立式兩旋輪車輪輞旋壓機控制系統的研究

摘要：本文在介紹SINUMERIK 840D通用數字控制系統的結構與特點的基礎上，從系統硬件組態和軟件編程兩個方面探討了其在立式兩旋輪車輪輞旋壓機中的具體應用。
關鍵詞：SINUMERIK 840D；立式兩旋輪車輪輞旋壓機
SINUMERIK 840D NC system to implement revolve and suppress machine of two wheels
Wang xiao wei Sun hui xue Wang zhi song
Yanshan University Mechanical Engineering College 066004
Abstract：Based on configuration and character of SINUMERIK 840D general NC system, this paper discuss the application of it used in revolve and suppress machine of two wheels from hardware and software.
Key words：SINUMERIK 840D; revolve and suppress machine of two wheels
0 引 言
旋壓機床的數控化始于六十年代后期，不過當時只是由數控帶和機床控制器控制的簡易數控旋壓機。其后，獲得飛速發展的計算機控制技術和微型計算機技術被引入這個領域，從而生產了機床結構和控制技術得到顯著改進的各種自動旋壓機。一臺數控旋壓機床不僅可以減輕工作人員的勞動強度，在提高旋壓產品的生產效率和成品率等方面起到了關鍵性的作用,而且對于一些高精度技術要求和形狀復雜的旋壓產品，數控旋壓機更加發揮了它的優勢。
本機床是課題組自主研發的一臺設備，它對數控系統的特殊要求是：
1) CNC可控制5個軸（2個進給軸X，2個進給軸Z，1個旋轉軸C）；
2) PLC可處理輸入/輸出點為512/512個以上；
3) PLC用戶程序存儲容量要求在128K以上；
4) PLC具有完備的功能；
5) CNC系統必須有較快的運算速度,以滿足X-Z軸聯動的實時計算，要求32位CPU。
而SINUMERIK 840D數控系統均能滿足上述要求。
1 SINUMERIK 840D數控系統性能
SINUMERIK 840D是西門子公司20世紀90年代推出的高性能數控系統。是建立在綜合的系統平臺上,通過系統設定功能而適用于所有的控制系統。840D與SIMODRIVE 611D數字驅動系統和SIMATIC S7可編程控制器一起，構成了一個全數字控制系統，用于各種復雜零件加工,并具有優于其他系統的動態品質和控制精度。使用SINUMERIK 840D，將具有一個集成的控制解決方案，將大大提高機組的生產效率。
2 硬件設計
該旋壓機橫向采用電液伺服閉環控制，其進給機構采用進口電液伺服閥及放大器、伺服油缸、光柵尺檢測構成閉環控制系統,以上器件選用德國力士樂產品。其中兩個旋輪呈180º 分布。橫向伺服油缸采用低摩擦的洪格爾密封元件，伺服性能好。縱向進給系統由西門子伺服電機、編碼器、減速器、滾珠絲杠、旋輪座體構成半閉環控制系統。該系統采用滾珠絲杠、大扭矩減速器，絲杠支承座內兩個軸承全部采用瑞典SKF產品,系統剛性很高。通過對滾珠絲杠螺距誤差的補償及反向間隙補償，提高了縱向進給系統的精度。
2.1 SINUMERIK 840D數控系統的組成：
SINUMERIK 840D是一種微處理數字控制系統，用于控制帶數字驅動的機床。主要包括840D中NCU數控單元，人機交互裝置MMC，驅動裝置，可編程序控制器PLC等。其硬件組成如圖1所示：

1) NCU數控單元
NCU數控單元是CNC控制部件的核心，根據NC和PLC存儲容量的不同，該機床選用NCU571.3系列（可控制31個軸）。
2) 人機交互裝置MMC模塊
MMC模塊是人機界面，用于圖形的顯示、數字的輸入等。主要包括CPU，MCP，操作面板等。根據該機床的特點，我們選用OP 010(Operation Panel)操作面板，計算機選用MMC 103系列，MCP選用車床版系列。
3) 驅動裝置
SINUMERIK 840D系統采用全數字伺服驅動SIMODRIVE 611D，可分別配以1FT 6進給電機構成進給驅動系統，配以1PH 7主軸電機構成主軸驅動系統。編碼器信號為1Vpp正弦波，實現全閉環控制。
4） 編程序控制器PLC
SINUMERIK 840D系統集成了S7-300-2DP的PLC，并通過通訊模塊IM 361擴展外部的I/0模塊。
