基于西門子828D雙通道功能的五軸協(xié)同加工的應(yīng)用

邵毅

沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

近些年，由于人工費用和機(jī)床維護(hù)成本的增加，用戶急需一種生產(chǎn)效率高、人工費用低的機(jī)床，因此本公司設(shè)計了一款雙機(jī)頭龍門式數(shù)控機(jī)床。此機(jī)床攜帶兩個加工機(jī)頭，只需要一名操作人員就可以完成之前兩名操作人員利用兩臺機(jī)床才能完成的工作，一次加工完成兩個工件。不僅提高了加工效率，而且安裝和配套費用、公用設(shè)施費用和切削液消耗也有所降低。但由于是雙機(jī)頭加工，所以加工過程中要對兩個機(jī)頭的運(yùn)動分別編程，編程繁瑣并且很容易因人為錯誤而導(dǎo)致雙機(jī)頭相撞。

基于此，本公司開發(fā)了第二機(jī)頭完全跟隨第一機(jī)頭運(yùn)動的NC控制程序，使原來機(jī)械形式上的雙機(jī)頭機(jī)床轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部認(rèn)定的單一機(jī)頭機(jī)床，簡化了加工程序，安全性能也得到保證。

本文以SUC2590雙主軸龍門式數(shù)控機(jī)床為例，闡述在雙機(jī)頭龍門式數(shù)控機(jī)床上實現(xiàn)上述功能的過程。機(jī)床軸如圖1所示，有6個直線軸X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2，分別命名為MX1、MX2、MY1、MY2、MZ1和MZ2，左側(cè)機(jī)頭主軸SP1命名為MSP1，右側(cè)機(jī)頭主軸SP2命名為MSP2。X1、X2軸構(gòu)成龍門軸，橫梁前后移動，其中X1軸為龍門軸的主動軸；Z1、Z2軸上下移動；Y1、Y2軸沿橫梁橫向移動。該機(jī)床可同時加工兩個工藝要求相同的零件。

圖1 機(jī)床軸示意

控制系統(tǒng)采用的是西門子828D，機(jī)床上所有用到的軸的名稱，需要在機(jī)床通用數(shù)據(jù)中設(shè)定。本機(jī)床共8個軸，具體設(shè)置見表1。目前對于超過四軸的加工控制，西門子828D需要通過雙通道功能來實 現(xiàn)[1-3]。本文將詳細(xì)闡述雙通道設(shè)置方法、不同通道間軸聯(lián)動的NC控制程序內(nèi)容，以及聯(lián)動軸之間的位置監(jiān)控PLC程序。

表1 機(jī)床軸名稱設(shè)置

2 雙通道參數(shù)設(shè)置方法

雙通道可簡單理解為兩個插補(bǔ)器，雙通道意味著系統(tǒng)可以同時執(zhí)行兩個程序，互不影響。方式組中的“方式”指的是操作方式，即手動、手動編程運(yùn)行和自動運(yùn)行等方式，所以方式組就是以操作方式劃分的小組。如果系統(tǒng)為雙方式組，意味著在這個系統(tǒng)上可以同時出現(xiàn)兩種操作方式。一個系統(tǒng)可以有若干個方式組，每個方式組可以有若干個通道，在一個方式組中的通道必然處于同一種操作方式下。

西門子828D系統(tǒng)是多方式組多通道的系統(tǒng)，但系統(tǒng)的缺省設(shè)置為一個通道，因此需要將參數(shù)設(shè)置成兩個通道，一個方式組。設(shè)置如下。

本機(jī)床將MX1、MY1、MZ1、MX2、MSP1和MSP2設(shè)置到第一通道，將MY2、MZ2設(shè)置到第二通道，這時設(shè)定的軸名為加工時通道內(nèi)編程的軸名，不能與機(jī)床軸名相同，而且必須按照編程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行命名，因此通道中的軸名將機(jī)床軸名前的M去掉，具體參數(shù)設(shè)置見表2、表3。由于在NC程序控制五軸協(xié)同加工的過程中，Y1、Y2、Z1和Z2軸會在兩個通道之間來回切換，因此需要在兩個通道都聲明該軸，即在通道軸列表設(shè)置中MD20070與MD20080均定義該軸。

