摘要：本文在介紹SINUMERIK 840D通用數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)硬件組態(tài)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(yīng)用。
關(guān)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(shù)控化始于六十年代后期，不過當(dāng)時只是由數(shù)控帶和機床控制器控制的簡易數(shù)控旋壓機。其后，獲得飛速發(fā)展的計算機控制技術(shù)和微型計算機技術(shù)被引入這個領(lǐng)域，從而生產(chǎn)了機床結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)得到顯著改進的各種自動旋壓機。一臺數(shù)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(chǎn)品的生產(chǎn)效率和成品率等方面起到了關(guān)鍵性的作用,而且對于一些高精度技術(shù)要求和形狀復(fù)雜的旋壓產(chǎn)品，數(shù)控旋壓機更加發(fā)揮了它的優(yōu)勢。
本機床是課題組自主研發(fā)的一臺設(shè)備，它對數(shù)控系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)必須有較快的運算速度,以滿足X-Z軸聯(lián)動的實時計算，要求32位CPU。
而SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)均能滿足上述要求。
1 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)性能
SINUMERIK 840D是西門子公司20世紀90年代推出的高性能數(shù)控系統(tǒng)。是建立在綜合的系統(tǒng)平臺上,通過系統(tǒng)設(shè)定功能而適用于所有的控制系統(tǒng)。840D與SIMODRIVE 611D數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)和SIMATIC S7可編程控制器一起，構(gòu)成了一個全數(shù)字控制系統(tǒng)，用于各種復(fù)雜零件加工,并具有優(yōu)于其他系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)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(chǎn)效率。
2 硬件設(shè)計
該旋壓機橫向采用電液伺服閉環(huán)控制，其進給機構(gòu)采用進口電液伺服閥及放大器、伺服油缸、光柵尺檢測構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),以上器件選用德國力士樂產(chǎn)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(tǒng)由西門子伺服電機、編碼器、減速器、滾珠絲杠、旋輪座體構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用滾珠絲杠、大扭矩減速器，絲杠支承座內(nèi)兩個軸承全部采用瑞典SKF產(chǎn)品,系統(tǒng)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(tǒng)的精度。
2.1 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的組成
SINUMERIK 840D是一種微處理數(shù)字控制系統(tǒng)，用于控制帶數(shù)字驅(qū)動的機床。主要包括840D中NCU數(shù)控單元，人機交互裝置MMC，驅(qū)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(shù)控單元
NCU數(shù)控單元是CNC控制部件的核心，根據(jù)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(shù)字的輸入等。主要包括CPU，MCP，操作面板等。根據(jù)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(qū)動裝置
SINUMERIK 840D系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服驅(qū)動SIMODRIVE 611D，可分別配以1FT 6進給電機構(gòu)成進給驅(qū)動系統(tǒng)，配以1PH 7主軸電機構(gòu)成主軸驅(qū)動系統(tǒng)。編碼器信號為1Vpp正弦波，實現(xiàn)全閉環(huán)控制。
4） 編程序控制器PLC
SINUMERIK 840D系統(tǒng)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(shù)，傳輸速率為187.5k/秒。
3 軟件設(shè)計
SINUMERIK 840D的軟件設(shè)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(shù)配置（包括各種補償）以及PLC報警文本。
3.1 PLC應(yīng)用程序的設(shè)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(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、對環(huán)境要求低、編程方便、編程指令豐富、容易聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)、維護工作量小等優(yōu)點。該系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)硬件組態(tài)圖如圖2所示。
機架：PS 307(5A) IM361 DI DI DI DO DO DO AO 圖2 系統(tǒng)硬件組態(tài)圖
硬件連接好后，開始對系統(tǒng)進行PLC程序調(diào)試時，必須要求對系統(tǒng)作一次PLC總清或總復(fù)位。PLC總清完成后，PLC程序即可進行調(diào)試。SINUMERIK 840D的PLC使用的是SIMATIC S7-300。故而調(diào)試軟件為STEP 7。
通過PLC的編程功能，PLC程序能夠?qū)CU、機床及機床控制面板的信號進行處理，同時實現(xiàn)對急停信號與超程信號的實時監(jiān)控，完成對坐標(biāo)軸的定位控制。
3.1.2 PLC基本程序