此外，SINUMERIK 840D采用MPI（Multiple Point Interface）總線技術，傳輸速率為187.5k/秒。
3 軟件設計
　　SINUMERIK 840D的軟件設計就是處理NCU和MMC之間、NCU和PLC之間、PLC與MMC之間的接口信號，NC的參數配置（包括各種補償）以及PLC報警文本。 　　
3.1 PLC應用程序的設計
3.1.1 S7-300硬件配置
西門子S7-300 是模塊化的可編程控制器,具有結構緊湊、可靠性高、對環境要求低、編程方便、編程指令豐富、容易聯成網絡、維護工作量小等優點。該系統由電源模塊( PS 307 、接口模塊( IM 361)、模擬量輸入模塊(SM 321)﹑模擬量輸出模塊(SM 322)和數字量輸出模塊（SM 332）組成。這些模塊安裝在一個機架上,其中CPU采用SINUMERIK 840D中集成的CPU。其系統硬件組態圖 如圖2所示：　　
機架：
PS 307(5A) IM361 DI DI DI DO DO DO AO
圖2 系統硬件組態圖
　　硬件連接好后，開始對系統進行PLC程序調試時，必須要求對系統作一次PLC總清或總復位。PLC總清完成后，PLC程序即可進行調試。SINUMERIK 840D的PLC使用的是SIMATIC
S7-300。故而調試軟件為STEP 7。
　 通過PLC的編程功能，PLC程序能夠對NCU、機床及機床控制面板的信號進行處理，同
時實現對急停信號與超程信號的實時監控，完成對坐標軸的定位控制。
3.1.2 PLC基本程序
　　西門子提供了一些數控PLC基本程序，用戶可以根據實際情況調用這些標準功能塊，而被系統占用的功能塊不能再被編輯，一般用戶可使用FB36—FB255，FC36—FC255基本程序由TOOLBOX工具提供。
基本程序項目庫由組織塊（OB），功能（FC），功能塊（FB）和數據塊（DB）構成。OB1為操作系統和用戶程序之間的接口，FC或FB必須在組織塊（OB）中被調用。
功能FC是類似于功能塊的邏輯操作塊，但是，其中不分配存儲區。FC不需要背景數
據塊。臨時變量保存在局部堆棧中，直到功能結束。當FC執行結束時，使用的變量要丟失。
功能塊FB是在邏輯操作塊內的功能或功能組，在操作塊內分配有存儲器，并存儲有變
量。FB需要這個背景數據塊的輔助存儲器。通過背景數據塊傳遞參數，而且一些局部參數也保存在此區。其他的臨時變量存在局部堆棧中。保存在背景數據塊內的數據，當功能塊關閉時數據仍保持。
　　數據塊（DB）與邏輯塊不同，在數據塊中沒有STEP7的指令。它們用于存放用戶數據。DB的大小可以不同。用戶可以用任意方式來建立數據塊的結構，以適合其不同的需求。
當CPU 與NCK啟動時，需要建立PLC和NCK之間的數據交換接口。就必須在PLC啟動時（即OB 100執行時），完成PLC和NCK接口配置文件，接口參數配置由FB1來完成，而FB1必須在OB100中進行調用，FB1的參數設置存放在DB7數據塊中。其調用程序如下:
Call FB1,DB7
MCPNum:=1 //Nunmber of active MCPs
MCP1In:=P#I100.0 //start address input signals MCP1
MCP1Out:=P#Q100.0 //start address output signals MCP1
MCP1StatSend:=P#Q108.0 //status DW for transmission MCP1
MCP1StatRec:=P#Q112.0 //status DW for receiving MCP1
MCP1BusAdr:=6 //bus address of machine control panel
MCP1Cycl:=S5T#200MS //Time reference for cyclic updating of signals to machine control panel
MCP1Timeout:=S5T#700ms //Cyclic sign-of-life monitoring for machine control panel
西門子公司為用戶提供了標準機床面板（MCP），在使用標準面板時，應在OB1調用MCP應用的基本程序FC25（車床版），輸入適當的參數。其具體程序如下：　　
Call FC25 //Machine control panel M variant signals to interface
Mode group No:=B#16#1 //Model group No.1
Channel No:=B#16#1 //Channel No.1
