基于840Dsl數(shù)控機(jī)床刀具刃磨二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

沈翠鳳，朱學(xué)來，崔海斌

(1.鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇高精機(jī)電裝備有限公司，江蘇 鹽城 224053)

基于840Dsl數(shù)控機(jī)床刀具刃磨二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

沈翠鳳1，朱學(xué)來1，崔海斌2

(1.鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇高精機(jī)電裝備有限公司，江蘇 鹽城 224053)

目前，數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床大部分采用國外進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格昂貴，并且加工算法固定不變不能根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活調(diào)整，而國內(nèi)的加工設(shè)備采用工控機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的方式，不能實(shí)時圖形化監(jiān)控加工狀態(tài)。針對存在的這種問題，文章提出在西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)提供的服務(wù)接口中開發(fā)實(shí)現(xiàn)HMI二次系統(tǒng)，將刀具刃磨加工模型算法嵌入到二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以滿足客戶對加工算法靈活度以及加工前圖形模擬設(shè)計(jì)的要求，同時通過人機(jī)交互實(shí)時觀察控制數(shù)控機(jī)床刀具刃磨的加工過程。二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)在實(shí)際使用中，驗(yàn)證了該二次系統(tǒng)的靈活性，實(shí)用性和易操作性。

機(jī)床刀具刃磨;圖形監(jiān)控;840Dsl;HMI二次系統(tǒng)

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)機(jī)床刀具生產(chǎn)行業(yè)中，數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床的使用越來越廣泛。而數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床主要采購的是國外設(shè)備，設(shè)備的可操作性高，可實(shí)時圖形化監(jiān)控設(shè)備加工狀態(tài)，但是設(shè)備的價(jià)格高昂，維護(hù)費(fèi)用高，設(shè)備的加工算法不能及時按照生產(chǎn)實(shí)際情況快速優(yōu)化和提高。國內(nèi)的數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床采用通訊方式連接上位工控機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)，上位機(jī)上編寫加工界面，但是不能實(shí)時圖形化監(jiān)控設(shè)備加工狀態(tài)，操作性較低。針對于此種情況，本文提出在西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)提供的二次系統(tǒng)開發(fā)工具上，采用Visual C++和Qt GUI圖形設(shè)計(jì)軟件工具開發(fā)專用數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床用二次系統(tǒng)，將機(jī)床刀具刃磨算法實(shí)現(xiàn)參數(shù)化編程，給予客戶后續(xù)加工調(diào)整的豐富的靈活性，并實(shí)現(xiàn)圖形模擬刀具算法計(jì)算調(diào)整后的刀具刃磨圖形顯示，實(shí)現(xiàn)操作機(jī)床操作人員與刀具設(shè)計(jì)人員之間交互可見連接，并利用Qt可視編程中的信號槽機(jī)制建立了靈活的人機(jī)交互響應(yīng)程序，實(shí)現(xiàn)了二次系統(tǒng)對機(jī)床刀具加工過程的實(shí)時控制及后續(xù)的處理功能，極大地提高了數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床的靈活性，實(shí)用性和易操作性。

1 HMI二次系統(tǒng)的基本原理

內(nèi)部HMI與NCK、PLC和驅(qū)動器之間的通訊是通過軟總線實(shí)現(xiàn)的，外部接入的HMI通過通訊處理器(CP)來訪問系統(tǒng)內(nèi)的NCK、PLC和驅(qū)動器。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

SINUMERIK Operate具有一種以組件為導(dǎo)向的架構(gòu)。組件可以分為兩大類[1]：GUI組件和HMI服務(wù)。其中，GUI組件是圖形化的用戶界面，是SINUMERIK Operate 中用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶即時互動的組件(HMI-GUI)。GUI組件和HMI服務(wù)可以靈活組合，構(gòu)建用戶需要的HMI二次系統(tǒng)。GUI組件及其需要使用的HMI服務(wù)要根據(jù)所需的HMI功能進(jìn)行配置。對HMI服務(wù)的訪問都是通過一個接口實(shí)現(xiàn)的，而且始終是同一個接口。

