西門子840D SL在五面體龍門加工中心上的應(yīng)用

摘要：西門子數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D SL具有強(qiáng)大的控制性能，廣泛適用于功能復(fù)雜的大型龍門數(shù)控機(jī)床。本文結(jié)合我公司生產(chǎn)的GMC2230五面體龍門加工中心，對五軸頭控制部分進(jìn)行介紹。重點(diǎn)描述了單伺服電機(jī)進(jìn)行主軸（SP）、A軸及C軸的控制設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)置及功能調(diào)試。

Abstract： Siemens CNC system SINUMERIK 840D SL has powerful control performance and is widely used in large-scale gantry CNC machine tools with complex functions.This article combines the GMC2230 pentahedral gantry machining center produced by our company to introduce the five-axis head control part. It focuses on the control design，parameter setting and function debugging of the spindle （SP）， A-axis and C-axis with a single servo motor.

關(guān)鍵詞：五面體龍門加工中心;SINUMERIK 840D SL;CYCLE800;Setpoint Exchange;HEAD_A;HEAD_C

Key words： five-sided gantry machining center;SINUMERIK 840D SL;CYCLE800;Setpoint Exchange;HEAD_A;HEAD_C

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0052-04

0 ?引言

目前，隨著零件加工需求的不斷提升，五面體龍門加工中心的需求不斷增加，就針對五面體的加工而言，不需要進(jìn)行五軸的插補(bǔ)加工，只需要在設(shè)計(jì)中將坐標(biāo)系隨著五軸頭進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換，本次設(shè)計(jì)選用了西門子SINUMERIK 840D SL數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)合了其強(qiáng)大的系統(tǒng)控制功能和精密的伺服控制，使用基于Step7-300的PLC邏輯控制器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，完美的實(shí)現(xiàn)了以上功能。

1 ?設(shè)計(jì)方案制定

由于箱體、復(fù)雜形面等大型零件都具有一次裝夾，對多種孔系及各種斜面進(jìn)行五面加工的特征，因此對機(jī)床的切削性能及系統(tǒng)功能要求很高，對主軸來說就要求具有大扭矩和多工藝性的性能，本機(jī)床的設(shè)計(jì)采用了ZF齒輪減速箱，及FM58系列強(qiáng)力萬向五軸頭，該設(shè)計(jì)涉及了機(jī)械、電氣、液壓等大量的工作，并且集成化程度都很高。

1.1 系統(tǒng)方案確定

1.1.1 機(jī)床硬件配置

機(jī)床型號：GMC2230五面體龍門加工中心

五軸頭：FM58系列強(qiáng)力萬向五軸頭

主軸齒輪箱：ZF兩檔減速機(jī)

主軸最高轉(zhuǎn)速：低檔50-3000rpm，高檔50-6000rpm

主軸功率：30kW

數(shù)控系統(tǒng)：SINUMERIK 840D SL

系統(tǒng)面板：MCP 483

伺服驅(qū)動：SINAMICS SL120

X軸電機(jī)：1FT6134

Y/Z軸電機(jī)：1FK7105

主軸電機(jī)：1PH8163

1.1.2 主機(jī)結(jié)構(gòu)

①機(jī)床具有三個(gè)直線進(jìn)給軸（X/Y/Z）、五面體強(qiáng)力銑削主軸、主軸電機(jī)通過1：1和1：4雙速減速機(jī)與五面體銑削主軸聯(lián)結(jié)。C軸控制范圍-90～270°，A軸控制范圍-110～110°。在設(shè)計(jì)中采用CYCLE800進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換控制。

②機(jī)床配置的C軸和A軸具有獨(dú)立的海德漢ROD486圓光柵作為旋轉(zhuǎn)軸的角度反饋。其中C軸為1VPP8192線，A軸為1VPP1024線，因而增加2個(gè)SMC20編碼器模塊。

③主軸電機(jī)工作于三種狀態(tài)：主軸SP、旋轉(zhuǎn)軸C及旋轉(zhuǎn)軸A，為實(shí)現(xiàn)該功能，增加“設(shè)定值切換”授權(quán)6FC5800-0AM05-0YB0和“附加1根進(jìn)給軸/主軸”授權(quán)6FC5800-0AA00-0YB0。

④本機(jī)床要求同時(shí)具備在手動方式下對五軸頭進(jìn)行任意角度操作，因此，選用具備CYCLE800功能的SINUMERIK 840D SL數(shù)控系統(tǒng)。

1.2 控制系統(tǒng)完成的主要功能

SINUMERIK 840D SL具有Setpoint Exchange功能，可以實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)伺服電機(jī)控制多個(gè)機(jī)床軸的需求，并且可以根據(jù)實(shí)際操作需求進(jìn)行實(shí)軸與虛軸的切換，形成各軸獨(dú)立的控制系統(tǒng)。