西門子提供了一些數(shù)控PLC基本程序，用戶可以根據(jù)實際情況調(diào)用這些標(biāo)準功能塊，而被系統(tǒng)占用的功能塊不能再被編輯，一般用戶可使用FB36—FB255，F(xiàn)C36—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(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。OB1為操作系統(tǒng)和用戶程序之間的接口，F(xiàn)C或FB必須在組織塊（OB）中被調(diào)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(qū)。FC不需要背景數(shù)據(jù)塊。臨時變量保存在局部堆棧中，直到功能結(jié)束。當(dāng)FC執(zhí)行結(jié)束時，使用的變量要丟失。
功能塊FB是在邏輯操作塊內(nèi)的功能或功能組，在操作塊內(nèi)分配有存儲器，并存儲有變量。FB需要這個背景數(shù)據(jù)塊的輔助存儲器。通過背景數(shù)據(jù)塊傳遞參數(shù)，而且一些局部參數(shù)也保存在此區(qū)。其他的臨時變量存在局部堆棧中。保存在背景數(shù)據(jù)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，當(dāng)功能塊關(guān)閉時數(shù)據(jù)仍保持。
數(shù)據(jù)塊（DB）與邏輯塊不同，在數(shù)據(jù)塊中沒有STEP7的指令。它們用于存放用戶數(shù)據(jù)。DB的大小可以不同。用戶可以用任意方式來建立數(shù)據(jù)塊的結(jié)構(gòu)，以適合其不同的需求。
當(dāng)CPU 與NCK啟動時，需要建立PLC和NCK之間的數(shù)據(jù)交換接口。就必須在PLC啟動時（即OB 100執(zhí)行時），完成PLC和NCK接口配置文件，接口參數(shù)配置由FB1來完成，而FB1必須在OB100中進行調(diào)用，F(xiàn)B1的參數(shù)設(shè)置存放在DB7數(shù)據(jù)塊中。其調(diào)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(biāo)準機床面板（MCP），在使用標(biāo)準面板時，應(yīng)在OB1調(diào)用MCP應(yīng)用的基本程序FC25（車床版），輸入適當(dāng)?shù)膮?shù)。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(jù)實際情況，用戶可以建立自己的程序塊。在本次設(shè)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(zhuǎn)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(shè)計中顯得由為重要。840D數(shù)控系統(tǒng)為設(shè)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(shè)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(fù)位信號、硬件限位開關(guān)、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(zhuǎn)軸在設(shè)定值范圍內(nèi))
DB33.DBX83.7 (PLC至 NCK 旋轉(zhuǎn)軸實際旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)進給率)
3） 急停信號
DB10.DBX56.1 (到NCK的通用信號 急停響應(yīng))
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(fù)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(fù)位信號)
5） 硬件限位開關(guān)
DB31.DBX12.1 (PLC至 NCK X軸硬件限位開關(guān)正)
… …
DB32.DBX12.0 (PLC至 NCK Z軸硬件限位開關(guān)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(shù)數(shù)據(jù)配置，包含機床數(shù)據(jù)的設(shè)定和驅(qū)動數(shù)據(jù)的設(shè)定。其中機床數(shù)據(jù)又包含：操作面板機床數(shù)據(jù)，通用機床數(shù)據(jù)，基本通道類機床數(shù)據(jù)，軸類機床數(shù)據(jù)等。本次設(shè)計中涉及到兩個“X”軸、兩個“Z”軸和一個旋轉(zhuǎn)軸“C”，幾個坐標(biāo)軸參數(shù)配置相同，現(xiàn)就“X”軸為例說明軸參數(shù)的配置：
1） 操作面板機床數(shù)據(jù)（MD9000—MD9999）
操作面板機床數(shù)據(jù)是對機床面板、語言版本、顯示分辨率和各種保護級等的設(shè)定。
2） 通用機床數(shù)據(jù)（MD10000—MD18999）
通用機床數(shù)據(jù)主要用于對機床坐標(biāo)軸的定義、PLC運行時間的設(shè)定與監(jiān)控、用戶數(shù)據(jù)自定義參數(shù)的設(shè)定等。部分機床數(shù)據(jù)如下:
MD10000[0]=X //機床坐標(biāo)軸名X軸
MD13000[0]=1 //激活驅(qū)動器（611D）
MD13030[2]=2 //雙軸驅(qū)動模塊
MD13040[2]=1 //驅(qū)動類型為進給軸
3） 通道類機床數(shù)據(jù)（MD20000—MD28999）
通道類機床數(shù)據(jù)主要用于通道的設(shè)定、幾何坐標(biāo)軸的設(shè)定和選用、G功能的選用等。部分數(shù)據(jù)如下:
MD20000=DH2200 //通道名
MD20050[1]=1 //設(shè)定機床所用幾何軸號為1
MD20060[1]=0 //設(shè)定所在幾何軸名為0
MD20070[3]=0 //設(shè)定通道中有效的機床軸號
4） 軸類機床數(shù)據(jù)（MD30000—MD38999）
軸類機床數(shù)據(jù)是對機床坐標(biāo)各通道軸速度大小、方向和定位，誤差補償?shù)葏?shù)設(shè)定，其中部分機床數(shù)據(jù)如下：
MD30130[0 AX1]=1 //設(shè)定值輸出類型為伺服電機
MD30200[0 AX1]=1 //編碼器數(shù)為1
MD31000[0 AX1]=1 //直接測量系統(tǒng)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(jié)束語
西門子840D數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)今世界較為先進控制系統(tǒng)，因其體積小，功能強，程序設(shè)計簡單，維護方便，性能穩(wěn)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(yīng)用，可以提高旋壓機的精度，并使操作更為方便。
參考文獻：
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