圖1 西門子HMI二次系統(tǒng)原理示意圖

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)針對operator的二次系統(tǒng)開發(fā)，提供了Operator HMI Programming Package編程軟件包方式適合開發(fā)復(fù)雜的二次用戶界面系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床的二次系統(tǒng)需要考慮嵌入刀具加工計(jì)算程序設(shè)計(jì)，當(dāng)前采用此種方式，使用Visual C++ 和Qt GUI圖形設(shè)計(jì)軟件編寫的應(yīng)用程序嵌入到HMI Operator中，并可通過提供的接口實(shí)現(xiàn)訪問NC/PLC變量、NC數(shù)據(jù)管理、算法的計(jì)算、輸出加工數(shù)據(jù)等諸多功能，同時為了便于系統(tǒng)的簡易操作，將NC加工程序的編程工作嵌入到HMI二次系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶真正的加工參數(shù)輸入，系統(tǒng)自動編程和自動加工。

2 數(shù)控機(jī)床刀具刃磨二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)控機(jī)床刀具刃磨硬件系統(tǒng)組成

數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床控制系統(tǒng)基于西門子840Dsl[2]數(shù)控系統(tǒng)，以NCU710數(shù)控單元作為整個系統(tǒng)的控制核心。系統(tǒng)配置獨(dú)立的智能可回饋電SLM電源模塊，主軸功率驅(qū)動模塊，雙軸進(jìn)給功率驅(qū)動模塊，人機(jī)界面用PCU單元和MCP操作面板，分布式遠(yuǎn)程IO模塊，旋轉(zhuǎn)測量模塊以及氣閥集中控制模塊，其中二次系統(tǒng)開發(fā)是在PCU單元中完成。整個控制系統(tǒng)分成3層網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

(1)DriveCLiQ：連接系統(tǒng)與S120電源模塊以及軸功率驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)的連接；

(2)Ethernet：連接系統(tǒng)與人機(jī)界面用PCU單元和MCP操作面板模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和監(jiān)控信息的人機(jī)交互；

(3)Profibus-DP：連接遠(yuǎn)程IO輸入輸出模塊，直線測量模塊以及氣閥集成模塊；

系統(tǒng)的邏輯控制功能，諸如液壓系統(tǒng)控制、氣動系統(tǒng)控制、排屑等輔助設(shè)備由系統(tǒng)內(nèi)部的PLC-317-2DP[3-4]可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)。

機(jī)床的整個加工都是在PCU單元中的二次人機(jī)操作系統(tǒng)中操作完成，設(shè)置當(dāng)前機(jī)床的使用參數(shù)，包含當(dāng)前機(jī)床刀具的參數(shù)，加工參數(shù)，計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，模擬界面等，機(jī)床按照設(shè)置的參數(shù)對工件進(jìn)行加工。

圖2 機(jī)床控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)控機(jī)床刀具刃磨軟件模塊設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床對于用戶HMI二次系統(tǒng)的要求較高，需要將機(jī)床刀具磨削加工的參數(shù)全部可以讀取并保存為指定文件名的文件，特別對于機(jī)床刀具磨削的核心部分砂輪的端部磨削輪廓的參數(shù)設(shè)置和輪廓曲線的計(jì)算全部放置在HMI二次系統(tǒng)中，并且能夠在系統(tǒng)中實(shí)時的監(jiān)控砂輪當(dāng)前計(jì)算得出的外部尺寸數(shù)據(jù)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中采用Operator HMI Programming Package方式開發(fā)數(shù)控機(jī)床刀具刃磨二次系統(tǒng)。按照數(shù)控機(jī)床刀具刃磨算法設(shè)計(jì)和要求，將整個刃磨軟件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以提高軟件系統(tǒng)的靈活性和后續(xù)的可擴(kuò)展性，其系統(tǒng)的GUI圖形設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

圖3 二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架示意圖

在數(shù)控機(jī)床刀具刃磨二次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上[5]，使用了系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，報(bào)警服務(wù)接口，文件服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)了HMI二次系統(tǒng)讀寫數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的GUD用戶全局變量數(shù)據(jù)，加工工件的參數(shù)設(shè)置及加工參數(shù)設(shè)置的文件讀寫和保存，以及系統(tǒng)內(nèi)部故障信息的讀取。其處理如圖4所示。HMI二次系統(tǒng)通過用戶設(shè)置的加工模式，加工參數(shù)和機(jī)床刀具參數(shù)，結(jié)合刀具刃磨算法模型計(jì)算出最終的刃磨數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)自動編寫機(jī)床NC加工程序，實(shí)現(xiàn)HMI系統(tǒng)的底層處理的封閉性，極大提高機(jī)床使用的簡易性和機(jī)床運(yùn)行的安全性。

