基于Profinet的雙主軸數(shù)控磨床控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

朱俊，朱良峰

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院，江蘇常州 213164；2.江蘇新瑞重工科技有限公司，江蘇常州 213150)

0 前言

數(shù)控外圓磨床研磨工件時，如果工件的兩端都需要研磨，而工件中間部分截面尺寸較大，僅通過單側(cè)主軸上安裝的研磨頭進(jìn)行研磨加工，機床主軸在移動時的控制十分繁瑣，需進(jìn)行兩次研磨才能完成對工件兩端的研磨工作，加工效率低，因此有必要研發(fā)配置雙主軸的數(shù)控磨床。

由于磨床不需要加工螺紋，剛性攻絲，也無換刀定向要求，砂輪主軸只有轉(zhuǎn)速控制，無轉(zhuǎn)角位置控制要求，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，一般選型變頻器控制模擬量主軸而非數(shù)字主軸，但數(shù)控系統(tǒng)往往只支持一個模擬量主軸，第二模擬主軸控制就成了亟待解決的問題。一種方法是通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的PLC輸出開關(guān)量信號，通過變頻器多段速功能選擇外部的電位器實現(xiàn)第二主軸的調(diào)速，這種方法既能擋位調(diào)速，也能無級調(diào)速，但速度無法由數(shù)控指令控制。另一種方法是外接PLC，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的PLC與外接的PLC點對點I/O連接，由外接PLC起D/A轉(zhuǎn)換的作用，實現(xiàn)模擬量電壓轉(zhuǎn)速指令輸出至變頻器，這種方法能實現(xiàn)無級調(diào)速，但I(xiàn)/O點對點連接硬件接線復(fù)雜，且第二主軸編碼器無法接入至數(shù)控系統(tǒng)中。本文作者應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)非調(diào)試階段閑置的以太網(wǎng)口，提出一種基于Profinet總線的雙主軸數(shù)控磨床控制系統(tǒng)設(shè)計方案，第二模擬主軸控制采用SINUMERIK 808D AD數(shù)控系統(tǒng)與S7-1200 PLC之間的S7通信實現(xiàn)，不但能夠無級調(diào)速還能連接編碼器；通過數(shù)控系統(tǒng)自定義界面的二次開發(fā)設(shè)計制作雙主軸磨床定制畫面，將第二主軸的工作狀態(tài)實時顯示在數(shù)控系統(tǒng)屏幕上，實現(xiàn)第二主軸的完整控制功能。

1 整體設(shè)計方案

如圖1所示，硬件上808D AD通過其模擬主軸輸出接口和主軸編碼器接口連接第一模擬主軸和編碼器，再通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的以太網(wǎng)口Profinet總線、S7通信協(xié)議連接一臺S7-1200 PLC擴(kuò)展第二模擬主軸接口，S7-1200全系列PLC標(biāo)配有高速計數(shù)器，可以直接連接第二主軸編碼器。

圖1 第二模擬主軸硬件連接示意

在軟件方面，數(shù)控系統(tǒng)側(cè)加工編程時第二模擬主軸用R參數(shù)代替S轉(zhuǎn)速指令，在原數(shù)控系統(tǒng)PLC程序的基礎(chǔ)上增添讀取寫入R參數(shù)的程序段，第二模擬主軸的轉(zhuǎn)向控制、手動控制等也由數(shù)控系統(tǒng)側(cè)PLC程序完成。S7-1200 PLC側(cè)則使用TIA博途完成Profinet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，調(diào)用GET功能塊讀取遠(yuǎn)程數(shù)控系統(tǒng)R參數(shù)中所存放的第二模擬主軸轉(zhuǎn)速值至S7-1200 PLC的存儲單元，線性轉(zhuǎn)換后由模擬量模塊輸出指令電壓至變頻器。第二主軸的編碼器經(jīng)S7-1200高速計數(shù)器接口輸入后，S7-1200的PLC程序計算實際轉(zhuǎn)速，由PUT功能塊將實際轉(zhuǎn)速寫入至遠(yuǎn)程數(shù)控系統(tǒng)側(cè)PLC的存儲器中，最后利用數(shù)控系統(tǒng)自定義界面開發(fā)語言XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語言,Extensible Markup Language)將第二模擬主軸的實際轉(zhuǎn)速顯示在HMI上。

