塊發(fā)送進給倍率控制指令IB9=A1，PLC模塊接收指令完畢后令相應標志位Q7.4=1，當工控機檢測到Q7.4置位后，向PLC發(fā)送進給倍率格雷碼，VB49000032存儲由IB9輸入的進給倍率格雷碼，PLC將接收的進給倍率格雷碼送至各坐標軸及主軸，從而控制數(shù)控加工的進給倍率，達到加工過程中自動控制進給倍率的目的。

2.2 主軸倍率控制子程序（Spindle Override Control）

工控機倍率模塊計算得出主軸倍率修正最優(yōu)值后，由工控機向PLC模塊發(fā)送主軸倍率信息。主軸倍率控制子程序與進給倍率控制子程序的數(shù)據(jù)傳輸方式相同，不同之處在于設置修正主軸倍率指令為A2，工控機向PLC模塊發(fā)送的進給倍率格雷碼存放于公共存儲器地址VB49000033。一般地，加工過程中調(diào)節(jié)主軸轉速，工件表面質(zhì)量無法保證，同時刀具會產(chǎn)生沖擊，從而出現(xiàn)不可預知的損壞。因此，實際加工過程中尤其在精加工時，不采用調(diào)節(jié)主軸轉速的方法控制切削力。

2.3 獲取名義進給速度子程序（Acquire Feed Rate）

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，PLC模塊需獲得NC代碼中的名義進給速度[6]。將F值存入公共存儲器。如NC代碼中進給速度為F500時，在此語句后寫入語句$A_DBW[34]=500，此時F值被存入公共數(shù)據(jù)區(qū)VW49000034中，PLC可直接從VW49000034獲取當前NC代碼設置的進給速度。在工控機發(fā)送獲取名義進給速度指令（A3）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC模塊發(fā)送指令IB9=A3，PLC模塊接收指令完畢后令相應標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A3，告知其即將傳輸進給速度，工控機接收發(fā)送指令A3后，其讀取數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位后，即可向工控機發(fā)送進給速度。由于進給速度為16位數(shù)據(jù)，而PLC輸出接口QB6只能輸出8位，因此將數(shù)據(jù)分低8位和高8位分別傳輸，工控機接受高低位數(shù)據(jù)后還原并保存進給速度。

2.4 獲取當前進給倍率格雷碼子程序（Acquire Current Spindle Override Gray Code）

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，工控機根據(jù)需要獲取數(shù)控機床加工當前進給倍率值，此時需向PLC系統(tǒng)發(fā)送請求指令。在工控機發(fā)送獲取當前進給倍率指令（A4）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC系統(tǒng)發(fā)送指令IB9=A4，PLC系統(tǒng)接收指令完畢后相應標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A4，告知其即將傳輸進給倍率格雷碼，工控機接收發(fā)送指令A4后，工控機讀數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位，由送至NCK通道信號地址VB32000004獲取當前進給倍率格雷碼，最后由輸出端口QB6向工控機發(fā)送，工控機接收并存儲。

2.5 獲取名義轉速子程序（Acquire Spindle Rate）

智能系統(tǒng)加工過程中， PLC模塊需獲得NC代碼中的名義主軸轉速。獲取名義轉速與獲取名義進給速度方法相似。其不同之處在于獲取名義轉速指令為A5，公共存儲器中存放名義轉速的地址為VW49000036，即NC代碼中系統(tǒng)變量語句為$A_DBW。

2.6 獲取當前主軸倍率格雷碼子程序（Acquire Current Feedrate Override Gray Code）

智能系統(tǒng)加工過程中， PLC模塊根據(jù)需要獲取機床加工當前主軸倍率。獲取當前主軸倍率與獲取當前進給倍率方法相同，不同之處在于獲取當前主軸倍率指令為A6，當前主軸倍率格雷碼由送至主軸信號地址VB38032003獲取。

3 實驗驗證

為驗證改進智能加工系統(tǒng)的可靠性及準確性，制定如下實驗方案進行驗證。因調(diào)節(jié)主軸轉速影響工件質(zhì)量及刀具壽命，本實驗驗證切寬改變時，通過進給速度的調(diào)節(jié)控制切削力在設定切削力值附近。實驗儀器為：YHVT850Z四坐標數(shù)控加工實驗平臺、Kistler三向測力儀、電荷放大器及工控機，如圖2所示。

（c） 電荷放大器 （d） 工控機

圖2 實驗條件

加工工件為6061-Tb51鋁合金，刀具為硬質(zhì)合金刀具，直徑為φ20mm，齒數(shù)為3齒，螺旋角30°，加工方式為端銑，無切削液。初始切削寬度為0mm，隨著切削時間的增加，切寬線性增加，直到切寬為20mm時切出。初始切削速度恒為1000mm/min，進給倍率40%，主軸轉速2500r/min，主軸倍率為100%。當利用智能加工系統(tǒng)進行切削力控制時，設定最大進給倍率120%，通過控制進給倍率將最大切削力控制在500N附近。通過實際加工得到如圖3所示實驗數(shù)據(jù)。