Spindle IF No:=B#16#5 //Spindle interface number=5
FeedHold:=M120.0 //Feed stop signal
SpindleHold:=DB2.DBX153.0 //Spindle stop signal
　　因此對于機床制造廠家來說，只需對FB1,FC2,FC3,FC19/FC25,FC10作研究即可。　　
3.1.3 用戶基本程序
根據實際情況，用戶可以建立自己的程序塊。在本次設計中除了西門子公司提供的基本程序塊外，用戶還自己建立了程序塊FC52（X軸與Z軸）控制、FC53（“C”旋轉軸控制）、FC54（尾座控制）、FC59（噴霧冷卻控制）等等。
3.2 接口信號選用
在編寫PLC程序過程中，必然涉及到接口信號的選用和處理，因此如何選用合理的接口信號，在設計中顯得由為重要。840D數控系統為設計人員提供了大量的接口控制信號，如：PLC — NCK控制信號、PLC — MMC控制信號、MMC — NCK控制信號。本次設計中主要用到的接口信號有：軸的控制信號、程序控制信號﹑急停信號、復位信號、硬件限位開關、參考點信號等。
1） 軸的控制信號
DB31.DBX2.1 (PLC至 NCK X軸伺服使能)
DB31.DBX21.7 (PLC 至NCK X軸脈沖使能)
… …
DB33.DBX83.5 (PLC至 NCK 旋轉軸在設定值范圍內)
DB33.DBX83.7 (PLC至 NCK 旋轉軸實際旋轉方向)
2） 程序控制信號
DB21.DBX0.3 (PLC至 NCK 激活DRF)
DB21.DBX0.5 (PLC至 NCK 激活M01)
DB21.DBX0.6 (PLC至 NCK 激活空轉進給率)
3） 急停信號
DB10.DBX56.1 (到NCK的通用信號 急停響應)
DB10.DBX56.2 (到NCK的通用信號 急停確認)
DB10.DBX106.1 (NCK到PLC的通用信號 急停有效)
4） 復位信號
DB21.DBX6.0 （PLC至 NCK禁止進給）
DB21.DBX6.1 （PLC至 NCK禁止讀入）
DB21.DBX7.7 (PLC至 NCK 復位信號)
5） 硬件限位開關
DB31.DBX12.1 (PLC至 NCK X軸硬件限位開關正)
… …
DB32.DBX12.0 (PLC至 NCK Z軸硬件限位開關負)
6） 參考點
DB31.DBX12.7 (PLC至 NCK X軸延遲回參考點)
DB32.DBX12.7 (PLC至 NCK Z軸延遲回參考點)
3.3 NC的配置
　　SINUMERIK 840D的NC配置主要是參數數據配置，包含機床數據的設定和驅動數據的設定。其中機床數據又包含：操作面板機床數據，通用機床數據，基本通道類機床數據，軸類機床數據等。本次設計中涉及到兩個“X”軸、兩個“Z”軸和一個旋轉軸“C”，幾個坐標軸參數配置相同，現就“X”軸為例說明軸參數的配置：
1） 操作面板機床數據（MD9000—MD9999）
操作面板機床數據是對機床面板、語言版本、顯示分辨率和各種保護級等的設定。
2） 通用機床數據（MD10000—MD18999）
通用機床數據主要用于對機床坐標軸的定義、PLC運行時間的設定與監控、用戶數據自
定義參數的設定等。部分機床數據如下:
MD10000[0]=X //機床坐標軸名X軸
MD13000[0]=1 //激活驅動器（611D）
MD13030[2]=2 //雙軸驅動模塊
　　MD13040[2]=1 //驅動類型為進給軸
3） 通道類機床數據（MD20000—MD28999）
通道類機床數據主要用于通道的設定、幾何坐標軸的設定和選用、G功能的選用等。部分數據如下:
MD20000=DH2200 //通道名
MD20050[1]=1 //設定機床所用幾何軸號為1
MD20060[1]=0 //設定所在幾何軸名為0
MD20070[3]=0 //設定通道中有效的機床軸號　　
4） 軸類機床數據（MD30000—MD38999）
軸類機床數據是對機床坐標各通道軸速度大小、方向和定位，誤差補償等參數設定，其中部分機床數據如下：
MD30130[0 AX1]=1 //設定值輸出類型為伺服電機
MD30200[0 AX1]=1 //編碼器數為1
MD31000[0 AX1]=1 //直接測量系統為光柵尺
MD32000[AX1]=500r/mm // X軸最大軸速率
MD32110[AX1]= -1 // X軸運動的方向
4 結束語
　　西門子840D數控系統是當今世界較為先進控制系統，因其體積小，功能強，程序設計簡單，維護方便，性能穩定等特點，故受用戶的青睞。在立式兩旋輪車輪輞旋壓機中的應用，可以提高旋壓機的精度，并使操作更為方便。