1.2.1 主軸關(guān)聯(lián)參數(shù)設(shè)置

如圖1所示整體傳動中可以看到，主電機(jī)可工作于三種狀態(tài)，當(dāng)A軸和C軸處于鎖定狀態(tài)時(shí)，主電機(jī)工作于主軸模式，帶動刀具旋轉(zhuǎn);當(dāng)A軸處于松開狀態(tài)，主電機(jī)工作于角度旋轉(zhuǎn)軸A控制方式;當(dāng)C軸處于松開狀態(tài)，主電機(jī)工作于角度旋轉(zhuǎn)軸C控制方式。

參數(shù)設(shè)定中，SP、A、C軸具有各自獨(dú)立的控制參數(shù)，而在硬件控制上是共用一個(gè)主軸驅(qū)動及電機(jī)。

在基本參數(shù)和通道參數(shù)中必須設(shè)置為六個(gè)軸（X/Y/Z/SP/A/C），具體參數(shù)設(shè)置如表1及表2所示。

因A軸和C軸無獨(dú)立控制模塊，將A軸編碼器掛載于X軸驅(qū)動模塊上作為X軸的第二編碼器，C軸編碼器掛載于Z軸驅(qū)動模塊上作為Z軸的第二編碼器。

1.2.2 五軸頭液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制要求

如圖2所示，A/C軸具有獨(dú)立的鎖緊/放松液壓控制回路。由于機(jī)械精度較高，各軸的鎖緊/放松油壓各不相同，為保障可靠工作，該液壓系統(tǒng)具有：總壓力、A軸鎖緊壓力、A軸放松壓力、C軸鎖緊壓力、C軸放松壓力等專用檢測壓力繼電器。A/C軸同時(shí)具有狀態(tài)到位檢測開關(guān)。

1.2.3 五軸頭的電氣控制流程

在這次設(shè)計(jì)中，將機(jī)床軸數(shù)據(jù)區(qū)X/Y/Z/SP/A/C分別與DB31/ DB32/ DB33/ DB34/ DB35/ DB36數(shù)據(jù)塊相對應(yīng)。在設(shè)計(jì)中由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，A/C軸轉(zhuǎn)位控制必須是主軸處于低速檔上才能進(jìn)行，同時(shí)在控制A/C軸松開前必須進(jìn)行定向操作，因此將A/C軸松開到位的信號作為Setpoint Exchange激活條件。

PLC程序嚴(yán)格按照圖3的控制流程編寫完成后，主軸、A軸、C軸的NC脈沖使能和轉(zhuǎn)速控制器使能，將會根據(jù)實(shí)際操作來定義DB數(shù)據(jù)塊對用的數(shù)值，從而達(dá)到自動切換控制軸的目的。

1.2.4 HEAD_A和HEAD_C程序

HEAD_A和HEAD_C子程序用于在操作面板上對A/C軸進(jìn)行快速定位。

在程序中需要對當(dāng)前及完成后的A/C軸位置進(jìn)行存儲，以便在CYCLE800程序中正確進(jìn)行坐標(biāo)系變換。

下列程序以HEAD_A為例

N10 ?PROC HEAD_A（REAL ProgPos） SAVE DISPLOF SBLOF

N20 ? ?DEF REAL rpm_s

N30 ? ?DEF INT ?dir_s

N40 ? ?DEF INT ?B_Pos_dir

N50 ? ?DEF BOOL _m7，_m8

N60 DEF REAL sp_gain， sp_pos_velo

N70 IF $P_SEARCH GOTOF _END

N80 IF （ProgPos>90） OR （ProgPos<-90） OR （ （ ProgPos） MOD 5） <> 0

N90 MSG（"編程位置錯(cuò)誤，A軸無轉(zhuǎn)動！"）

N100 GOTOF _END

N110 ENDIF

N120 IF ProgPos==HEAD_A_CurPos

N130 MSG（"編程位置等于當(dāng)前位置，A軸無轉(zhuǎn)動！"）

N140 G4F0.2

N150 GOTOF _END

N160 ENDIF

M5

N170 M41 ;主軸低檔

IF -（HEAD_A_CurPOS+HEAD_C_CurPOS）<0

R50=-（HEAD_A_CurPOS+HEAD_C_CurPOS）+360

ELSE

R50=-（HEAD_A_CurPOS+HEAD_C_CurPOS）

ENDIF

N180 SPOS=R50 ?;-（HEAD_A_CurPOS+HEAD_C_CurPOS）

N190 MSG（"A軸放松"）

N200 STOPRE

N210 M21;A軸放松

N220 G4F1

N230 HEAD_A_ProgPos=ProgPos-HEAD_A_CurPOS

N240 G01G91A=HEAD_A_ProgPos F1000

N250 MSG（"A軸夾緊"）

N260 STOPRE

N270 M20 ;A軸夾緊

N280 G4F0.5

N290 STOPRE

N300 HEAD_A_CurPOS=PROGPOS

N310 _END

N320 STOPRE

;N780 H1=0

N340 STOPRE

N350 M17

1.2.5 ATC自動換刀控制

因機(jī)床配置五軸頭，加工過程存在坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，為了確保換刀的順利進(jìn)行，必需嚴(yán)格按照以下步驟要求來完成。