由上述實驗對比結果圖3可以看出，改進的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊在變切寬的加工過程中，能夠快速、準確地在線調(diào)節(jié)進給速度，將最大切削力F控制在設定切削力500N附近。

4 結束語

文章對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進，以實現(xiàn)對機床的最大程度利用。經(jīng)實驗驗證，在數(shù)控加工過程中，該智能加工系統(tǒng)能夠接收外部工控機發(fā)送的進給倍率修正值及主軸倍率修正值，實現(xiàn)根據(jù)切削力在線調(diào)整進給速度及主軸轉速，使得機床在加工過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時，外部工控機可通過PLC模塊獲取數(shù)控系統(tǒng)名義進給速度、名義轉速、當前進給倍率及當前主軸倍率。

改造后的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊仍然采用倍率格雷碼調(diào)節(jié)數(shù)控機床的進給速度及主軸轉速，控制過程穩(wěn)定可靠。相比于原始系統(tǒng)，改進系統(tǒng)在加工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)進給速度及主軸轉速的自動控制，加工過程理性規(guī)范，不再依賴于加工人員經(jīng)驗，對提高加工效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大意義。

參考文獻

[1]SINUMERIC 802DSL簡明調(diào)試手冊[Z].西門子（中國）有限公司，2008，1.

[2]賴思琦，黃恒.基于PLC的FANUC系統(tǒng)速度倍率控制研究[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：56-58.

[3]陳興武，蔣新華，徐均攀.應用軟PLC開發(fā)數(shù)控機床的功能控制[J].廈門大學學報（自然科學版），2009，44（5）：654-657.

[4]許振偉，駱再飛，蔣靜坪.PLC在數(shù)控銑床電氣控制中的應用[J].機床與液壓，2002，6：185-186

[5]冉雪蓮.基于802DSL數(shù)控系統(tǒng)斗笠式刀庫自動換刀程序設計[J].制造技術與機床，2012，3：144-147

[6]李紀三，舒朝君，劉永，等.PLC在數(shù)控機床功能控制中的應用[J].機床電器，2008，2：12-14.

2.1 進給倍率控制子程序（Feedrate Override Control）

根據(jù)系統(tǒng)采集的實際切削力與設定的切削力比較分析，由工控機倍率模塊計算得出進給倍率修正最優(yōu)值。在工控機發(fā)送設置修正進給倍率指令（A1）之前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC模塊發(fā)送進給倍率控制指令IB9=A1，PLC模塊接收指令完畢后令相應標志位Q7.4=1，當工控機檢測到Q7.4置位后，向PLC發(fā)送進給倍率格雷碼，VB49000032存儲由IB9輸入的進給倍率格雷碼，PLC將接收的進給倍率格雷碼送至各坐標軸及主軸，從而控制數(shù)控加工的進給倍率，達到加工過程中自動控制進給倍率的目的。

2.2 主軸倍率控制子程序（Spindle Override Control）

工控機倍率模塊計算得出主軸倍率修正最優(yōu)值后，由工控機向PLC模塊發(fā)送主軸倍率信息。主軸倍率控制子程序與進給倍率控制子程序的數(shù)據(jù)傳輸方式相同，不同之處在于設置修正主軸倍率指令為A2，工控機向PLC模塊發(fā)送的進給倍率格雷碼存放于公共存儲器地址VB49000033。一般地，加工過程中調(diào)節(jié)主軸轉速，工件表面質(zhì)量無法保證，同時刀具會產(chǎn)生沖擊，從而出現(xiàn)不可預知的損壞。因此，實際加工過程中尤其在精加工時，不采用調(diào)節(jié)主軸轉速的方法控制切削力。

2.3 獲取名義進給速度子程序（Acquire Feed Rate）

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，PLC模塊需獲得NC代碼中的名義進給速度[6]。將F值存入公共存儲器。如NC代碼中進給速度為F500時，在此語句后寫入語句$A_DBW[34]=500，此時F值被存入公共數(shù)據(jù)區(qū)VW49000034中，PLC可直接從VW49000034獲取當前NC代碼設置的進給速度。在工控機發(fā)送獲取名義進給速度指令（A3）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC模塊發(fā)送指令IB9=A3，PLC模塊接收指令完畢后令相應標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A3，告知其即將傳輸進給速度，工控機接收發(fā)送指令A3后，其讀取數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位后，即可向工控機發(fā)送進給速度。由于進給速度為16位數(shù)據(jù)，而PLC輸出接口QB6只能輸出8位，因此將數(shù)據(jù)分低8位和高8位分別傳輸，工控機接受高低位數(shù)據(jù)后還原并保存進給速度。