圖4 數(shù)控機(jī)床刀具刃磨HMI二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

HMI服務(wù)是通過信號和槽的響應(yīng)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)參數(shù)的讀寫，砂輪輪廓數(shù)據(jù)的計(jì)算，以及系統(tǒng)報(bào)警信號的顯示。利用Sinumerik Operate_QT[6]開發(fā)工具中提供的服務(wù)函數(shù)接口connect連接定義的動作信號和對動作信號響應(yīng)的執(zhí)行功能。在軟件的設(shè)計(jì)中，需要考慮軟件的運(yùn)行效率和資源分配，在利用信號和槽響應(yīng)機(jī)制中，使用Hotlink功能可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)變換，但是會大量占用系統(tǒng)運(yùn)行資源，因此在設(shè)計(jì)中需要對信號和槽響應(yīng)的設(shè)計(jì)中實(shí)時調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

圖5 數(shù)控機(jī)床刀具刃磨控制軟件參數(shù)界面

整個控制系統(tǒng)的信號槽響應(yīng)機(jī)制都是建立在對用戶目標(biāo)的了解上做出合理的響應(yīng)，對于算法中的參數(shù)的修改對刀具加工的影響將參數(shù)分為：立即響應(yīng)型，刀具刃磨周期響應(yīng)型，和重新刃磨響應(yīng)型三種類型，具體參數(shù)設(shè)置如圖5所示[7]。對應(yīng)的參數(shù)的算法計(jì)算必須是人工信號響應(yīng)型，并且系統(tǒng)給出修改合理性判別提示和執(zhí)行情況，極大的提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和高效性。

3 結(jié)束語

針對當(dāng)前國內(nèi)數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床的采用通訊方式連接上位工控機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)，上位機(jī)上編寫加工界面，設(shè)備不能實(shí)時圖形化監(jiān)控設(shè)備加工狀態(tài)，加工算法靈活度和操作性較低，提出了基于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)采用Visual C++ 和Qt GUI設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床刀具刃磨機(jī)床的HMI二次系統(tǒng)，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，將刀具刃磨算法模塊式嵌入到機(jī)床人機(jī)交互系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床刀具刃磨的參數(shù)化自動化編程，并可實(shí)現(xiàn)加工前的刀具結(jié)果圖形效果模擬，極大的提高了刀具刃磨的算法靈活度，并實(shí)現(xiàn)機(jī)床操作人員和刀具設(shè)計(jì)人員之間的交互連接，很好的提高了刀具刃磨機(jī)床的靈活性，實(shí)用性和易操作性。目前，該系統(tǒng)已在相關(guān)企業(yè)實(shí)際投入使用，客戶反映較好。

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(編輯 李秀敏)

Design and Realization of the Machine Tool Dressing HMI Based on 840Dsl

SHEN Cui-feng1， ZHU Xue-lai1， CUI Hai-bin2

(1.School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology ,Yancheng Jiangsu 224051,China；2.Jiangsu Gaojing Mechanical&Electrical Equipment Co.Ltd, Yancheng Jiangsu 224053,China)

At present, the imported CNC broach dressing machines is mostly expensive, and processing algorithm is fixed and can not be optimized according to customer requirements. And the domestic equipment that connect CNC systems and industry PC with communication wire, can not realize graphical monitoring processing status. In response to this problem, this paper presents a method for developing HMI of Siemens 840Dsl CNC system,in which the tool dressing calculation model is embedded.The machine tool dressing HMI is very practical,flexible and easy to operate.

machine tool dressing;graphical monitoring;840Dsl; developing HMI

1001-2265(2017)01-0092-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.025

2016-06-02

沈翠鳳(1969—)，女，江蘇鹽城人，鹽城工學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡姎饪刂萍捌渥詣踊?E-mail) 1751740675@qq.com。

TH16；TG65

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