西门子840D五轴龙门铣床刀具定向方向手轮干预功能的实现

2018-07-26关为群

汽车实用技术 2018年13期

关键词：数控系统西门子机床

关为群

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

绪论

本文将简单描述五轴龙门铣床的机械结构，以及机床的数控控制系统西门子SINUMERIK 840D的主要系统构成，并从NC机床数据、NC程序和PLC等方面详细阐述6轴功能的实现过程。

1 五轴龙门铣床简介及数控系统构成

1.1 五轴龙门铣床简介

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。目前，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。

装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了迫切的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，它反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。

该五轴龙门铣床主要由几何轴X1、X2、Y、Z，旋转轴C、A以及主轴SP等构成，主要用于汽车模具的加工，机床的外观见下图：

图1

1.2 数控系统构成

数控系统采用西门子 SINUMERIK 840D＋611D驱动＋1PH7+1FT6+1FK7电机控制，能实现5轴控制和5坐标联动。该系统功能强大，可开发性强，选择该数控系统完全可以满足本机床的控制要求。

SINUMERIK 810D/840D 是由数控及驱动单元（CCU 或NCU），PCU 及 OP0xx，PLC 的 I/O 模块三部分组成。

由于在集成系统时，总是将 SIMODRIVE 611D 驱动和数控单元（CCU 或 NCU）并排放在一起，并用设备总线互相连接，因此在说明时将二者划归一处。

PCU 及 OP0xx 包括：OP (Operation panel）单元，PCU 20/50/70，MCP(Machine Control Panel）三部分；PLC 的 I/O模块包括：电源模块（PS），接口模块（IM）和输入/输出模块（SM）。它们并排安装在一根导轨上。

数控系统的主要部件描述如下：

NCU（Numerical Control Unit）：NCU573.5，具备最大控制10通道、10个方式组，最多可配置31轴的能力。

SINUMERIK 840D 的数控单元被称作 NCU（Numerical Control unit）单元。根据选用硬件如 CPU芯片等和功能配置的不同，NCU 分为 NCU561.5，NCU571.5，NCU572.5 NCU573.5 等若干种。

同样地，NCU 单元中也集成 SINUMERIK 840D 数控 CPU和 SIMATIC PLC CPU 芯片，包括相应的数控软件和 PLC 控制软件，并且带有 MPI 或 PROFIBUS 接口，RS232 接口，手轮及测量接口，PCMCIA 卡插槽等所不同的是 NCU 单元很薄，所有的驱动模块均排列在其右侧。

PCU50(PC UNIT)：1.2GHZ/512M内装HMI高级接口软件（中英文显示）。

显示器：12寸TFT彩显OP012一台。

机床控制面板：西门子专用自带15个用户自定义按键的19寸机床控制面板（MCP）一个。 MCP（Machine Control Panel）是专门为数控机床而配置的，它也是 MPI/OPI 上的一个节点，根据应用场合不同，其布局也不同。目前，有车床版 MCP 和铣床版 MCP 两种。对 810D 和 840D，MCP 的MPI 地址分别为 14 和 6，用 MCP后面的 S3 开关设定。

手持单元：西门子HHU手持单元一套。（见下图）

图2

驱动器采用西门子SIMODRIVE 611D交流驱动装置。

输入输出接口：采用S7-300系列PLC由 IM361与NCU连接。

2 6轴功能的实现

2.1 NC参数

通用机床数据：

CHANDATA(1)

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_ TAB[0]="X1"；机床轴名称 N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[1]="Y1"；机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[2]="Z1"；机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[3]="C1"；机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[4]="A1"；机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[5]="SP1"；机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[6]="B1"；机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[7]="V1"；机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[8]="SP2"；机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[9]="X2"；机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[10]="U1"；添加机床轴U1

通道机床数据：

CHANDATA(1)

N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB[0]= 1；分配几何轴到通道轴

N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB[1]=2；分配几何轴到通道轴

N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB[2]=3；分配几何轴到通道轴

N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB[0]="X"；通道中的几何轴名称

N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB[1]="Y"；通道中的几何轴名称

N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB[2]="Z"；通道中的几何轴名称

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[0]=1；通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[1]=2；通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[2]=3；通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[3]=4；通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[4]=5；通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[5]=6；通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[6]=9；通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[7]=10；通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[8]=11；通道轴对应的机床轴U1