每一次換刀前，首先對主軸進(jìn)行定向運(yùn)行，使得五軸頭內(nèi)部齒輪處于可脫開位置。

通過CYCLE800對A/C軸進(jìn)行換刀位置恢復(fù)，即A=0°，C=90°。

取消CYCLE800，坐標(biāo)系還原與機(jī)床坐標(biāo)系。

運(yùn)行X/Y/Z軸到換刀點(diǎn)。

主軸執(zhí)行第二次定向于換刀位置。

執(zhí)行換刀動作。

主軸進(jìn)行定向運(yùn)行，使得五軸頭內(nèi)部齒輪處于可脫開位置。

通過CYCLE800對A/C軸進(jìn)行換刀位置恢復(fù)，即A=0°，C=0°。

取消CYCLE800，坐標(biāo)系還原與機(jī)床坐標(biāo)系。

具體程序編寫如下：

N10 PROC L6 SBLOF DISPLOF SAVE

N20 DEF INT _ACT，_NWT; Integer Active Tool Data

N30 STOPRE

N40 GETSELT（_NWT） ; Order Tool Number

N50 _ACT=$TC_MPP6[9998，1] ; Current Tool Number

N70 IF（（$P_SIM==1） OR （$P_ISTEST==1）） GOTOF END1

N80 IF（（$P_SEARCH==0） AND （_NWT==_ACT） AND （_NWT>0） AND （_ACT>0）） GOTOF INFO1

N90 IF（（$P_SEARCH==0） AND （_NWT==_ACT） AND （_NWT==0） AND （_ACT==0）） GOTOF INFO2

IF （（$TC_MPP4[9998，2]<>0） AND （$TC_MPP4[9998，3]<>0）） GOTOF NOERR

MSG（"*** 機(jī)械手上有刀具，不能運(yùn)行程序。請取下機(jī)械手上的刀具 ***"）

LOOP

G4F1

ENDLOOP

NOERR：

N100 STOPRE

MCALL

G40

D0

CYCLE800（）

M5

G0G90G153G500Z0

CYCLE800（0，"SETCO"，100000，39，0，0，0，-90，0，0，0，0，0，-1，100，1）

SPOS=199.712;197.092;（" $MN_USER_DATA_FLOAT[0]"）

CYCLE800（）

D0

G0G153G90G500Z0

M82 ;刀套下

M84 ;扣刀

M80 ;松刀

N150 M206;Tool Change Order

M85;刀臂旋轉(zhuǎn)換刀

M81;緊刀

M86;刀臂回零

M83;刀套上

N130 STOPRE

N140 END1：

N150 D0

CYCLE800（0，"SETCO"，100000，39，0，0，0，0，0，0，0，0，0，-1，100，1）

N180 M17

N190 INFO1：MSG（"**** 無換刀動作原因：編程刀具號 = 主軸刀具號 ****"）

N200 G04F0.5

N210 MSG（""）

N220 M17

N230 INFO2：MSG（"**** 無換刀動作原因：主軸上無刀 ****"）

N240 G04F0.5

N250 MSG（""）

N260 M17

2 ?PLC控制軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)以及功能要求，我們在利用系統(tǒng)分配的DB數(shù)據(jù)塊的基礎(chǔ)上開發(fā)針對GMC2230五面體龍門加工中心的PLC控制程序，為了使程序塊有較高的通用性，采用了局部變量進(jìn)行編程，本機(jī)床的PLC控制程序的部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 ?結(jié)束語

①新設(shè)備調(diào)試完成后，由于同時(shí)具備手動和自動轉(zhuǎn)換主軸頭的功能，操作者在實(shí)際使用中能夠非常方便的進(jìn)行任意角度的刀具操作，有效的解決了目前復(fù)雜大型零件的加工，因此該功能的設(shè)計(jì)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。②該機(jī)床在設(shè)計(jì)中為了解決A/C軸松開/夾緊，轉(zhuǎn)位，采取了脈沖方式對電磁閥進(jìn)行控制，達(dá)到了低油壓可靠放松A/C軸，文中所設(shè)計(jì)的液壓控制、系統(tǒng)功能控制與機(jī)械結(jié)構(gòu)完美配合，提高了可靠性，有效防止了機(jī)械硬碰撞，保障了機(jī)械壽命。③SINUMERIK 840D SL中的Setpoint Exchange功能很好地提供了單軸進(jìn)行多虛擬軸控制;HEAD_A、HEAD_C便捷實(shí)現(xiàn)了五軸頭自動角度快速定位;CYCLE800實(shí)現(xiàn)了任意角度的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。強(qiáng)大的系統(tǒng)功能，很好的實(shí)現(xiàn)了刀具旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，簡化了操作者的難度，充分發(fā)揮了該類機(jī)床的加工性能。

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作者簡介：黃亞雙（1976-），女，云南昆明人，高級工程師，主要從事數(shù)控機(jī)床的電氣設(shè)計(jì)工作。