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

1 序言

近些年，由于人工費(fèi)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(fèi)用低的機(jī)床，因此本公司設(shè)計(jì)了一款雙機(jī)頭龍門式數(shù)控機(jī)床。此機(jī)床攜帶兩個(gè)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(tái)機(jī)床才能完成的工作，一次加工完成兩個(gè)工件。不僅提高了加工效率，而且安裝和配套費(fèi)用、公用設(shè)施費(fèi)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(guò)程中要對(duì)兩個(gè)機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)分別編程，編程繁瑣并且很容易因人為錯(cuò)誤而導(dǎo)致雙機(jī)頭相撞。

基于此，本公司開(kāi)發(fā)了第二機(jī)頭完全跟隨第一機(jī)頭運(yùn)動(dòng)的NC控制程序，使原來(lái)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)上述功能的過(guò)程。機(jī)床軸如圖1所示，有6個(gè)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(dòng)，其中X1軸為龍門軸的主動(dòng)軸；Z1、Z2軸上下移動(dòng)；Y1、Y2軸沿橫梁橫向移動(dòng)。該機(jī)床可同時(shí)加工兩個(gè)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(gè)軸，具體設(shè)置見(jiàn)表1。目前對(duì)于超過(guò)四軸的加工控制，西門子828D需要通過(guò)雙通道功能來(lái)實(shí) 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(dòng)的NC控制程序內(nèi)容，以及聯(lián)動(dòng)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(jiǎn)單理解為兩個(gè)插補(bǔ)器，雙通道意味著系統(tǒng)可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)程序，互不影響。方式組中的“方式”指的是操作方式，即手動(dòng)、手動(dòng)編程運(yùn)行和自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)上可以同時(shí)出現(xiàn)兩種操作方式。一個(gè)系統(tǒng)可以有若干個(gè)方式組，每個(gè)方式組可以有若干個(gè)通道，在一個(gè)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(gè)通道，因此需要將參數(shù)設(shè)置成兩個(gè)通道，一個(gè)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(shí)設(shè)定的軸名為加工時(shí)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(jiàn)表2、表3。由于在NC程序控制五軸協(xié)同加工的過(guò)程中，Y1、Y2、Z1和Z2軸會(huì)在兩個(gè)通道之間來(lái)回切換，因此需要在兩個(gè)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(dòng)指令Trailon進(jìn)行協(xié)同加工。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，直接在第一通道中執(zhí)行聯(lián)動(dòng)指令Trailon（Y2，Y1）、Trailon（Z2，Z1），目的是使Y2軸跟隨Y1軸運(yùn)動(dòng)，Z2軸跟隨Z1軸運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)。因此需要調(diào)整NC控制方法，先利用指令RELEASE將聯(lián)動(dòng)中的主動(dòng)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(dòng)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(shí)Y1、Z1軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，Y2、Z2軸會(huì)以1∶1的方式跟隨運(yùn)動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)不同通道間的軸聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)五軸協(xié)同加工的功能。具體開(kāi)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(shí)只需對(duì)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(shí)現(xiàn)五軸協(xié)同加工。部分加工程序如下。

4 耦合軸位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

由于軸耦合后，系統(tǒng)并不檢測(cè)聯(lián)動(dòng)時(shí)耦合軸的同步情況，如果跟隨軸由于某些情況與主動(dòng)軸存在位置差，或者跟隨軸的位置不準(zhǔn)確，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出任何報(bào)警或者提示信息，這樣會(huì)導(dǎo)致工件尺寸偏差過(guò)大，造成廢料。因此要利用PLC與NC之間的實(shí)時(shí)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(shí)發(fā)出報(bào)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(dòng)軸Y1、Y2以及Z1、Z2加工時(shí)的位置值分別實(shí)時(shí)保存在PLC地址的DB5701.DBD0、DB5703.DBD0以及DB5702.DBD0、DB5704.DBD0中，然后在PLC中對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控位置進(jìn)行計(jì)算比較。

為實(shí)現(xiàn)此功能，需要建立一個(gè)存儲(chǔ)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(cè)到主程序段中M76執(zhí)行，PLC內(nèi)對(duì)應(yīng)的DB2500.DBX1009.4瞬時(shí)為1，之后變?yōu)?，因此利用DB2500.DBX1009.4信號(hào)特點(diǎn)，可計(jì)算每次開(kāi)始耦合時(shí)主動(dòng)軸Y1在DB5701.DBD0的位置點(diǎn)與跟隨軸Y2在DB5703.DBD0的位置點(diǎn)的差值，此差值作為兩軸耦合點(diǎn)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(shí)，PLC對(duì)應(yīng)的地址DB4900.DBB2一直為1，也就是會(huì)在加工過(guò)程實(shí)時(shí)計(jì)算主動(dòng)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(jì)算結(jié)果保存在DB9005.DBD80中，此時(shí)DB9005.DBD80就是一個(gè)動(dòng)態(tài)值。將DB9005.DBD76內(nèi)的初始值與DB9005.DBD80內(nèi)的值相減，計(jì)算結(jié)果保存在DB9005.DBD84中。將自定義的偏差報(bào)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(shí)，就表示主動(dòng)軸Y1與跟隨軸Y2的位置不同步，PLC會(huì)立即輸出地址為DB1600.DBX14.4的報(bào)警，同時(shí)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(dòng)軸Z1與跟隨軸Z2的位置監(jiān)控計(jì)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(yǔ)

本文結(jié)合機(jī)床與加工工藝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種NC控制程序以實(shí)現(xiàn)不同通道間軸的耦合聯(lián)動(dòng)功能，從而實(shí)現(xiàn)五軸協(xié)同加工，并且通過(guò)PLC與NC的通信監(jiān)測(cè)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(shí)踐證明，該方案操作簡(jiǎn)單、性能可靠，具有推廣價(jià)值。