2.4 獲取當前進給倍率格雷碼子程序（Acquire Current Spindle Override Gray Code）

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，工控機根據(jù)需要獲取數(shù)控機床加工當前進給倍率值，此時需向PLC系統(tǒng)發(fā)送請求指令。在工控機發(fā)送獲取當前進給倍率指令（A4）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC系統(tǒng)發(fā)送指令IB9=A4，PLC系統(tǒng)接收指令完畢后相應標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A4，告知其即將傳輸進給倍率格雷碼，工控機接收發(fā)送指令A4后，工控機讀數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位，由送至NCK通道信號地址VB32000004獲取當前進給倍率格雷碼，最后由輸出端口QB6向工控機發(fā)送，工控機接收并存儲。

2.5 獲取名義轉速子程序（Acquire Spindle Rate）

智能系統(tǒng)加工過程中， PLC模塊需獲得NC代碼中的名義主軸轉速。獲取名義轉速與獲取名義進給速度方法相似。其不同之處在于獲取名義轉速指令為A5，公共存儲器中存放名義轉速的地址為VW49000036，即NC代碼中系統(tǒng)變量語句為$A_DBW。

2.6 獲取當前主軸倍率格雷碼子程序（Acquire Current Feedrate Override Gray Code）

智能系統(tǒng)加工過程中， PLC模塊根據(jù)需要獲取機床加工當前主軸倍率。獲取當前主軸倍率與獲取當前進給倍率方法相同，不同之處在于獲取當前主軸倍率指令為A6，當前主軸倍率格雷碼由送至主軸信號地址VB38032003獲取。

3 實驗驗證

為驗證改進智能加工系統(tǒng)的可靠性及準確性，制定如下實驗方案進行驗證。因調(diào)節(jié)主軸轉速影響工件質(zhì)量及刀具壽命，本實驗驗證切寬改變時，通過進給速度的調(diào)節(jié)控制切削力在設定切削力值附近。實驗儀器為：YHVT850Z四坐標數(shù)控加工實驗平臺、Kistler三向測力儀、電荷放大器及工控機，如圖2所示。

（c） 電荷放大器 （d） 工控機

圖2 實驗條件

加工工件為6061-Tb51鋁合金，刀具為硬質(zhì)合金刀具，直徑為φ20mm，齒數(shù)為3齒，螺旋角30°，加工方式為端銑，無切削液。初始切削寬度為0mm，隨著切削時間的增加，切寬線性增加，直到切寬為20mm時切出。初始切削速度恒為1000mm/min，進給倍率40%，主軸轉速2500r/min，主軸倍率為100%。當利用智能加工系統(tǒng)進行切削力控制時，設定最大進給倍率120%，通過控制進給倍率將最大切削力控制在500N附近。通過實際加工得到如圖3所示實驗數(shù)據(jù)。

由上述實驗對比結果圖3可以看出，改進的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊在變切寬的加工過程中，能夠快速、準確地在線調(diào)節(jié)進給速度，將最大切削力F控制在設定切削力500N附近。

4 結束語

文章對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進，以實現(xiàn)對機床的最大程度利用。經(jīng)實驗驗證，在數(shù)控加工過程中，該智能加工系統(tǒng)能夠接收外部工控機發(fā)送的進給倍率修正值及主軸倍率修正值，實現(xiàn)根據(jù)切削力在線調(diào)整進給速度及主軸轉速，使得機床在加工過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時，外部工控機可通過PLC模塊獲取數(shù)控系統(tǒng)名義進給速度、名義轉速、當前進給倍率及當前主軸倍率。

改造后的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊仍然采用倍率格雷碼調(diào)節(jié)數(shù)控機床的進給速度及主軸轉速，控制過程穩(wěn)定可靠。相比于原始系統(tǒng)，改進系統(tǒng)在加工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)進給速度及主軸轉速的自動控制，加工過程理性規(guī)范，不再依賴于加工人員經(jīng)驗，對提高加工效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大意義。

參考文獻

[1]SINUMERIC 802DSL簡明調(diào)試手冊[Z].西門子（中國）有限公司，2008，1.

[2]賴思琦，黃恒.基于PLC的FANUC系統(tǒng)速度倍率控制研究[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：56-58.

[3]陳興武，蔣新華，徐均攀.應用軟PLC開發(fā)數(shù)控機床的功能控制[J].廈門大學學報（自然科學版），2009，44（5）：654-657.

[4]許振偉，駱再飛，蔣靜坪.PLC在數(shù)控銑床電氣控制中的應用[J].機床與液壓，2002，6：185-186

[5]冉雪蓮.基于802DSL數(shù)控系統(tǒng)斗笠式刀庫自動換刀程序設計[J].制造技術與機床，2012，3：144-147

[6]李紀三，舒朝君，劉永，等.PLC在數(shù)控機床功能控制中的應用[J].機床電器，2008，2：12-14.