2 硬件選型設(shè)計

硬件選型主要考慮經(jīng)濟(jì)型數(shù)控磨床的控制要求，主要包括數(shù)控系統(tǒng)、PLC、模擬量模塊和編碼器的選型。

2.1 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控磨床為兩軸插補控制機床，主軸與進(jìn)給軸無聯(lián)動要求，西門子SINUMERIK 808D AD車床版標(biāo)配兩軸控制，在西門子數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品系列中定位為中低端，系統(tǒng)本身配備有1個模擬主軸輸出接口，再通過Profinet總線擴(kuò)展1個，同時支持用戶界面的二次開發(fā)，能夠滿足雙主軸數(shù)控磨床的控制要求。

2.2 PLC CPU模塊

PLC首先需要支持Profinet通信，CPU模塊或通過擴(kuò)展模塊支持0～10 V電壓輸出。連接第二主軸編碼器，因此需要支持高速計數(shù)器接口，考慮到第二模擬主軸最高轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，采用600 p/r的編碼器時，產(chǎn)生的脈沖頻率為20 kHz，CPU模塊的高速計數(shù)器能夠接收的脈沖頻率必須大于該值。綜合考慮多種因素，最終選定的S7-1200 PLC CPU型號為CPU1215C，A、B相輸入時允許頻率為80 kHz、單相輸入時允許頻率為100 kHz，完全滿足要求。

2.3 模擬量擴(kuò)展模塊

選定的模擬量擴(kuò)展模塊型號為SM1232，2個模擬量輸出通道( -10～10 V)輸出，由于第二模擬主軸轉(zhuǎn)向由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC控制，模擬量擴(kuò)展模塊只會輸出轉(zhuǎn)速指令信號，因此只會使用到0～10 V的范圍。

2.4 第二主軸編碼器

第二主軸編碼器用于完成第二主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的檢測，由于連接的是PLC的高速計數(shù)口，輸出信號的形式為NPN型或PNP型，與第一主軸編碼器差分信號不同。最終，第二主軸編碼器選型為K3808-600BS、600 p/r、NPN型。

電氣控制柜如圖2所示。

圖2 雙主軸數(shù)控磨床電氣控制柜

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括三大部分:數(shù)控加工程序、PLC程序和自定義界面開發(fā)腳本程序。

3.1 數(shù)控加工程序

第二模擬主軸轉(zhuǎn)向、啟停使用數(shù)控系統(tǒng)的自定義M代碼M96、M97、M98實現(xiàn)。定義R參數(shù)R3為轉(zhuǎn)速指令存放存儲器，第二模擬主軸數(shù)控加工程序示例如下：

R3=1000 //設(shè)置第二模擬主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min

M96 //主軸正轉(zhuǎn)

G91G01X5F100 //軸直線運行5 mm

M98 //主軸停止

R3=1500 //設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為1500 r/min

M97 //主軸反轉(zhuǎn)

G4F4 //暫停4 s

M98 //主軸停止

3.2 PLC程序

第二模擬主軸PLC程序一部分在808D AD中運行，另一部分在S7-1200 PLC中運行，協(xié)同處理流程如圖3所示。

圖3 第二模擬主軸轉(zhuǎn)速協(xié)同處理流程

其中，讀取R3的PLC程序如圖4所示，該程序段實現(xiàn)了每次運行M96或者M(jìn)97，將R3中存放的轉(zhuǎn)速指令更新至MD80。DB1200.DBB1 PLC→NCK 接口變量控制讀R參數(shù)的個數(shù)，DB1200.DBB1000賦值5控制讀取的是R參數(shù)類型NC變量，DB1200.DBW1002控制讀取的是R3。