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[0]="XC"；通道中通道轴名称

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[1]="YC"；通道中通道轴名称

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[2]="ZC"；通道中通道轴名称

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[3]="C"；通道中通道轴名称

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[4]="A"；通道中通道轴名称

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[5]="SP1"；通道中通道轴名称

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[6]="SP2"；通道中通道轴名称

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[7]="X2"；通道中通道轴名称

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[8]="U"；通道中通道轴名称

轴机床数据：

N30130 $MA_CTRLOUT_TYPE[0,AX11]=0；将U1轴设置成虚拟轴

N30240 $MA_ENC_TYPE[0,AX11]=0；将U1轴设置成虚拟轴

N32000 $MA_MAX_AX_VELO[AX11]=10000；U1轴最大轴速度

N32010 $MA_JOG_VELO_RAPID[AX11]=10000；U1轴点动快速速度

N32020 $MA_JOG_VELO[AX11]=2000；U1轴点动速度在线式刀具长度补偿功能相关机床数据：

N19320 $ON_TECHNO_FUNCTION_MASK bit 29；功能选项

N20610 $MC_ADD_MOVE_ACCEL_RESERVE=0.3；叠加运动的加速潜力

N21190 $MC_TOFF_MODE='H0'；系统变量 $AA_TOFF[]的内容可作为绝对值取得或者相加

N21194 $MC_TOFF_VELO[0]=2000；在线式刀具长度补偿的速度

N21194 $MC_TOFF_VELO[1]=2000；在线式刀具长度补偿的速度

N21194 $MC_TOFF_VELO[2]=2000；在线式刀具长度补偿的速度

N21196 $MC_TOFF_ACCEL[0]=1；在线式刀具长度补偿的加速度

N21196 $MC_TOFF_ACCEL[1]=1；在线式刀具长度补偿的加速度

N21196 $MC_TOFF_ACCEL[2]=1；在线式刀具长度补偿的加速度

2.2 NC程序

N100 TRAORI；激活第一个已编程的方向转换

N200 T1

N300 G0X0Y0Z0C0A0

N400 TOFFON(Z)；开通在线式刀具长度补偿功能

N500 ID=2 WHENEVER TRUE DO $AA_TOFF[Z]=$AC_DRF[U]；同步指令，U轴手轮偏置赋给在线式刀具长度补偿

N600 TT

N700 G1G90X5Y5F100

N800 A20 C10

N900 GOTOB TT

N950 TOFFOF(Z)；关闭在线式刀具长度补偿功能

TRAORI 五轴转换指令，编程具有多种优点。特别是：程序独立于刀具长度和机床运动；进给率与刀具中心点相关，并自动进行补偿运动，以补偿旋转轴运动。

TRAORI 激活第一个已编程的方向转换；

TRAFOOF 断开转换；

TRAORI(n) 激活用n编程的方向转换；

N 转换号码（n=1 或 2），TRAORI（1）对应于 TRAORI；

SINUMERIK840D支持在实践应用中用来编程刀具方向的各种类型。必须激活方向转换TRAORI。一般建议使用方向矢量来编程刀具方向。

图3

实际项目中，将TRAORI、TOFFON(Z)、D=2 WHENE-VER TRUE DO $AA_TOFF[Z]=$AC_DRF[U]以及 TOFFOF(Z)指令添加到用户NC中的相应位置即可。

2.3 PLC程序

CALL FC 1200 //6-axis,DRF；在OB1最后面调用FC1200 SET

=DB41.DBX 2.1 //激活U轴控制器使能

=DB41.DBX 21.7 //激活U轴脉冲使能

=DB41.DBX 1.5 //激活U轴测量系统1

=DB41.DBX 1.7 //激活U轴倍率

A I 7.0 //MCP自定义键T8

AN Q 5.0 //MCP自定义键T8指示灯

FP M 150.0

S M 150.1

A I 7.0 //MCP自定义键T8

A Q 5.0 //MCP自定义键T8指示灯

FN M 150.2

R M 150.1

AN I 7.0 //MCP自定义键T8

A M 150.1

= Q 5.0 //MCP自定义键T8指示灯，以选择6轴功能选择

A Q 5.0//6轴功能选择

A DB83.DBX 5.6 //HHU 被选择

AN DB31.DBX 64.0 //轴1手轮功能被激活

AN DB32.DBX 64.0 //轴2手轮功能被激活

AN DB33.DBX 64.0 //轴3手轮功能被激活

AN DB34.DBX 64.0 //轴4手轮功能被激活

AN DB35.DBX 64.0 //轴1手轮功能被激活

=DB41.DBX 4.0 //虚轴U1手轮功能选择

2.4 6轴功能操作说明

（1）将相关指令TRAORI、TOFFON(Z)、D=2 WHENE-VER TRUE DO $AA_TOFF[Z]=$AC_DRF[U]以及 TOFFOF(Z)等添加到NC程序中，并运行。

（2）通过HMI选择DRF功能

DRF功能 (Differential Resolve Function)，一般是用在MDA和AUTO下，在MDA和AUTO下进行轴移动干预，也就是走程序的时候，可以用手轮对当前未运动的轴进行移动，又称手轮偏置。接口信号DB21.DBX0.3激活，然后选择手轮、干预轴，INC，手轮对相应的轴即可在自动方式下进行干预了。DRF值：$AC_DRF[axis]；DRF取消：DRFOF ；另外，DRF偏置在机床坐标系下显示，在工件坐标下不显示。

（3）通过 MCP-T8用户自定义键（自定义最中间那个键），激活或取消6轴功能。

3 系统软件升级

以上工作完成后会发现一个问题，6轴的移动速度被限制到200mm/min左右的一个很低的速度，这样的手轮干预速度对用户加工工件来说毫无意义。

我们使用现有的840D不同系统版本做了相同的实验，发现是一样的情况，6轴的移动都被限制在很低的速度，而SINUMERIK 840D的升级版本SINUMERIK 840D solution line并未有此限制，可以很容易达到N21194 $MC_TOFF_VELO参数中设定的速度。

为此我们求助了德国西门子热线，德国西门子热线也很快给了反馈，建议我们修改参数 N21198 $MC_ORI_TRAFO_ONLINE_CHECK_LIM。但是新的问题又来了，在该机床的数控系统 SINUMERIK 840D系统软件版本 Version data NCU 07.04.30中根本找不到参数 N21198。热线继续反馈需要将SINUMERIK 840D的系统软件版本升级到 840D的最高版本Version data NCU 07.04.40，并修改下面参数：N21198 $MC_ORI_TRAFO_ONLINE_CHECK_LIM 在线式刀具长度补偿的速度限制。

由于具备五轴功能的数控系统受到国外供应商（包括FANUC、西门子及FIDIA等）的出口限制，在购买新的系统软件的过程中又经历了一些波折，但是最终在意大利 JOBS的努力下历时半年终于拿到所需的系统软件版本。

系统软件升级并修改完参数N21198后，该功能得以最终调试完成。