表2 第一通道參數(shù)設(shè)置

表3 第二通道參數(shù)設(shè)置

3 雙通道五軸協(xié)同加工

雙通道參數(shù)設(shè)置完成后，便可以采用聯(lián)動指令Trailon進(jìn)行協(xié)同加工。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，直接在第一通道中執(zhí)行聯(lián)動指令Trailon（Y2，Y1）、Trailon（Z2，Z1），目的是使Y2軸跟隨Y1軸運(yùn)動，Z2軸跟隨Z1軸運(yùn)動，但是在第二通道執(zhí)行釋放指令RELEASE以及在第一通道執(zhí)行GET指令后，軸聯(lián)動并未成功。經(jīng)分析，原因是在西門子828D系統(tǒng)基本框架中，不允許直接在不同通道的軸之間進(jìn)行聯(lián)動。因此需要調(diào)整NC控制方法，先利用指令RELEASE將聯(lián)動中的主動軸Y1、Z1放置在與跟隨軸Y2、Z2相同的第二通道中，然后在第二通道中獲得Y1、Z1軸的控制權(quán)，再執(zhí)行聯(lián)動指令Trailon，最后在第二通道內(nèi)釋放Y1、Z1軸的控制權(quán)，在第一通道獲得Y1、Z1軸的控制權(quán)，此時Y1、Z1軸運(yùn)動時，Y2、Z2軸會以1∶1的方式跟隨運(yùn)動，成功實現(xiàn)不同通道間的軸聯(lián)動，進(jìn)而實現(xiàn)五軸協(xié)同加工的功能。具體開發(fā)的NC控制程序如下。

首先編寫主程序，程序名為COUPLE.SPF，此程序在第一通道內(nèi)執(zhí)行。

其次編寫主程序中的子程序，子程序名為R_GET.SPF，主程序中已指定此程序在第二通道內(nèi) 執(zhí)行。

程序編輯完成后，將主程序和子程序傳入828D系統(tǒng)制造商循環(huán)目錄下。操作人員編寫加工程序時只需對X1、Y1和Z1軸進(jìn)行編程，之后在加工程序前添加COUPLE.SPF程序，將編寫的加工程序在第一通道執(zhí)行，就可以實現(xiàn)五軸協(xié)同加工。部分加工程序如下。

4 耦合軸位置實時監(jiān)測

由于軸耦合后，系統(tǒng)并不檢測聯(lián)動時耦合軸的同步情況，如果跟隨軸由于某些情況與主動軸存在位置差，或者跟隨軸的位置不準(zhǔn)確，系統(tǒng)不會發(fā)出任何報警或者提示信息，這樣會導(dǎo)致工件尺寸偏差過大，造成廢料。因此要利用PLC與NC之間的實時通信，判斷耦合軸之間的位置同步情況，一旦出現(xiàn)不同步情況，及時發(fā)出報警并停止加工程序。

編輯PLC程序，首先需要建立NC與PLC之間的通信，這樣就可以使NC控制的兩組聯(lián)動軸Y1、Y2以及Z1、Z2加工時的位置值分別實時保存在PLC地址的DB5701.DBD0、DB5703.DBD0以及DB5702.DBD0、DB5704.DBD0中，然后在PLC中對實時監(jiān)控位置進(jìn)行計算比較。

為實現(xiàn)此功能，需要建立一個存儲位置值以及差值的數(shù)據(jù)塊DB9005。當(dāng)耦合軸功能激活后，檢測到主程序段中M76執(zhí)行，PLC內(nèi)對應(yīng)的DB2500.DBX1009.4瞬時為1，之后變?yōu)?，因此利用DB2500.DBX1009.4信號特點，可計算每次開始耦合時主動軸Y1在DB5701.DBD0的位置點與跟隨軸Y2在DB5703.DBD0的位置點的差值，此差值作為兩軸耦合點的初始值保存在DB9005.DBD76中。當(dāng)執(zhí)行到程序段中$A_DBB[2]=1時，PLC對應(yīng)的地址DB4900.DBB2一直為1，也就是會在加工過程實時計算主動軸Y1的NC位置（即PLC地址DB5701.DBD0的值）與跟隨軸Y2的NC位置（即PLC地址DB5703.DBD0的值）的差值，計算結(jié)果保存在DB9005.DBD80中，此時DB9005.DBD80就是一個動態(tài)值。將DB9005.DBD76內(nèi)的初始值與DB9005.DBD80內(nèi)的值相減，計算結(jié)果保存在DB9005.DBD84中。將自定義的偏差報警極限值保存在DB9005.DBD88中，當(dāng)DB9005.DBD84內(nèi)的數(shù)超出DB9005.DBD88內(nèi)位置偏差極限值時，就表示主動軸Y1與跟隨軸Y2的位置不同步，PLC會立即輸出地址為DB1600.DBX14.4的報警，同時將加工程序停止，這樣就可以提高耦合軸之間的位置準(zhǔn)確度，保證加工質(zhì)量。耦合后的主動軸Z1與跟隨軸Z2的位置監(jiān)控計算方法與Y1、Y2軸相同，PLC程序如圖2所示。

圖2 位置監(jiān)控的PLC程序

5 結(jié)束語

本文結(jié)合機(jī)床與加工工藝的特點，設(shè)計了一種NC控制程序以實現(xiàn)不同通道間軸的耦合聯(lián)動功能，從而實現(xiàn)五軸協(xié)同加工，并且通過PLC與NC的通信監(jiān)測耦合軸位置，使此方案形成安全可靠的閉環(huán)控制。此方案已在SUC2590DGM4雙主軸龍門式數(shù)控機(jī)床上試用，實踐證明，該方案操作簡單、性能可靠，具有推廣價值。