圖4 R3轉(zhuǎn)速指令讀取

數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC MD80中的轉(zhuǎn)速指令通過S7-1200 MAIN程序中GET功能塊遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)存至DB1數(shù)據(jù)塊，GET功能塊如圖5所示。輸入?yún)?shù)ID為Profinet網(wǎng)絡(luò)ID，提前完成了該網(wǎng)絡(luò)S7通信雙方IP地址的設(shè)定，機架插槽號、網(wǎng)絡(luò)ID等的設(shè)定，GET功能塊使用網(wǎng)絡(luò)ID選擇承載該遠(yuǎn)程通信的物理網(wǎng)絡(luò)。由于R參數(shù)讀取的是實數(shù)，而模擬量模塊輸出為整型，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。

圖5 GET功能塊

0～10 V模擬量轉(zhuǎn)速指令輸出至變頻器，檢測主軸電機實際轉(zhuǎn)速的編碼器連接至S7-1200 PLC的高速計數(shù)口。計數(shù)器的工作模式由相應(yīng)的變量位控制，需要通過編寫PLC程序?qū)懭胱兞课豢刂朴嫈?shù)器的運行，但博途編程軟件已經(jīng)將此工作圖形化了，在窗口設(shè)定即可，如圖6所示。

圖6 高速計數(shù)器的設(shè)定窗口

計數(shù)類型設(shè)定為頻率，高速計數(shù)器輸出的結(jié)果直接就是頻率值，編碼器線數(shù)為600 p/r，經(jīng)過計算就能得出實際轉(zhuǎn)速，最終以DINT數(shù)據(jù)類型存放在數(shù)控系統(tǒng)的MD20中。另外，由于高速計數(shù)輸入和一般開關(guān)量輸入不同，高速計數(shù)通道I0.0和I0.1的濾波時間設(shè)定為3.2 μs，與20 kHz的最高輸入頻率相匹配。

3.3 用戶界面的二次開發(fā)

由于數(shù)控系統(tǒng)的出廠HMI針對車床加工工藝進(jìn)行設(shè)計，為提升雙主軸數(shù)控磨床這種非通用型數(shù)控機床界面的友好性，同時將擴(kuò)展的第二模擬主軸的實時狀態(tài)顯示在數(shù)控系統(tǒng)屏幕上，使用808D AD數(shù)控系統(tǒng)支持的XML語言完成用戶界面的二次開發(fā)。第二模擬主軸的實時狀態(tài)顯示代碼如下：

//顯示第二模擬主軸的指令轉(zhuǎn)速

//顯示第二模擬主軸的實際轉(zhuǎn)速

圖7所示為二次開發(fā)的用戶界面，“S1”“S2”后顯示的數(shù)值分別為第一、第二模擬主軸的指令轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速。

圖7 雙主軸數(shù)控磨床用戶自定義界面

4 結(jié)束語

本文作者利用數(shù)控系統(tǒng)非調(diào)試階段閑置的以太網(wǎng)口，提出一種基于Profinet總線的雙主軸數(shù)控磨床控制系統(tǒng)設(shè)計方案。結(jié)果表明：由于采用了總線通信，其抗干擾能力強，第二模擬主軸的轉(zhuǎn)速誤差可以控制在10%以內(nèi)，從而實現(xiàn)了使用中低端普及型數(shù)控系統(tǒng)控制兩個模擬主軸的功能，在經(jīng)濟(jì)型雙主軸數(shù)控磨床上得到了很好的應(yīng)用。S7-1200 PLC還能輸出位置控制的高速脈沖，因此不僅是主軸的轉(zhuǎn)速控制，只要是與現(xiàn)有的、非聯(lián)動的進(jìn)給軸或主軸的位置控制，都可以基于Profinet總線將相關(guān)的控制移至PLC端完成，數(shù)控系統(tǒng)只需要發(fā)出指令即可。這也為808D AD數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用開啟了廣闊的空間。